Ioni-istutus on menetelmä, jossa puolijohdemateriaaliin lisätään tietty määrä ja tyyppisiä epäpuhtauksia niiden sähköisten ominaisuuksien muuttamiseksi. Epäpuhtauksien määrää ja jakautumista voidaan valvoa tarkasti.
Osa 1
Miksi käyttää ioni-istutusprosessia
Tehopuolijohdelaitteiden valmistuksessa P/N-alueen doping perinteistäpiikiekkojavoidaan saavuttaa diffuusiolla. Kuitenkin epäpuhtausatomien diffuusiovakio sisäänpiikarbidion erittäin alhainen, joten on epärealistista saavuttaa valikoivaa dopingia diffuusioprosessilla, kuten kuvassa 1 on esitetty. Toisaalta ioni-istutuksen lämpötilaolosuhteet ovat alhaisemmat kuin diffuusioprosessin, ja joustavampi ja tarkempi dopingjakauma voi muodostua.
Kuva 1 Piikarbidimateriaalien diffuusio- ja ioni-implantaatioseostustekniikoiden vertailu
Osa 2
Kuinka saavuttaapiikarbidiioni-istutus
Tyypillinen piikarbidiprosessin valmistusprosessissa käytetty korkeaenerginen ioni-istutuslaitteisto koostuu pääasiassa ionilähteestä, plasmasta, imukomponenteista, analyyttisistä magneeteista, ionisäteistä, kiihdytysputkista, prosessikammioista ja skannauslevyistä, kuten kuvassa 2 näkyy.
Kuva 2 Kaaviokuva piikarbidin korkean energian ioni-istutuslaitteistosta
(Lähde: "Semiconductor Manufacturing Technology")
SiC-ioni-istutus suoritetaan yleensä korkeassa lämpötilassa, mikä voi minimoida ionipommituksen aiheuttaman kidehilan vaurion. varten4H-SiC kiekot, N-tyypin alueiden tuotanto saavutetaan yleensä istuttamalla typpi- ja fosfori-ioneja ja tuottamallaP-tyyppinenalueet saavutetaan yleensä implantoimalla alumiini- ja boori-ioneja.
Taulukko 1. Esimerkki valikoivasta dopingista piikarbidilaitteiden valmistuksessa
(Lähde: Kimoto, Cooper, Silicon Carbide Technologyn perusteet: kasvu, karakterisointi, laitteet ja sovellukset)
Kuva 3 Monivaiheisen energia-ioni-istutuksen ja kiekon pinnan dopingkonsentraatiojakauman vertailu
(Lähde: G.Lulli, Introduction To Ion Implantation)
Tasaisen dopingpitoisuuden saavuttamiseksi ioni-implantaatioalueella insinöörit käyttävät yleensä monivaiheista ioni-implantaatiota säätämään implantaatioalueen yleistä pitoisuusjakaumaa (kuten kuvassa 3); varsinaisessa prosessin valmistusprosessissa säätämällä ioni-implantaattorin implantaatioenergiaa ja implantaatioannosta voidaan ioni-istutusalueen seostuspitoisuutta ja seostussyvyyttä ohjata, kuten on esitetty kuviossa 4. (a) ja (b); ioni-implantteri suorittaa tasaisen ioni-istutuksen kiekon pinnalle skannaamalla kiekon pintaa useita kertoja käytön aikana, kuten kuvassa 4. (c).
(c) Ioni-istuttimen liikerata ioni-implantoinnin aikana
Kuva 4 Ioni-implantaatioprosessin aikana epäpuhtauspitoisuutta ja syvyyttä säädetään säätämällä ioni-istutusenergiaa ja -annosta
III
Aktivointihehkutusprosessi piikarbidi-ioni-istutuksiin
Konsentraatio, jakautumisalue, aktivaationopeus, viat kehossa ja ioni-istutuksen pinnalla ovat ioni-istutusprosessin pääparametreja. On monia tekijöitä, jotka vaikuttavat näiden parametrien tuloksiin, mukaan lukien implantaatioannos, energia, materiaalin kiteen suuntaus, implantointilämpötila, lämpökäsittelylämpötila, hehkutusaika, ympäristö jne. Toisin kuin pii-ioni-implantaatioseostus, sen täydellinen ionisointi on edelleen vaikeaa. piikarbidin epäpuhtaudet ioni-implantaation dopingin jälkeen. Otetaan esimerkkinä alumiinin akseptorin ionisaationopeus 4H-SiC:n neutraalilla alueella, kun seostuspitoisuus on 1 × 1017 cm-3, akseptorin ionisaationopeus on vain noin 15 % huoneenlämpötilassa (yleensä piin ionisaationopeus on noin 100 %). Korkean aktivaationopeuden ja virheiden vähentämisen tavoitteen saavuttamiseksi ioni-implantaation jälkeen käytetään korkean lämpötilan hehkutusprosessia implantaation aikana syntyneiden amorfisten vikojen uudelleenkiteyttämiseksi, jotta istutetut atomit tulevat substituutiokohtaan ja aktivoituvat kuvan mukaisesti Kuvassa 5. Tällä hetkellä ihmisten käsitys hehkutusprosessin mekanismista on vielä rajallinen. Hehkutusprosessin hallinta ja syvällinen ymmärtäminen on yksi ioni-implantaation tutkimuskohteista tulevaisuudessa.
Kuva 5 Kaaviokaavio atomijärjestelyn muutoksesta piikarbidi-ioni-istutusalueen pinnalla ennen ja jälkeen ioni-implantaatiohehkutuksen, jossa Vsiedustaa piin avoimia työpaikkoja, VCedustaa hiilivapaita työpaikkoja, Ciedustaa hiilen täyttöatomeja ja Siiedustaa piitä täyttäviä atomeja
Ioniaktivaatiohehkutus sisältää yleensä uunihehkutuksen, nopean hehkutuksen ja laserhehkutuksen. Si-atomien sublimoitumisen vuoksi piikarbidiaineissa hehkutuslämpötila ei yleensä ylitä 1800 ℃; hehkutusatmosfääri suoritetaan yleensä inertissä kaasussa tai tyhjiössä. Eri ionit aiheuttavat erilaisia vikakeskuksia SiC:ssä ja vaativat eri lämpötiloja. Useimmista koetuloksista voidaan päätellä, että mitä korkeampi hehkutuslämpötila on, sitä korkeampi aktivaationopeus (kuten kuvassa 6).
Kuva 6 Hehkutuslämpötilan vaikutus typen tai fosforin sähköiseen aktivaationopeuteen piikarbidissa (huoneenlämpötilassa)
(Implantaation kokonaisannos 1×1014cm-2)
(Lähde: Kimoto, Cooper, Silicon Carbide Technologyn perusteet: kasvu, karakterisointi, laitteet ja sovellukset)
Yleisesti käytetty aktivointihehkutus SiC-ioni-istutuksen jälkeen suoritetaan Ar-ilmakehässä 1600 ℃ ~ 1700 ℃ SiC-pinnan uudelleenkiteyttämiseksi ja seostusaineen aktivoimiseksi, mikä parantaa seostetun alueen johtavuutta; ennen lämpökäsittelyä kiekon pinnalle voidaan päällystää hiilikalvokerros pinnan suojaamiseksi, jotta vähennetään Si-desorptiosta ja pintaatomimigraatiosta johtuvaa pinnan hajoamista, kuten kuvassa 7 esitetään; hehkutuksen jälkeen hiilikalvo voidaan poistaa hapettamalla tai korroosiolla.
Kuva 7 4H-SiC-kiekkojen pinnan karheuden vertailu hiilikalvosuojauksella tai ilman 1800 ℃:n hehkutuslämpötilassa
(Lähde: Kimoto, Cooper, Silicon Carbide Technologyn perusteet: kasvu, karakterisointi, laitteet ja sovellukset)
IV
SiC-ionien implantoinnin ja aktivointihehkutusprosessin vaikutus
Ioni-istutus ja sitä seuraava aktivointihehkutus aiheuttavat väistämättä laitteen suorituskykyä heikentäviä vikoja: monimutkaisia pistevirheitä, pinoamisvirheitä (kuten kuvassa 8), uusia dislokaatioita, matalia tai syviä energiatason virheitä, perustason dislokaatiosilmukoita ja olemassa olevien dislokaatioiden liikettä. Koska korkeaenerginen ionipommitusprosessi aiheuttaa stressiä piikarbidikiekkoon, korkean lämpötilan ja korkean energian ioni-istutusprosessi lisää kiekon vääntymistä. Näistä ongelmista on tullut myös suunta, jota on kiireellisesti optimoitava ja tutkittava SiC-ionien implantoinnin ja hehkutuksen valmistusprosessissa.
Kuva 8 Kaaviokaavio normaalin 4H-SiC hilajärjestelyn ja eri pinoamisvirheiden vertailusta
(Lähde: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)
V.
Piikarbidi-ioni-istutusprosessin parantaminen
(1) Ioni-implantaatioalueen pinnalle jää ohut oksidikalvo, joka vähentää suurienergisten ionien implantaatiosta piikarbidin epitaksiaalikerroksen pintaan aiheuttamaa implantaatiovauriota, kuten kuvassa 9. (a) .
(2) Paranna kohdelevyn laatua ioni-istutuslaitteistossa niin, että kiekko ja kohdelevy sopivat paremmin, kohdelevyn lämmönjohtavuus kiekkoon on parempi ja laite lämmittää kiekon takaosan tasaisemmin, parantamalla korkean lämpötilan ja korkean energian ioni-istutuksen laatua piikarbidikiekkoihin, kuten kuvassa 9. (b).
(3) Optimoi lämpötilan nousunopeus ja lämpötilan tasaisuus korkean lämpötilan hehkutuslaitteiston käytön aikana.
Kuva 9 Menetelmät ioni-istutusprosessin parantamiseksi
Postitusaika: 22.10.2024