Ионная имплантация — это метод добавления определенного количества и типа примесей в полупроводниковые материалы для изменения их электрических свойств. Количество и распределение примесей можно точно контролировать.
Часть 1
Зачем использовать процесс ионной имплантации
При производстве силовых полупроводниковых приборов легирование области P/N традиционныхкремниевые пластиныможет быть достигнуто путем диффузии. Однако константа диффузии атомов примеси вкарбид кремниячрезвычайно низок, поэтому нереально добиться селективного легирования путем диффузии, как показано на рисунке 1. С другой стороны, температурные условия ионной имплантации ниже, чем при диффузионном процессе, и более гибкое и точное распределение легирования может формироваться.
Рис. 1. Сравнение технологий диффузионного и ионно-имплантационного легирования карбидокремниевых материалов.
Часть 2
Как достичькарбид кремнияионная имплантация
Типичное оборудование для высокоэнергетической ионной имплантации, используемое в процессе производства карбида кремния, в основном состоит из источника ионов, плазмы, аспирационных компонентов, аналитических магнитов, ионных пучков, ускорительных трубок, технологических камер и сканирующих дисков, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Принципиальная схема оборудования для имплантации высокоэнергетическими ионами карбида кремния.
(Источник: «Технология производства полупроводников»)
Имплантация ионов SiC обычно проводится при высокой температуре, что позволяет свести к минимуму повреждение кристаллической решетки, вызванное ионной бомбардировкой. ДляПластины 4H-SiC, создание областей N-типа обычно достигается имплантацией ионов азота и фосфора, а производствоP-типплощади обычно достигается путем имплантации ионов алюминия и ионов бора.
Таблица 1. Пример селективного легирования при производстве приборов из SiC
(Источник: Кимото, Купер, «Основы технологии карбида кремния: рост, характеристика, устройства и приложения»)
Рисунок 3. Сравнение многоэтапной энергетической ионной имплантации и распределения концентрации легирования поверхности пластины.
(Источник: Г.Лулли, «Введение в ионную имплантацию»)
Чтобы добиться равномерной концентрации легирования в области ионной имплантации, инженеры обычно используют многоступенчатую ионную имплантацию, чтобы отрегулировать общее распределение концентрации в области имплантации (как показано на рисунке 3); в реальном производственном процессе путем регулирования энергии имплантации и дозы имплантации ионного имплантатора можно контролировать концентрацию легирования и глубину легирования области ионной имплантации, как показано на рисунке 4. (a) и (b); ионный имплантатор выполняет равномерную ионную имплантацию на поверхность пластины, многократно сканируя поверхность пластины во время работы, как показано на рисунке 4. (c).
(в) Траектория движения ионного имплантатора во время ионной имплантации.
Рисунок 4. В процессе ионной имплантации концентрация и глубина примеси контролируются путем регулирования энергии и дозы ионной имплантации.
III
Процесс активационного отжига для имплантации ионов карбида кремния
Концентрация, площадь распределения, скорость активации, дефекты в теле и на поверхности ионной имплантации являются основными параметрами процесса ионной имплантации. Существует множество факторов, влияющих на результаты этих параметров, включая дозу имплантации, энергию, кристаллическую ориентацию материала, температуру имплантации, температуру отжига, время отжига, окружающую среду и т. д. В отличие от легирования ионами кремния, имплантацию полностью ионизировать все еще сложно. примеси карбида кремния после ионной имплантации. Если взять в качестве примера скорость ионизации акцептора алюминия в нейтральной области 4H-SiC, то при концентрации легирования 1×1017см-3 скорость ионизации акцептора составляет всего около 15% при комнатной температуре (обычно скорость ионизации кремния составляет примерно 100%). Чтобы достичь цели высокой скорости активации и меньшего количества дефектов, после ионной имплантации будет использоваться процесс высокотемпературного отжига для рекристаллизации аморфных дефектов, образующихся во время имплантации, так что имплантированные атомы попадают в сайт замещения и активируются, как показано. на рисунке 5. В настоящее время понимание людьми механизма процесса отжига все еще ограничено. Контроль и глубокое понимание процесса отжига — одно из направлений исследований ионной имплантации в будущем.
Рис. 5. Принципиальная схема изменения расположения атомов на поверхности области имплантации ионов карбида кремния до и после ионно-имплантационного отжига, где Vsiпредставляет собой кремниевые вакансии, ВCпредставляет собой углеродные вакансии, Ciпредставляет собой атомы углерода, заполняющие атомы углерода, а Siiпредставляет собой атомы кремния, заполняющие
Ионно-активационный отжиг обычно включает отжиг в печи, быстрый отжиг и лазерный отжиг. Из-за сублимации атомов Si в материалах SiC температура отжига обычно не превышает 1800 ℃; атмосферу отжига обычно проводят в инертном газе или вакууме. Разные ионы создают разные дефектные центры в SiC и требуют разных температур отжига. Из большинства экспериментальных результатов можно сделать вывод, что чем выше температура отжига, тем выше скорость активации (как показано на рисунке 6).
Рис. 6. Влияние температуры отжига на скорость электрической активации имплантации азота или фосфора в SiC (при комнатной температуре).
(Общая имплантационная доза 1×1014см-2)
(Источник: Кимото, Купер, «Основы технологии карбида кремния: рост, характеристика, устройства и приложения»)
Обычно используемый процесс активационного отжига после имплантации ионов SiC проводится в атмосфере Ar при температуре 1600 ℃ ~ 1700 ℃ для рекристаллизации поверхности SiC и активации легирующей примеси, тем самым улучшая проводимость легированной области; перед отжигом на поверхность пластины можно нанести слой углеродной пленки для защиты поверхности и уменьшения деградации поверхности, вызванной десорбцией Si и поверхностной миграцией атомов, как показано на рисунке 7; после отжига углеродная пленка может быть удалена окислением или коррозией.
Рисунок 7. Сравнение шероховатости поверхности пластин 4H-SiC с защитой углеродной пленкой или без нее при температуре отжига 1800 ℃.
(Источник: Кимото, Купер, «Основы технологии карбида кремния: рост, характеристика, устройства и приложения»)
IV
Влияние имплантации ионов SiC и процесса активационного отжига
Ионная имплантация и последующий активационный отжиг неизбежно приводят к появлению дефектов, которые снижают производительность устройства: сложные точечные дефекты, дефекты упаковки (как показано на рисунке 8), новые дислокации, дефекты на мелких или глубоких энергетических уровнях, дислокационные петли в базисной плоскости и движение существующих дислокаций. Поскольку процесс бомбардировки ионами высокой энергии вызовет напряжение в пластине SiC, процесс имплантации высокотемпературных ионов с высокой энергией увеличит коробление пластины. Эти проблемы также стали тем направлением, которое срочно нуждается в оптимизации и изучении в производственном процессе ионной имплантации и отжига SiC.
Рисунок 8. Схематическая диаграмма сравнения нормальной структуры решетки 4H-SiC и различных дефектов упаковки.
(Источник: Дефекты Николо Пилусо 4H-SiC)
V.
Совершенствование процесса имплантации ионов карбида кремния
(1) На поверхности области ионной имплантации сохраняется тонкая оксидная пленка, чтобы уменьшить степень имплантационного повреждения, вызванного имплантацией ионов высокой энергии на поверхность эпитаксиального слоя карбида кремния, как показано на рисунке 9. (а) .
(2) Улучшить качество целевого диска в оборудовании для ионной имплантации, чтобы пластина и целевой диск прилегали более плотно, теплопроводность целевого диска к пластине была лучше, а оборудование нагревало заднюю часть пластины. более равномерно, улучшая качество имплантации высокотемпературных и высокоэнергетических ионов на пластины карбида кремния, как показано на рисунке 9. (b).
(3) Оптимизировать скорость повышения температуры и однородность температуры во время работы оборудования для высокотемпературного отжига.
Рисунок 9. Методы улучшения процесса ионной имплантации.
Время публикации: 22 октября 2024 г.