Η εμφύτευση ιόντων είναι μια μέθοδος προσθήκης ορισμένης ποσότητας και τύπου ακαθαρσιών σε υλικά ημιαγωγών για να αλλάξουν οι ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Η ποσότητα και η κατανομή των ακαθαρσιών μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια.
Μέρος 1
Γιατί να χρησιμοποιήσετε τη διαδικασία εμφύτευσης ιόντων
Στην κατασκευή συσκευών ημιαγωγών ισχύος, η περιοχή P/N ντόπινγκ των παραδοσιακώνγκοφρέτες πυριτίουμπορεί να επιτευχθεί με διάχυση. Ωστόσο, η σταθερά διάχυσης των ατόμων ακαθαρσίας σεκαρβίδιο του πυριτίουείναι εξαιρετικά χαμηλή, επομένως δεν είναι ρεαλιστικό να επιτευχθεί επιλεκτικό ντόπινγκ με διαδικασία διάχυσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Από την άλλη πλευρά, οι συνθήκες θερμοκρασίας της εμφύτευσης ιόντων είναι χαμηλότερες από αυτές της διαδικασίας διάχυσης και μια πιο ευέλικτη και ακριβής κατανομή ντόπινγκ μπορεί να σχηματιστεί.
Σχήμα 1 Σύγκριση τεχνολογιών ντόπινγκ διάχυσης και εμφύτευσης ιόντων σε υλικά καρβιδίου του πυριτίου
Μέρος 2
Πώς να πετύχετεκαρβίδιο του πυριτίουεμφύτευση ιόντων
Ο τυπικός εξοπλισμός εμφύτευσης ιόντων υψηλής ενέργειας που χρησιμοποιείται στη διαδικασία κατασκευής της διαδικασίας καρβιδίου του πυριτίου αποτελείται κυρίως από πηγή ιόντων, πλάσμα, συστατικά αναρρόφησης, αναλυτικούς μαγνήτες, δέσμες ιόντων, σωλήνες επιτάχυνσης, θαλάμους διεργασίας και δίσκους σάρωσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.
Σχήμα 2 Σχηματικό διάγραμμα εξοπλισμού εμφύτευσης ιόντων υψηλής ενέργειας καρβιδίου του πυριτίου
(Πηγή: “Semiconductor Manufacturing Technology”)
Η εμφύτευση ιόντων SiC πραγματοποιείται συνήθως σε υψηλή θερμοκρασία, η οποία μπορεί να ελαχιστοποιήσει τη ζημιά στο κρυσταλλικό πλέγμα που προκαλείται από βομβαρδισμό ιόντων. ΓιαΓκοφρέτες 4H-SiC, η παραγωγή περιοχών τύπου Ν επιτυγχάνεται συνήθως με την εμφύτευση ιόντων αζώτου και φωσφόρου και την παραγωγήτύπου Pπεριοχές επιτυγχάνεται συνήθως με την εμφύτευση ιόντων αλουμινίου και ιόντων βορίου.
Πίνακας 1. Παράδειγμα επιλεκτικού ντόπινγκ στην κατασκευή συσκευών SiC
(Πηγή: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Σχήμα 3 Σύγκριση εμφύτευσης ιόντων ενέργειας πολλαπλών βημάτων και κατανομής συγκέντρωσης ντόπινγκ στην επιφάνεια του πλακιδίου
(Πηγή: G.Lulli, Introduction To Ion Implantation)
Προκειμένου να επιτευχθεί ομοιόμορφη συγκέντρωση ντόπινγκ στην περιοχή εμφύτευσης ιόντων, οι μηχανικοί συνήθως χρησιμοποιούν εμφύτευση ιόντων πολλαπλών σταδίων για να προσαρμόσουν τη συνολική κατανομή συγκέντρωσης της περιοχής εμφύτευσης (όπως φαίνεται στο Σχήμα 3). Στη διαδικασία κατασκευής της πραγματικής διαδικασίας, ρυθμίζοντας την ενέργεια εμφύτευσης και τη δόση εμφύτευσης του εμφυτευτήρα ιόντων, η συγκέντρωση ντόπινγκ και το βάθος ντόπινγκ της περιοχής εμφύτευσης ιόντων μπορούν να ελεγχθούν, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. (α) και (β). ο εμφυτευτής ιόντων εκτελεί ομοιόμορφη εμφύτευση ιόντων στην επιφάνεια του πλακιδίου σαρώνοντας την επιφάνεια του πλακιδίου πολλές φορές κατά τη λειτουργία, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. (γ).
(γ) Τροχιά κίνησης του εμφυτευτή ιόντων κατά την εμφύτευση ιόντων
Εικόνα 4 Κατά τη διαδικασία εμφύτευσης ιόντων, η συγκέντρωση και το βάθος της ακαθαρσίας ελέγχονται με προσαρμογή της ενέργειας και της δόσης εμφύτευσης ιόντων
III
Διαδικασία ανόπτησης ενεργοποίησης για εμφύτευση ιόντων καρβιδίου του πυριτίου
Η συγκέντρωση, η περιοχή κατανομής, ο ρυθμός ενεργοποίησης, τα ελαττώματα στο σώμα και στην επιφάνεια της εμφύτευσης ιόντων είναι οι κύριες παράμετροι της διαδικασίας εμφύτευσης ιόντων. Υπάρχουν πολλοί παράγοντες που επηρεάζουν τα αποτελέσματα αυτών των παραμέτρων, όπως η δόση εμφύτευσης, η ενέργεια, ο προσανατολισμός των κρυστάλλων του υλικού, η θερμοκρασία εμφύτευσης, η θερμοκρασία ανόπτησης, ο χρόνος ανόπτησης, το περιβάλλον κ.λπ. Σε αντίθεση με το ντόπινγκ εμφύτευσης ιόντων πυριτίου, εξακολουθεί να είναι δύσκολο να ιονιστεί πλήρως οι ακαθαρσίες του καρβιδίου του πυριτίου μετά από εμφύτευση ιόντων ντόπινγκ. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τον ρυθμό ιονισμού του δέκτη αλουμινίου στην ουδέτερη περιοχή του 4H-SiC, σε συγκέντρωση ντόπινγκ 1×1017 cm-3, ο ρυθμός ιονισμού του δέκτη είναι μόνο περίπου 15% σε θερμοκρασία δωματίου (συνήθως ο ρυθμός ιονισμού του πυριτίου είναι περίπου 100%). Προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος του υψηλού ρυθμού ενεργοποίησης και λιγότερων ελαττωμάτων, θα χρησιμοποιηθεί μια διαδικασία ανόπτησης σε υψηλή θερμοκρασία μετά την εμφύτευση ιόντων για την ανακρυστάλλωση των άμορφων ελαττωμάτων που δημιουργούνται κατά την εμφύτευση, έτσι ώστε τα εμφυτευμένα άτομα να εισέλθουν στη θέση υποκατάστασης και να ενεργοποιηθούν, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5. Προς το παρόν, η κατανόηση του μηχανισμού της διαδικασίας ανόπτησης είναι ακόμα περιορισμένη. Ο έλεγχος και η σε βάθος κατανόηση της διαδικασίας ανόπτησης είναι ένας από τους ερευνητικούς στόχους της εμφύτευσης ιόντων στο μέλλον.
Σχήμα 5 Σχηματικό διάγραμμα της αλλαγής της ατομικής διάταξης στην επιφάνεια της περιοχής εμφύτευσης ιόντων καρβιδίου του πυριτίου πριν και μετά την ανόπτηση εμφύτευσης ιόντων, όπου Vsiαντιπροσωπεύει κενές θέσεις πυριτίου, VCαντιπροσωπεύει κενές θέσεις άνθρακα, Ciαντιπροσωπεύει άτομα πλήρωσης άνθρακα και το Siiαντιπροσωπεύει άτομα πλήρωσης πυριτίου
Η ανόπτηση με ενεργοποίηση ιόντων περιλαμβάνει γενικά ανόπτηση σε φούρνο, ταχεία ανόπτηση και ανόπτηση με λέιζερ. Λόγω της εξάχνωσης των ατόμων Si σε υλικά SiC, η θερμοκρασία ανόπτησης γενικά δεν υπερβαίνει τους 1800℃. η ατμόσφαιρα ανόπτησης γενικά διεξάγεται σε αδρανές αέριο ή κενό. Διαφορετικά ιόντα προκαλούν διαφορετικά κέντρα ελαττωμάτων στο SiC και απαιτούν διαφορετικές θερμοκρασίες ανόπτησης. Από τα περισσότερα πειραματικά αποτελέσματα, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία ανόπτησης, τόσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός ενεργοποίησης (όπως φαίνεται στο Σχήμα 6).
Εικόνα 6 Επίδραση της θερμοκρασίας ανόπτησης στον ρυθμό ηλεκτρικής ενεργοποίησης εμφύτευσης αζώτου ή φωσφόρου σε SiC (σε θερμοκρασία δωματίου)
(Συνολική δόση εμφύτευσης 1×1014cm-2)
(Πηγή: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
Η συνήθως χρησιμοποιούμενη διαδικασία ανόπτησης ενεργοποίησης μετά την εμφύτευση ιόντων SiC πραγματοποιείται σε ατμόσφαιρα Ar στους 1600℃~1700℃ για την ανακρυστάλλωση της επιφάνειας του SiC και την ενεργοποίηση της πρόσμιξης, βελτιώνοντας έτσι την αγωγιμότητα της περιοχής με πρόσμιξη. Πριν από την ανόπτηση, ένα στρώμα μεμβράνης άνθρακα μπορεί να επικαλυφθεί στην επιφάνεια του πλακιδίου για προστασία της επιφάνειας για τη μείωση της επιφανειακής υποβάθμισης που προκαλείται από την εκρόφηση του Si και την επιφανειακή ατομική μετανάστευση, όπως φαίνεται στο Σχήμα 7. μετά την ανόπτηση, το φιλμ άνθρακα μπορεί να αφαιρεθεί με οξείδωση ή διάβρωση.
Σχήμα 7 Σύγκριση τραχύτητας επιφάνειας πλακών 4H-SiC με ή χωρίς προστασία μεμβράνης άνθρακα σε θερμοκρασία ανόπτησης 1800℃
(Πηγή: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)
IV
Ο αντίκτυπος της διαδικασίας εμφύτευσης ιόντων SiC και ενεργοποίησης ανόπτησης
Η εμφύτευση ιόντων και η επακόλουθη ανόπτηση ενεργοποίησης θα παράγουν αναπόφευκτα ελαττώματα που μειώνουν την απόδοση της συσκευής: σύνθετα ελαττώματα σημείου, σφάλματα στοίβαξης (όπως φαίνεται στο Σχήμα 8), νέες εξαρθρώσεις, ελαττώματα ρηχού ή βαθιάς ενεργειακής στάθμης, βρόχους εξάρθρωσης βασικού επιπέδου και κίνηση υπαρχόντων εξαρθρώσεων. Δεδομένου ότι η διαδικασία βομβαρδισμού ιόντων υψηλής ενέργειας θα προκαλέσει άγχος στη γκοφρέτα SiC, η διαδικασία εμφύτευσης ιόντων υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής ενέργειας θα αυξήσει τη στρέβλωση της πλακέτας. Αυτά τα προβλήματα έχουν γίνει επίσης η κατεύθυνση που χρειάζεται επειγόντως να βελτιστοποιηθεί και να μελετηθεί στη διαδικασία κατασκευής εμφύτευσης και ανόπτησης ιόντων SiC.
Σχήμα 8 Σχηματικό διάγραμμα σύγκρισης μεταξύ κανονικής διάταξης πλέγματος 4H-SiC και διαφορετικών σφαλμάτων στοίβαξης
(Πηγή: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)
V.
Βελτίωση της διαδικασίας εμφύτευσης ιόντων καρβιδίου του πυριτίου
(1) Ένα λεπτό φιλμ οξειδίου διατηρείται στην επιφάνεια της περιοχής εμφύτευσης ιόντων για τη μείωση του βαθμού βλάβης εμφύτευσης που προκαλείται από την εμφύτευση ιόντων υψηλής ενέργειας στην επιφάνεια του επιταξιακού στρώματος καρβιδίου του πυριτίου, όπως φαίνεται στο σχήμα 9. (α) .
(2) Βελτιώστε την ποιότητα του δίσκου στόχου στον εξοπλισμό εμφύτευσης ιόντων, έτσι ώστε η γκοφρέτα και ο δίσκος στόχος να ταιριάζουν πιο κοντά, η θερμική αγωγιμότητα του δίσκου στόχου στη γκοφρέτα είναι καλύτερη και ο εξοπλισμός θερμαίνει το πίσω μέρος της γκοφρέτας πιο ομοιόμορφα, βελτιώνοντας την ποιότητα της εμφύτευσης ιόντων υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής ενέργειας σε γκοφρέτες καρβιδίου του πυριτίου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 9. (β).
(3) Βελτιστοποιήστε τον ρυθμό αύξησης της θερμοκρασίας και την ομοιομορφία θερμοκρασίας κατά τη λειτουργία του εξοπλισμού ανόπτησης υψηλής θερμοκρασίας.
Εικόνα 9 Μέθοδοι για τη βελτίωση της διαδικασίας εμφύτευσης ιόντων
Ώρα δημοσίευσης: Οκτ-22-2024