Ioonide implanteerimine on meetod teatud koguse ja tüüpi lisandite lisamiseks pooljuhtmaterjalidesse, et muuta nende elektrilisi omadusi. Lisandite kogust ja jaotumist saab täpselt kontrollida.
1. osa
Miks kasutada ioonide implanteerimisprotsessi?
Võimsuspooljuhtseadmete valmistamisel on P/N piirkonna doping traditsiooniliseräniplaadidon võimalik saavutada difusiooni teel. Lisandite aatomite difusioonikonstant aga sisseränikarbiidon äärmiselt madal, mistõttu on ebareaalne saavutada selektiivset dopingut difusiooniprotsessiga, nagu on näidatud joonisel 1. Teisest küljest on ioonide implanteerimise temperatuuritingimused madalamad kui difusiooniprotsessi omad ning paindlikum ja täpsem dopingu jaotus võib kujunema.
Joonis 1 Ränikarbiidmaterjalide difusiooni- ja ioonimplantatsiooni dopingutehnoloogiate võrdlus
2. osa
Kuidas saavutadaränikarbiidioonide implanteerimine
Ränikarbiidi tootmisprotsessis kasutatavad tüüpilised suure energiatarbega ioonide implanteerimisseadmed koosnevad peamiselt iooniallikast, plasmast, aspiratsioonikomponentidest, analüütilistest magnetitest, ioonkiirtest, kiirendustorudest, protsessikambritest ja skaneerimisketastest, nagu on näidatud joonisel 2.
Joonis 2 Ränikarbiidi suure energiaga ioonide implanteerimisseadmete skemaatiline diagramm
(Allikas: “Semiconductor Manufacturing Technology”)
SiC ioonide implanteerimine toimub tavaliselt kõrgel temperatuuril, mis võib minimeerida ioonide pommitamise põhjustatud kristallvõre kahjustusi. Sest4H-SiC vahvlid, saavutatakse N-tüüpi alade tootmine tavaliselt lämmastiku- ja fosforiioonide implanteerimisega ningP-tüüpialad saavutatakse tavaliselt alumiiniumioonide ja booriioonide implanteerimisega.
Tabel 1. Näide selektiivsest dopingust SiC seadmete valmistamisel
(Allikas: Kimoto, Cooper, ränikarbiidi tehnoloogia alused: kasv, iseloomustus, seadmed ja rakendused)
Joonis 3 Mitmeastmelise energiaioonide implanteerimise ja vahvli pinna dopingu kontsentratsiooni jaotuse võrdlus
(Allikas: G.Lulli, Introduction To Ion Implantation)
Et saavutada ühtlane dopingu kontsentratsioon ioonide implantatsioonipiirkonnas, kasutavad insenerid tavaliselt mitmeastmelist ioonimplantatsiooni, et kohandada üldist kontsentratsiooni jaotust implanteerimispiirkonnas (nagu on näidatud joonisel 3); tegelikus tootmisprotsessis saab ioonimplantaatori implantatsioonienergia ja implantatsioonidoosi reguleerimisega kontrollida dopingu kontsentratsiooni ja dopingu sügavust ioonide implanteerimispiirkonnas, nagu on näidatud joonisel 4. (a) ja (b); ioonimplanter teostab ühtlase iooniimplantatsiooni vahvli pinnale, skaneerides töö ajal vahvli pinda mitu korda, nagu on näidatud joonisel 4. (c).
(c) Iooniimplanteri liikumistrajektoor ioonide implanteerimise ajal
Joonis 4 Ioonide implanteerimise protsessi ajal kontrollitakse lisandite kontsentratsiooni ja sügavust ioonide implantatsiooni energia ja annuse reguleerimisega
III
Ränikarbiidi ioonide implanteerimise aktiveerimise lõõmutamise protsess
Ioonide implanteerimise protsessi peamised parameetrid on kontsentratsioon, jaotusala, aktivatsioonikiirus, defektid kehas ja ioonide implantatsiooni pinnal. Nende parameetrite tulemusi mõjutavad paljud tegurid, sealhulgas implantatsioonidoos, energia, materjali kristallide orientatsioon, implantatsiooni temperatuur, lõõmutamise temperatuur, lõõmutamise aeg, keskkond jne. Erinevalt räniioonide implanteerimise dopingust on selle täielik ioniseerimine siiski keeruline. ränikarbiidi lisandid pärast ioonide implantatsiooni dopingut. Võttes näiteks alumiiniumi aktseptori ionisatsioonikiiruse 4H-SiC neutraalses piirkonnas, dopingu kontsentratsioonil 1 × 1017 cm-3, on aktseptori ionisatsioonimäär toatemperatuuril ainult umbes 15% (tavaliselt on räni ionisatsioonikiirus ligikaudu 100%). Kõrge aktiveerimiskiiruse ja väiksemate defektide vähendamise eesmärgi saavutamiseks kasutatakse pärast ioonide implanteerimist kõrgel temperatuuril anniilimisprotsessi, et ümberkristallida implanteerimisel tekkinud amorfsed defektid, nii et siirdatud aatomid sisenevad asenduskohta ja aktiveeruvad, nagu näidatud. joonisel 5. Praegu on inimeste arusaam lõõmutamisprotsessi mehhanismist veel piiratud. Lõõmutamisprotsessi juhtimine ja süvendatud mõistmine on tulevikus üks ioonide implanteerimise uurimise fookustest.
Joonis 5 Aatomi paigutuse muutuse skemaatiline diagramm ränikarbiidi ioonide implantatsioonipiirkonna pinnal enne ja pärast iooniimplantatsiooni lõõmutamist, kus Vsiesindab räni vabu töökohti, VCtähistab süsiniku vabu töökohti, Citähistab süsinikku täitvaid aatomeid ja Siitähistab räni täitvaid aatomeid
Ioonide aktiveerimisega lõõmutamine hõlmab tavaliselt ahju lõõmutamist, kiirlõõmutamist ja laserlõõmutamist. Si aatomite sublimatsiooni tõttu SiC materjalides ei ületa anniilimistemperatuur üldiselt 1800 ℃; lõõmutamine toimub tavaliselt inertgaasis või vaakumis. Erinevad ioonid põhjustavad SiC-s erinevaid defektikeskusi ja nõuavad erinevaid lõõmutamistemperatuure. Enamiku katsetulemuste põhjal võib järeldada, et mida kõrgem on lõõmutamistemperatuur, seda suurem on aktivatsioonikiirus (nagu on näidatud joonisel 6).
Joonis 6 Lõõmutamistemperatuuri mõju lämmastiku või fosfori siirdamise elektrilisele aktiveerimiskiirusele SiC-s (toatemperatuuril)
(Kogu implantatsioonidoos 1×1014cm-2)
(Allikas: Kimoto, Cooper, ränikarbiidi tehnoloogia alused: kasv, iseloomustus, seadmed ja rakendused)
Tavaliselt kasutatav aktiveerimisanniilimisprotsess pärast SiC ioonide implanteerimist viiakse läbi Ar atmosfääris temperatuuril 1600 ℃ ~ 1700 ℃, et rekristalliseerida SiC pind ja aktiveerida lisandit, parandades seeläbi legeeritud ala juhtivust; enne lõõmutamist võib vahvli pinnale katta süsinikkile kihi pinna kaitsmiseks, et vähendada Si desorptsioonist ja pinna aatomimigratsioonist põhjustatud pinna lagunemist, nagu on näidatud joonisel 7; pärast lõõmutamist saab süsinikkile eemaldada oksüdatsiooni või korrosiooni teel.
Joonis 7 Süsinikkile kaitsega või ilma selleta 4H-SiC vahvlite pinna kareduse võrdlus temperatuuril 1800 ℃
(Allikas: Kimoto, Cooper, ränikarbiidi tehnoloogia alused: kasv, iseloomustus, seadmed ja rakendused)
IV
SiC ioonide implanteerimise ja aktiveerimise lõõmutamisprotsessi mõju
Ioonide implanteerimine ja sellele järgnev aktiveerimisanniilimine tekitavad paratamatult defekte, mis vähendavad seadme jõudlust: keerulised punktidefektid, virnastamisvead (nagu näidatud joonisel 8), uued nihestused, madalad või sügavad energiataseme defektid, basaaltasandi dislokatsioonisilmused ja olemasolevate dislokatsioonide liikumine. Kuna suure energiaga ioonide pommitamise protsess põhjustab ränikarbiidi vahvlile stressi, suurendab kõrge temperatuuri ja suure energiaga ioonide implanteerimisprotsess vahvli kõverust. Need probleemid on muutunud ka suunaks, mida tuleb kiiresti optimeerida ja uurida SiC ioonide implanteerimise ja lõõmutamise tootmisprotsessis.
Joonis 8 Tavalise 4H-SiC võre paigutuse ja erinevate virnastamisvigade võrdlemise skemaatiline diagramm
(Allikas: Nicolὸ Piluso 4H-SiC defektid)
V.
Ränikarbiidi ioonide implanteerimisprotsessi täiustamine
(1) Ioonide implanteerimisala pinnale jääb õhuke oksiidkile, et vähendada ränikarbiidi epitaksiaalse kihi pinnale suure energiaga ioonide implanteerimisest põhjustatud implantatsioonikahjustuse astet, nagu on näidatud joonisel 9. (a) .
(2) Parandage ioonide implanteerimisseadmete sihtketta kvaliteeti, nii et vahvel ja sihtketas sobiksid tihedamalt, sihtketta soojusjuhtivus vahvli suhtes oleks parem ja seadmed soojendaksid vahvli tagakülge. ühtlasemalt, parandades ränikarbiidplaatidele kõrge temperatuuri ja suure energiaga ioonide implanteerimise kvaliteeti, nagu on näidatud joonisel 9. (b).
(3) Optimeerige temperatuuri tõusu kiirust ja temperatuuri ühtlust kõrgel temperatuuril anniilimisseadmete töötamise ajal.
Joonis 9 Meetodid ioonide implanteerimisprotsessi parandamiseks
Postitusaeg: 22.10.2024