Iooninplanting is 'n metode om 'n sekere hoeveelheid en tipe onsuiwerhede by halfgeleiermateriale by te voeg om hul elektriese eienskappe te verander. Die hoeveelheid en verspreiding van onsuiwerhede kan presies beheer word.
Deel 1
Waarom ioon-inplantingsproses gebruik
In die vervaardiging van krag halfgeleier toestelle, die P / N streek doping van tradisionelesilikon waferskan deur diffusie bereik word. Die diffusiekonstante van onsuiwerheidsatome insilikonkarbiedis uiters laag, dus is dit onrealisties om selektiewe doping deur diffusieproses te bereik, soos getoon in Figuur 1. Aan die ander kant is die temperatuurtoestande van iooninplanting laer as dié van diffusieproses, en 'n meer buigsame en akkurate dopingverspreiding kan gevorm word.
Figuur 1 Vergelyking van diffusie- en ioon-inplantingsdoteringtegnologieë in silikonkarbiedmateriale
Deel 2
Hoe om te bereiksilikonkarbiedioon inplanting
Die tipiese hoë-energie-ioon-inplantingstoerusting wat in die silikonkarbied-proses vervaardigingsproses gebruik word, bestaan hoofsaaklik uit 'n ioonbron, plasma, aspirasiekomponente, analitiese magnete, ioonstrale, versnellingsbuise, proseskamers en skanderingsskywe, soos in Figuur 2 getoon.
Figuur 2 Skematiese diagram van silikonkarbied hoë-energie ioon-inplantingstoerusting
(Bron: “Semiconductor Manufacturing Technology”)
SiC-iooninplanting word gewoonlik by hoë temperatuur uitgevoer, wat die skade aan die kristalrooster wat deur ioonbombardement veroorsaak word, kan verminder. Vir4H-SiC-wafers, word die produksie van N-tipe gebiede gewoonlik bereik deur stikstof- en fosforione in te plant, en die produksie vanP-tipeareas word gewoonlik bereik deur aluminiumione en boorione in te plant.
Tabel 1. Voorbeeld van selektiewe doping in SiC-toestelvervaardiging
(Bron: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Figuur 3 Vergelyking van multi-stap energie ioon inplanting en wafer oppervlak doping konsentrasie verspreiding
(Bron: G.Lulli, Introduction To Ion Implantation)
Ten einde eenvormige dopingkonsentrasie in die ioon-inplantingsarea te bereik, gebruik ingenieurs gewoonlik multi-stap iooninplanting om die algehele konsentrasieverspreiding van die inplantingsarea aan te pas (soos getoon in Figuur 3); in die werklike prosesvervaardigingsproses, deur die inplantingsenergie en inplantingsdosis van die iooninplanter aan te pas, kan die dopingkonsentrasie en dopingdiepte van die iooninplantingsarea beheer word, soos in Figuur 4 getoon. (a) en (b); die ioon-inplanter voer eenvormige iooninplanting op die wafeloppervlak uit deur die wafeloppervlak verskeie kere te skandeer tydens werking, soos in Figuur 4 getoon. (c).
(c) Bewegingstrajek van die ioon-inplanter tydens ioon-inplanting
Figuur 4 Tydens die iooninplantingsproses word die onsuiwerheidskonsentrasie en -diepte beheer deur die iooninplantingsenergie en dosis aan te pas
III
Aktiveringsuitgloeiingsproses vir silikonkarbiedioon-inplanting
Die konsentrasie, verspreidingsarea, aktiveringstempo, defekte in die liggaam en op die oppervlak van die iooninplanting is die hoofparameters van die iooninplantingsproses. Daar is baie faktore wat die resultate van hierdie parameters beïnvloed, insluitend inplantingsdosis, energie, kristaloriëntasie van die materiaal, inplantingstemperatuur, uitgloeiingstemperatuur, uitgloeityd, omgewing, ens. Anders as silikonioon-inplantingsdotering, is dit steeds moeilik om heeltemal te ioniseer die onsuiwerhede van silikonkarbied na ioon-inplanting doping. Neem die aluminium-aanvaarder-ionisasietempo in die neutrale gebied van 4H-SiC as 'n voorbeeld, by 'n dopingkonsentrasie van 1×1017cm-3, is die akseptorionisasietempo slegs ongeveer 15% by kamertemperatuur (gewoonlik is die ionisasietempo van silikon ongeveer 100%). Om die doelwit van hoë aktiveringstempo en minder defekte te bereik, sal 'n hoë-temperatuur uitgloeiingsproses na iooninplanting gebruik word om die amorfe defekte wat tydens inplanting gegenereer word te herkristalliseer, sodat die ingeplante atome die substitusieplek binnegaan en geaktiveer word, soos aangedui. in Figuur 5. Tans is mense se begrip van die meganisme van die uitgloeiingsproses nog beperk. Beheer en in-diepte begrip van die uitgloeiingsproses is een van die navorsingsfokusse van iooninplanting in die toekoms.
Figuur 5 Skematiese diagram van die atoomrangskikkingsverandering op die oppervlak van die silikonkarbiedioon-inplantingsarea voor en na iooninplantingsgloeiing, waar Vsiverteenwoordig silikon vakatures, VCverteenwoordig koolstofvakatures, Civerteenwoordig koolstofvulatome, en Siiverteenwoordig silikonvul atome
Ioon-aktivering uitgloeiing sluit gewoonlik oondgloeiing, vinnige uitgloeiing en lasergloeiing in. As gevolg van die sublimasie van Si-atome in SiC-materiale, oorskry die uitgloeitemperatuur gewoonlik nie 1800 ℃ nie; die uitgloeiatmosfeer word gewoonlik in 'n inerte gas of vakuum uitgevoer. Verskillende ione veroorsaak verskillende defeksentrums in SiC en vereis verskillende uitgloeiingstemperature. Uit die meeste eksperimentele resultate kan die gevolgtrekking gemaak word dat hoe hoër die uitgloeitemperatuur, hoe hoër is die aktiveringstempo (soos getoon in Figuur 6).
Figuur 6 Effek van uitgloeiingstemperatuur op die elektriese aktiveringstempo van stikstof- of fosforinplanting in SiC (by kamertemperatuur)
(Totale inplantingsdosis 1×1014cm-2)
(Bron: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Die algemeen gebruikte aktiveringsgloeiproses na SiC-ioon-inplanting word in 'n Ar-atmosfeer by 1600 ℃ ~ 1700 ℃ uitgevoer om die SiC-oppervlak te herkristalliseer en die doteermiddel te aktiveer, en sodoende die geleidingsvermoë van die gedoteerde area te verbeter; voor uitgloeiing kan 'n laag koolstoffilm op die wafeloppervlak bedek word vir oppervlakbeskerming om oppervlakafbreking wat veroorsaak word deur Si-desorpsie en oppervlak-atoommigrasie te verminder, soos in Figuur 7 getoon; na uitgloeiing kan die koolstoffilm deur oksidasie of korrosie verwyder word.
Figuur 7 Vergelyking van oppervlakruwheid van 4H-SiC-wafers met of sonder koolstoffilmbeskerming onder 1800 ℃ uitgloeitemperatuur
(Bron: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
IV
Die impak van SiC ioon inplanting en aktivering uitgloei proses
Iooninplanting en daaropvolgende aktiveringsgloeiing sal onvermydelik defekte produseer wat toestelwerkverrigting verminder: komplekse puntdefekte, stapelfoute (soos getoon in Figuur 8), nuwe ontwrigtings, vlak of diep energievlakdefekte, basale vlak ontwrigtinglusse en beweging van bestaande ontwrigtings. Aangesien die hoë-energie-ioonbombardementproses stres op die SiC-wafer sal veroorsaak, sal die hoë-temperatuur- en hoë-energie-ioon-inplantingsproses die wafel-ketting vererger. Hierdie probleme het ook die rigting geword wat dringend geoptimaliseer en bestudeer moet word in die vervaardigingsproses van SiC-ioon-inplanting en uitgloeiing.
Figuur 8 Skematiese diagram van die vergelyking tussen normale 4H-SiC roosterrangskikking en verskillende stapelfoute
(Bron: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defekte)
V.
Verbetering van silikonkarbiedioon-inplantingsproses
(1) 'n Dun oksiedfilm word op die oppervlak van die iooninplantingsarea behou om die mate van inplantingsskade wat veroorsaak word deur hoë-energie-iooninplanting aan die oppervlak van die silikonkarbied-epitaksiale laag te verminder, soos in Figuur 9 getoon. (a) .
(2) Verbeter die kwaliteit van die teikenskyf in die ioon-inplantingstoerusting, sodat die wafer en die teikenskyf nouer pas, die termiese geleidingsvermoë van die teikenskyf na die wafer is beter, en die toerusting die agterkant van die wafer verhit. meer eenvormig, die verbetering van die kwaliteit van hoë-temperatuur en hoë-energie ioon inplanting op silikonkarbied wafels, soos getoon in Figuur 9. (b).
(3) Optimaliseer die temperatuurstygingstempo en temperatuuruniformiteit tydens die werking van die hoëtemperatuur-gloeitoerusting.
Figuur 9 Metodes vir die verbetering van ioon-inplantingsproses
Postyd: 22 Oktober 2024