Implantasi ion ialah kaedah menambah jumlah dan jenis kekotoran tertentu ke dalam bahan semikonduktor untuk menukar sifat elektriknya. Jumlah dan pengedaran kekotoran boleh dikawal dengan tepat.
Bahagian 1
Mengapa menggunakan proses implantasi ion
Dalam pembuatan peranti semikonduktor kuasa, doping rantau P/N tradisionalwafer silikonboleh dicapai melalui penyebaran. Walau bagaimanapun, pemalar resapan atom kekotoran dalamsilikon karbidaadalah sangat rendah, jadi adalah tidak realistik untuk mencapai doping terpilih melalui proses resapan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Sebaliknya, keadaan suhu implantasi ion adalah lebih rendah daripada proses resapan, dan taburan doping yang lebih fleksibel dan tepat boleh dibentuk.
Rajah 1 Perbandingan teknologi doping resapan dan implantasi ion dalam bahan silikon karbida
Bahagian 2
Bagaimana untuk mencapaisilikon karbidaimplantasi ion
Peralatan implantasi ion tenaga tinggi biasa yang digunakan dalam proses pembuatan proses silikon karbida terutamanya terdiri daripada sumber ion, plasma, komponen aspirasi, magnet analitik, rasuk ion, tiub pecutan, ruang proses dan cakera pengimbasan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.
Rajah 2 Diagram skematik peralatan implantasi ion tenaga tinggi silikon karbida
(Sumber: “Teknologi Pembuatan Semikonduktor”)
Implantasi ion SiC biasanya dilakukan pada suhu tinggi, yang boleh meminimumkan kerosakan pada kekisi kristal yang disebabkan oleh pengeboman ion. Untukwafer 4H-SiC, pengeluaran kawasan jenis N biasanya dicapai dengan menanam ion nitrogen dan fosforus, dan pengeluaranJenis-Pkawasan biasanya dicapai dengan menanam ion aluminium dan ion boron.
Jadual 1. Contoh doping terpilih dalam pembuatan peranti SiC
(Sumber: Kimoto, Cooper, Asas Teknologi Silicon Carbide: Pertumbuhan, Pencirian, Peranti dan Aplikasi)
Rajah 3 Perbandingan implantasi ion tenaga berbilang langkah dan taburan kepekatan doping permukaan wafer
(Sumber: G.Lulli, Pengenalan Kepada Implantasi Ion)
Untuk mencapai kepekatan doping yang seragam di kawasan implantasi ion, jurutera biasanya menggunakan implantasi ion berbilang langkah untuk melaraskan taburan kepekatan keseluruhan kawasan implantasi (seperti ditunjukkan dalam Rajah 3); dalam proses pembuatan proses sebenar, dengan melaraskan tenaga implantasi dan dos implantasi implanter ion, kepekatan doping dan kedalaman doping kawasan implantasi ion boleh dikawal, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4. (a) dan (b); implanter ion melakukan implantasi ion seragam pada permukaan wafer dengan mengimbas permukaan wafer beberapa kali semasa operasi, seperti ditunjukkan dalam Rajah 4. (c).
(c) Trajektori pergerakan implanter ion semasa implantasi ion
Rajah 4 Semasa proses implantasi ion, kepekatan dan kedalaman kekotoran dikawal dengan melaraskan tenaga dan dos implantasi ion
III
Proses penyepuhlindapan pengaktifan untuk implantasi ion silikon karbida
Kepekatan, kawasan pengedaran, kadar pengaktifan, kecacatan pada badan dan pada permukaan implantasi ion adalah parameter utama proses implantasi ion. Terdapat banyak faktor yang mempengaruhi keputusan parameter ini, termasuk dos implantasi, tenaga, orientasi kristal bahan, suhu implantasi, suhu penyepuhlindapan, masa penyepuhlindapan, persekitaran, dll. Tidak seperti doping implantasi ion silikon, ia masih sukar untuk mengion sepenuhnya. kekotoran silikon karbida selepas doping implantasi ion. Mengambil kadar pengionan penerima aluminium di kawasan neutral 4H-SiC sebagai contoh, pada kepekatan doping 1×1017cm-3, kadar pengionan penerima hanya kira-kira 15% pada suhu bilik (biasanya kadar pengionan silikon adalah lebih kurang 100%). Untuk mencapai matlamat kadar pengaktifan yang tinggi dan kecacatan yang lebih sedikit, proses penyepuhlindapan suhu tinggi akan digunakan selepas implantasi ion untuk mengkristalkan semula kecacatan amorf yang dihasilkan semasa implantasi, supaya atom yang diimplan memasuki tapak penggantian dan diaktifkan, seperti yang ditunjukkan. dalam Rajah 5. Pada masa ini, pemahaman orang ramai tentang mekanisme proses penyepuhlindapan masih terhad. Kawalan dan pemahaman yang mendalam tentang proses penyepuhlindapan adalah salah satu fokus penyelidikan implantasi ion pada masa hadapan.
Rajah 5 Diagram skematik perubahan susunan atom pada permukaan kawasan implantasi ion silikon karbida sebelum dan selepas penyepuhlindapan implantasi ion, di mana Vsimewakili kekosongan silikon, VCmewakili kekosongan karbon, Cimewakili atom pengisian karbon, dan Siimewakili atom pengisian silikon
Penyepuhlindapan pengaktifan ion secara amnya termasuk penyepuhlindapan relau, penyepuhlindapan pantas dan penyepuhlindapan laser. Oleh kerana pemejalwapan atom Si dalam bahan SiC, suhu penyepuhlindapan secara amnya tidak melebihi 1800 ℃; suasana penyepuhlindapan biasanya dijalankan dalam gas lengai atau vakum. Ion yang berbeza menyebabkan pusat kecacatan yang berbeza dalam SiC dan memerlukan suhu penyepuhlindapan yang berbeza. Daripada kebanyakan keputusan eksperimen, dapat disimpulkan bahawa semakin tinggi suhu penyepuhlindapan, semakin tinggi kadar pengaktifan (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6).
Rajah 6 Kesan suhu penyepuhlindapan ke atas kadar pengaktifan elektrik implantasi nitrogen atau fosforus dalam SiC (pada suhu bilik)
(Jumlah dos implantasi 1×1014cm-2)
(Sumber: Kimoto, Cooper, Asas Teknologi Silicon Carbide: Pertumbuhan, Pencirian, Peranti dan Aplikasi)
Proses penyepuhlindapan pengaktifan yang biasa digunakan selepas implantasi ion SiC dijalankan dalam suasana Ar pada 1600 ℃~1700 ℃ untuk menghablurkan semula permukaan SiC dan mengaktifkan dopan, dengan itu meningkatkan kekonduksian kawasan doped; sebelum penyepuhlindapan, satu lapisan filem karbon boleh disalut pada permukaan wafer untuk perlindungan permukaan untuk mengurangkan kemerosotan permukaan yang disebabkan oleh penyahjerapan Si dan penghijrahan atom permukaan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7; selepas penyepuhlindapan, filem karbon boleh dikeluarkan melalui pengoksidaan atau kakisan.
Rajah 7 Perbandingan kekasaran permukaan wafer 4H-SiC dengan atau tanpa perlindungan filem karbon di bawah suhu penyepuhlindapan 1800℃
(Sumber: Kimoto, Cooper, Asas Teknologi Silicon Carbide: Pertumbuhan, Pencirian, Peranti dan Aplikasi)
IV
Kesan implantasi ion SiC dan proses penyepuhlindapan pengaktifan
Implantasi ion dan penyepuhlindapan pengaktifan seterusnya pasti akan menghasilkan kecacatan yang mengurangkan prestasi peranti: kecacatan titik kompleks, kerosakan susunan (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8), kehelan baharu, kecacatan tahap tenaga cetek atau dalam, gelung kehelan satah asas dan pergerakan kehelan sedia ada. Oleh kerana proses pengeboman ion bertenaga tinggi akan menyebabkan tekanan kepada wafer SiC, proses implantasi ion suhu tinggi dan tenaga tinggi akan meningkatkan lengkungan wafer. Masalah-masalah ini juga telah menjadi hala tuju yang perlu dioptimumkan dan dikaji dengan segera dalam proses pembuatan implantasi dan penyepuhlindapan ion SiC.
Rajah 8 Diagram skematik perbandingan antara susunan kekisi 4H-SiC biasa dan kerosakan susunan yang berbeza
(Sumber: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)
V.
Penambahbaikan proses implantasi ion silikon karbida
(1) Filem oksida nipis dikekalkan pada permukaan kawasan implantasi ion untuk mengurangkan tahap kerosakan implantasi yang disebabkan oleh implantasi ion bertenaga tinggi ke permukaan lapisan epitaxial silikon karbida, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 9. (a) .
(2) Meningkatkan kualiti cakera sasaran dalam peralatan implantasi ion, supaya wafer dan cakera sasaran sesuai dengan lebih rapat, kekonduksian terma cakera sasaran ke wafer adalah lebih baik, dan peralatan memanaskan bahagian belakang wafer lebih seragam, meningkatkan kualiti implantasi ion suhu tinggi dan tenaga tinggi pada wafer silikon karbida, seperti ditunjukkan dalam Rajah 9. (b).
(3) Optimumkan kadar kenaikan suhu dan keseragaman suhu semasa operasi peralatan penyepuhlindapan suhu tinggi.
Rajah 9 Kaedah untuk menambah baik proses implantasi ion
Masa siaran: 22-Okt-2024