Ang ion implantation ay isang paraan ng pagdaragdag ng isang tiyak na halaga at uri ng mga impurities sa mga semiconductor na materyales upang baguhin ang kanilang mga electrical properties. Ang dami at pamamahagi ng mga impurities ay maaaring tumpak na makontrol.
Bahagi 1
Bakit gumamit ng proseso ng pagtatanim ng ion
Sa paggawa ng kapangyarihan semiconductor device, ang P/N rehiyon doping ng tradisyonalmga manipis na silikonmaaaring makamit sa pamamagitan ng pagsasabog. Gayunpaman, ang diffusion constant ng impurity atoms insilikon karbiday napakababa, kaya hindi makatotohanang makamit ang selective doping sa pamamagitan ng diffusion process, tulad ng ipinapakita sa Figure 1. Sa kabilang banda, ang mga kondisyon ng temperatura ng ion implantation ay mas mababa kaysa sa diffusion process, at ang isang mas nababaluktot at tumpak na pamamahagi ng doping ay maaaring mabuo.
Figure 1 Paghahambing ng diffusion at ion implantation doping na teknolohiya sa mga materyales ng silicon carbide
Bahagi 2
Paano makamitsilikon karbidpagtatanim ng ion
Ang tipikal na high-energy ion implantation equipment na ginagamit sa proseso ng paggawa ng silicon carbide process ay pangunahing binubuo ng ion source, plasma, aspiration component, analytical magnets, ion beams, acceleration tubes, process chambers, at scanning disks, tulad ng ipinapakita sa Figure 2.
Figure 2 Schematic diagram ng silicon carbide high-energy ion implantation equipment
(Pinagmulan: “Teknolohiya sa Paggawa ng Semiconductor”)
Ang pagtatanim ng SiC ion ay karaniwang isinasagawa sa mataas na temperatura, na maaaring mabawasan ang pinsala sa kristal na sala-sala na dulot ng pambobomba ng ion. Para sa4H-SiC na mga wafer, ang produksyon ng mga N-type na lugar ay karaniwang nakakamit sa pamamagitan ng pagtatanim ng nitrogen at phosphorus ions, at ang produksyon ngP-uriAng mga lugar ay karaniwang nakakamit sa pamamagitan ng pagtatanim ng mga aluminum ions at boron ions.
Talahanayan 1. Halimbawa ng selective doping sa paggawa ng SiC device
(Source: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Figure 3 Paghahambing ng multi-step na energy ion implantation at wafer surface doping concentration distribution
(Source: G.Lulli, Introduction To Ion Implantation)
Upang makamit ang pare-parehong konsentrasyon ng doping sa lugar ng pagtatanim ng ion, karaniwang ginagamit ng mga inhinyero ang multi-step na pagtatanim ng ion upang ayusin ang kabuuang pamamahagi ng konsentrasyon ng lugar ng pagtatanim (tulad ng ipinapakita sa Figure 3); sa aktwal na proseso ng pagmamanupaktura, sa pamamagitan ng pagsasaayos ng implantation energy at implantation dose ng ion implanter, ang doping concentration at doping depth ng ion implantation area ay makokontrol, tulad ng ipinapakita sa Figure 4. (a) at (b); ang ion implanter ay nagsasagawa ng pare-parehong ion implantation sa ibabaw ng ostiya sa pamamagitan ng pag-scan sa ibabaw ng ostiya ng maraming beses sa panahon ng operasyon, tulad ng ipinapakita sa Figure 4. (c).
(c) Movement trajectory ng ion implanter sa panahon ng ion implantation
Figure 4 Sa panahon ng proseso ng pagtatanim ng ion, ang konsentrasyon at lalim ng karumihan ay kinokontrol sa pamamagitan ng pagsasaayos ng enerhiya at dosis ng pagtatanim ng ion.
III
Proseso ng pag-activate ng pagsusubo para sa pagtatanim ng ion ng silicon carbide
Ang konsentrasyon, lugar ng pamamahagi, rate ng pag-activate, mga depekto sa katawan at sa ibabaw ng pagtatanim ng ion ay ang mga pangunahing parameter ng proseso ng pagtatanim ng ion. Mayroong maraming mga kadahilanan na nakakaapekto sa mga resulta ng mga parameter na ito, kabilang ang dosis ng pagtatanim, enerhiya, kristal na oryentasyon ng materyal, temperatura ng pagtatanim, temperatura ng pagsusubo, oras ng pagsusubo, kapaligiran, atbp. Hindi tulad ng doping ng pagtatanim ng silicon ion, mahirap pa ring ganap na ionize ang mga impurities ng silicon carbide pagkatapos ng ion implantation doping. Ang pagkuha ng aluminum acceptor ionization rate sa neutral na rehiyon ng 4H-SiC bilang isang halimbawa, sa doping concentration na 1×1017cm-3, ang acceptor ionization rate ay halos 15% lamang sa room temperature (karaniwan ay ang ionization rate ng silicon ay humigit-kumulang 100%). Upang makamit ang layunin ng mataas na activation rate at mas kaunting mga depekto, ang isang mataas na temperatura na proseso ng pagsusubo ay gagamitin pagkatapos ng ion implantation upang i-recrystallize ang amorphous na mga depekto na nabuo sa panahon ng implantation, upang ang mga implanted atoms ay pumasok sa substitution site at ma-activate, tulad ng ipinapakita. sa Figure 5. Sa kasalukuyan, ang pag-unawa ng mga tao sa mekanismo ng proseso ng pagsusubo ay limitado pa rin. Ang kontrol at malalim na pag-unawa sa proseso ng pagsusubo ay isa sa mga pinagtutuunan ng pananaliksik ng ion implantation sa hinaharap.
Figure 5 Schematic diagram ng pagbabago ng atomic arrangement sa ibabaw ng silicon carbide ion implantation area bago at pagkatapos ng ion implantation annealing, kung saan Vsikumakatawan sa mga bakanteng silikon, VCkumakatawan sa mga bakanteng carbon, Cikumakatawan sa carbon filling atoms, at Siikumakatawan sa mga atomo ng pagpuno ng silikon
Karaniwang kinabibilangan ng furnace annealing ang activation annealing, mabilis na annealing at laser annealing. Dahil sa sublimation ng Si atoms sa mga materyales ng SiC, ang temperatura ng pagsusubo sa pangkalahatan ay hindi lalampas sa 1800 ℃; ang kapaligiran ng pagsusubo ay karaniwang isinasagawa sa isang inert gas o vacuum. Ang iba't ibang mga ion ay nagdudulot ng iba't ibang mga sentro ng depekto sa SiC at nangangailangan ng iba't ibang mga temperatura ng pagsusubo. Mula sa karamihan ng mga eksperimentong resulta, maaari itong tapusin na ang mas mataas na temperatura ng pagsusubo, mas mataas ang rate ng pag-activate (tulad ng ipinapakita sa Figure 6).
Figure 6 Epekto ng annealing temperature sa electrical activation rate ng nitrogen o phosphorus implantation sa SiC (sa room temperature)
(Kabuuang implantation dose 1×1014cm-2)
(Source: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Ang karaniwang ginagamit na proseso ng activation annealing pagkatapos ng SiC ion implantation ay isinasagawa sa isang Ar atmosphere sa 1600 ℃~1700 ℃ upang i-recrystallize ang ibabaw ng SiC at i-activate ang dopant, sa gayo'y pagpapabuti ng conductivity ng doped area; bago ang pagsusubo, maaaring lagyan ng layer ng carbon film ang wafer surface para sa proteksyon sa ibabaw upang mabawasan ang pagkasira ng ibabaw na dulot ng Si desorption at surface atomic migration, tulad ng ipinapakita sa Figure 7; pagkatapos ng pagsusubo, ang carbon film ay maaaring alisin sa pamamagitan ng oksihenasyon o kaagnasan.
Figure 7 Paghahambing ng pagkamagaspang sa ibabaw ng 4H-SiC wafer na may o walang proteksyon ng carbon film sa ilalim ng 1800 ℃ na temperatura ng pagsusubo
(Source: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
IV
Ang epekto ng SiC ion implantation at activation annealing process
Ang ion implantation at kasunod na activation annealing ay hindi maiiwasang magdulot ng mga depekto na nakakabawas sa performance ng device: complex point defects, stacking faults (tulad ng ipinapakita sa Figure 8), mga bagong dislokasyon, mababaw o malalim na depekto sa antas ng enerhiya, basal plane dislocation loops at paggalaw ng mga kasalukuyang dislokasyon. Dahil ang proseso ng high-energy ion bombardment ay magdudulot ng stress sa SiC wafer, ang mataas na temperatura at high-energy ion implantation na proseso ay magpapataas ng wafer warpage. Ang mga problemang ito ay naging direksyon din na agarang kailangang i-optimize at pag-aralan sa proseso ng pagmamanupaktura ng SiC ion implantation at annealing.
Figure 8 Schematic diagram ng paghahambing sa pagitan ng normal na 4H-SiC lattice arrangement at iba't ibang stacking faults
(Pinagmulan: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)
V.
Pagpapabuti ng proseso ng pagtatanim ng silicon carbide ion
(1) Ang isang manipis na oxide film ay pinananatili sa ibabaw ng ion implantation area upang mabawasan ang antas ng pinsala sa implantation na dulot ng high-energy ion implantation sa ibabaw ng silicon carbide epitaxial layer, tulad ng ipinapakita sa Figure 9. (a) .
(2) Pagbutihin ang kalidad ng target na disk sa ion implantation equipment, upang ang wafer at ang target na disk ay magkasya nang mas malapit, ang thermal conductivity ng target disk sa wafer ay mas mahusay, at ang kagamitan ay nagpapainit sa likod ng wafer mas pare-pareho, pagpapabuti ng kalidad ng mataas na temperatura at mataas na enerhiya na pagtatanim ng ion sa mga wafer ng silicon carbide, tulad ng ipinapakita sa Figure 9. (b).
(3) I-optimize ang rate ng pagtaas ng temperatura at pagkakapareho ng temperatura sa panahon ng pagpapatakbo ng high-temperature na kagamitan sa pagsusubo.
Figure 9 Mga pamamaraan para sa pagpapabuti ng proseso ng pagtatanim ng ion
Oras ng post: Okt-22-2024