Jonų implantavimas – tai būdas į puslaidininkines medžiagas įterpti tam tikro kiekio ir tipo priemaišų, kad pakeistų jų elektrines savybes. Priemaišų kiekį ir pasiskirstymą galima tiksliai kontroliuoti.
1 dalis
Kodėl verta naudoti jonų implantavimo procesą
Gaminant galios puslaidininkinius įtaisus, P/N regiono dopingas tradicinissilicio plokštelėsgalima pasiekti difuzijos būdu. Tačiau priemaišų atomų difuzijos konstantasilicio karbidasyra labai žemas, todėl nerealu pasiekti selektyviojo dopingo difuzijos būdu, kaip parodyta 1 paveiksle. Kita vertus, jonų implantavimo temperatūros sąlygos yra žemesnės nei difuzijos proceso, o lankstesnis ir tikslesnis dopingo pasiskirstymas gali būti suformuotas.
1 pav. Difuzijos ir jonų implantavimo dopingo technologijų silicio karbido medžiagose palyginimas
2 dalis
Kaip pasiektisilicio karbidasjonų implantacija
Įprastą didelės energijos jonų implantavimo įrangą, naudojamą silicio karbido proceso gamybos procese, daugiausia sudaro jonų šaltinis, plazma, aspiracijos komponentai, analitiniai magnetai, jonų pluoštai, pagreičio vamzdeliai, proceso kameros ir skenavimo diskai, kaip parodyta 2 paveiksle.
2 pav. Scheminė silicio karbido didelės energijos jonų implantavimo įrangos schema
(Šaltinis: „Puslaidininkių gamybos technologija“)
SiC jonų implantavimas paprastai atliekamas aukštoje temperatūroje, o tai gali sumažinti kristalinės gardelės žalą, kurią sukelia jonų bombardavimas. Už4H-SiC plokštelės, N tipo plotų gamyba dažniausiai pasiekiama implantuojant azoto ir fosforo jonus, o gaminantP tipoplotai paprastai pasiekiami implantuojant aliuminio jonus ir boro jonus.
1 lentelė. Selektyviojo dopingo pavyzdys SiC įrenginių gamyboje
(Šaltinis: Kimoto, Cooper, Silicio karbido technologijos pagrindai: augimas, charakteristika, įrenginiai ir programos)
3 pav. Daugiapakopio energijos jonų implantavimo ir plokštelės paviršiaus dopingo koncentracijos pasiskirstymo palyginimas
(Šaltinis: G.Lulli, Įvadas į jonų implantaciją)
Siekdami pasiekti vienodą dopingo koncentraciją jonų implantavimo srityje, inžinieriai paprastai taiko kelių pakopų jonų implantavimą, kad sureguliuotų bendrą implantavimo srities koncentracijos pasiskirstymą (kaip parodyta 3 pav.); faktinio proceso gamybos procese, koreguojant implantavimo energiją ir jonų implantatoriaus implantavimo dozę, galima valdyti dopingo koncentraciją ir jonų implantavimo srities dopingo gylį, kaip parodyta 4 paveiksle. (a) ir (b); jonų implantatorius atlieka vienodą jonų implantavimą plokštelės paviršiuje, veikimo metu kelis kartus nuskaitydamas plokštelės paviršių, kaip parodyta 4 paveiksle. (c).
c) jonų implantatoriaus judėjimo trajektorija jonų implantacijos metu
4 pav. Jonų implantavimo proceso metu priemaišų koncentracija ir gylis kontroliuojami reguliuojant jonų implantacijos energiją ir dozę.
III
Aktyvinimo atkaitinimo procesas silicio karbido jonų implantavimui
Koncentracija, pasiskirstymo plotas, aktyvacijos greitis, defektai kūne ir jonų implantacijos paviršiuje yra pagrindiniai jonų implantavimo proceso parametrai. Yra daug veiksnių, turinčių įtakos šių parametrų rezultatams, įskaitant implantavimo dozę, energiją, medžiagos kristalų orientaciją, implantavimo temperatūrą, atkaitinimo temperatūrą, atkaitinimo laiką, aplinką ir kt. Skirtingai nuo silicio jonų implantavimo dopingo, jį vis tiek sunku visiškai jonizuoti. silicio karbido priemaišos po jonų implantacijos dopingo. Pavyzdžiui, aliuminio akceptoriaus jonizacijos greitis neutralioje 4H-SiC srityje, kai dopingo koncentracija yra 1 × 1017 cm-3, akceptoriaus jonizacijos greitis kambario temperatūroje yra tik apie 15% (paprastai silicio jonizacijos greitis yra apytikslis 100%). Siekiant didelio aktyvavimo greičio ir mažiau defektų, po jonų implantacijos bus naudojamas aukštos temperatūros atkaitinimo procesas, perkristalizuojantis implantacijos metu susidariusius amorfinius defektus, kad implantuoti atomai patektų į pakeitimo vietą ir būtų aktyvuojami, kaip parodyta. 5 paveiksle. Šiuo metu žmonių supratimas apie atkaitinimo proceso mechanizmą vis dar yra ribotas. Atkaitinimo proceso kontrolė ir nuodugnus supratimas yra vienas iš jonų implantacijos tyrimų ateityje.
5 pav. Atominio išsidėstymo pokyčio silicio karbido jonų implantavimo srities paviršiuje schema prieš ir po jonų implantacijos atkaitinimo, kur Vsiatstovauja laisvas silicio darbo vietas, VCreiškia laisvas anglies dioksido vietas, Cireiškia anglies užpildymo atomus ir Siireiškia silicį užpildančius atomus
Jonų aktyvinimo atkaitinimas paprastai apima atkaitinimą krosnyje, greitąjį atkaitinimą ir lazerinį atkaitinimą. Dėl Si atomų sublimacijos SiC medžiagose atkaitinimo temperatūra paprastai neviršija 1800 ℃; atkaitinimo atmosfera paprastai atliekama inertinėse dujose arba vakuume. Skirtingi jonai sukelia skirtingus SiC defektų centrus ir reikalauja skirtingos atkaitinimo temperatūros. Iš daugumos eksperimentinių rezultatų galima daryti išvadą, kad kuo aukštesnė atkaitinimo temperatūra, tuo didesnis aktyvacijos greitis (kaip parodyta 6 paveiksle).
6 paveikslas Atkaitinimo temperatūros įtaka azoto arba fosforo implantavimo į SiC elektrinio aktyvavimo greičiui (kambario temperatūroje)
(Bendra implantavimo dozė 1×1014cm-2)
(Šaltinis: Kimoto, Cooper, Silicio karbido technologijos pagrindai: augimas, charakteristika, įrenginiai ir programos)
Dažniausiai naudojamas aktyvinimo atkaitinimo procesas po SiC jonų implantacijos yra atliekamas Ar atmosferoje 1600 ℃ ~ 1700 ℃ temperatūroje, kad SiC paviršius būtų perkristalizuotas ir suaktyvinamas legiravimo medžiaga, taip pagerinant legiruoto ploto laidumą; prieš atkaitinimą ant plokštelės paviršiaus gali būti padengtas anglies plėvelės sluoksnis, kad būtų apsaugotas paviršius, siekiant sumažinti paviršiaus degradaciją, kurią sukelia Si desorbcija ir paviršiaus atominė migracija, kaip parodyta 7 paveiksle; po atkaitinimo anglies plėvelė gali būti pašalinta oksidacijos arba korozijos būdu.
7 pav. 4H-SiC plokštelių paviršiaus šiurkštumo palyginimas su anglies plėvelės apsauga arba be jos, esant 1800 ℃ atkaitinimo temperatūrai
(Šaltinis: Kimoto, Cooper, Silicio karbido technologijos pagrindai: augimas, charakteristika, įrenginiai ir programos)
IV
SiC jonų implantavimo ir aktyvinimo atkaitinimo proceso įtaka
Jonų implantacija ir vėlesnis aktyvinimo atkaitinimas neišvengiamai sukels defektus, mažinančius įrenginio veikimą: sudėtingus taškų defektus, sukrovimo gedimus (kaip parodyta 8 pav.), naujus išnirimus, negilius ar gilius energijos lygio defektus, bazinės plokštumos dislokacijos kilpas ir esamų išnirimų judėjimą. Kadangi didelės energijos jonų bombardavimo procesas sukels stresą SiC plokštelėje, aukštos temperatūros ir didelės energijos jonų implantavimo procesas padidins plokštelių deformaciją. Šios problemos taip pat tapo kryptimi, kurią reikia skubiai optimizuoti ir ištirti SiC jonų implantavimo ir atkaitinimo gamybos procese.
8 pav. Įprasto 4H-SiC gardelės išdėstymo ir skirtingų sukrovimo gedimų palyginimo schema
(Šaltinis: Nicolὸ Piluso 4H-SiC defektai)
V.
Silicio karbido jonų implantavimo proceso tobulinimas
(1) Plona oksido plėvelė išlaikoma jonų implantavimo srities paviršiuje, kad būtų sumažintas implantacijos pažeidimas, kurį sukelia didelės energijos jonų implantacija į silicio karbido epitaksinio sluoksnio paviršių, kaip parodyta 9 paveiksle. (a) .
(2) Pagerinkite tikslinio disko kokybę jonų implantavimo įrangoje, kad plokštelė ir tikslinis diskas geriau tilptų, tikslinio disko šilumos laidumas plokštelei būtų geresnis, o įranga šildytų plokštelės galą tolygiau, gerinant aukštos temperatūros ir didelės energijos jonų implantavimo ant silicio karbido plokštelių kokybę, kaip parodyta 9 paveiksle (b).
(3) Optimizuokite temperatūros kilimo greitį ir temperatūros vienodumą, kai veikia aukštos temperatūros atkaitinimo įranga.
9 pav. Jonų implantavimo proceso tobulinimo metodai
Paskelbimo laikas: 2024-10-22