İyon implantasyonu, yarı iletken malzemelerin elektriksel özelliklerini değiştirmek için belirli miktarda ve türde yabancı maddeleri ekleme yöntemidir. Safsızlıkların miktarı ve dağılımı hassas bir şekilde kontrol edilebilir.
Bölüm 1
İyon implantasyon işlemini neden kullanmalı?
Güç yarı iletken cihazlarının imalatında, geleneksel P/N bölgesi katkısısilikon gofretdifüzyonla elde edilebilir. Ancak safsızlık atomlarının difüzyon sabitisilisyum karbürson derece düşüktür, dolayısıyla Şekil 1'de gösterildiği gibi difüzyon işlemiyle seçici katkılama elde etmek gerçekçi değildir. Öte yandan, iyon implantasyonunun sıcaklık koşulları, difüzyon işlemine göre daha düşüktür ve daha esnek ve doğru bir katkılama dağıtımı yapılabilir. oluşturulacak.
Şekil 1 Silisyum karbür malzemelerde difüzyon ve iyon implantasyon katkılama teknolojilerinin karşılaştırılması
Bölüm 2
Nasıl başarılırsilisyum karbüriyon implantasyonu
Silisyum karbür prosesi üretim prosesinde kullanılan tipik yüksek enerjili iyon implantasyon ekipmanı, Şekil 2'de gösterildiği gibi temel olarak bir iyon kaynağı, plazma, aspirasyon bileşenleri, analitik mıknatıslar, iyon ışınları, hızlandırma tüpleri, proses odaları ve tarama disklerinden oluşur.
Şekil 2 Silisyum karbür yüksek enerjili iyon implantasyon ekipmanının şematik diyagramı
(Kaynak: “Yarı İletken Üretim Teknolojisi”)
SiC iyon implantasyonu genellikle yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilir, bu da iyon bombardımanının kristal kafesine verdiği zararı en aza indirebilir. İçin4H-SiC gofretlerN tipi alanların üretimi genellikle nitrojen ve fosfor iyonlarının implantasyonuyla elde edilir veP-tipialanlar genellikle alüminyum iyonları ve bor iyonlarının implantasyonuyla elde edilir.
Tablo 1. SiC cihaz imalatında seçici katkılama örneği
(Kaynak: Kimoto, Cooper, Silisyum Karbür Teknolojisinin Temelleri: Büyüme, Karakterizasyon, Cihazlar ve Uygulamalar)
Şekil 3 Çok aşamalı enerji iyonu implantasyonu ve levha yüzeyi katkı konsantrasyonu dağılımının karşılaştırılması
(Kaynak: G.Lulli, İyon İmplantasyonuna Giriş)
İyon implantasyon alanında tekdüze doping konsantrasyonu elde etmek amacıyla mühendisler genellikle implantasyon alanının genel konsantrasyon dağılımını ayarlamak için çok adımlı iyon implantasyonunu kullanır (Şekil 3'te gösterildiği gibi); fiili proses üretim sürecinde, iyon implanterinin implantasyon enerjisi ve implantasyon dozunun ayarlanmasıyla, iyon implantasyon alanının katkı konsantrasyonu ve katkı derinliği, Şekil 4. (a) ve (b)'de gösterildiği gibi kontrol edilebilir; İyon implantörü, Şekil 4'te gösterildiği gibi, çalışma sırasında levha yüzeyini birden çok kez tarayarak levha yüzeyine düzgün iyon implantasyonu gerçekleştirir. (c).
(c) İyon implantasyonu sırasında iyon implanterinin hareket yörüngesi
Şekil 4 İyon implantasyon işlemi sırasında, safsızlık konsantrasyonu ve derinliği, iyon implantasyon enerjisi ve dozu ayarlanarak kontrol edilir
III
Silisyum karbür iyon implantasyonu için aktivasyon tavlama işlemi
Konsantrasyon, dağılım alanı, aktivasyon hızı, iyon implantasyonunun vücuttaki ve yüzeyindeki kusurlar, iyon implantasyon sürecinin ana parametreleridir. İmplantasyon dozu, enerji, malzemenin kristal oryantasyonu, implantasyon sıcaklığı, tavlama sıcaklığı, tavlama süresi, ortam vb. dahil olmak üzere bu parametrelerin sonuçlarını etkileyen birçok faktör vardır. Silikon iyon implantasyon katkılamasından farklı olarak, tamamen iyonize etmek hala zordur. iyon implantasyonu katkılamasından sonra silisyum karbürün safsızlıkları. Örnek olarak 4H-SiC'nin nötr bölgesindeki alüminyum akseptör iyonizasyon oranını alırsak, 1x1017cm-3 katkılama konsantrasyonunda, oda sıcaklığında akseptör iyonizasyon oranı yalnızca %15 civarındadır (genellikle silikonun iyonizasyon oranı yaklaşık olarak %100). Yüksek aktivasyon oranı ve daha az kusur hedefine ulaşmak için, implantasyon sırasında oluşturulan amorf kusurları yeniden kristalleştirmek için iyon implantasyonundan sonra yüksek sıcaklıkta bir tavlama işlemi kullanılacaktır, böylece implante edilen atomlar, gösterildiği gibi ikame bölgesine girecek ve aktive edilecektir. Şekil 5'te. Şu anda insanların tavlama sürecinin mekanizması hakkındaki anlayışı hala sınırlıdır. Tavlama sürecinin kontrolü ve derinlemesine anlaşılması, gelecekte iyon implantasyonunun araştırma odaklarından biridir.
Şekil 5 İyon implantasyon tavlamasından önce ve sonra silisyum karbür iyon implantasyon alanının yüzeyindeki atomik düzenleme değişikliğinin şematik diyagramı; burada Vsisilikon boşluklarını temsil eder, VCkarbon boşluklarını temsil eder, Cikarbon dolgu atomlarını temsil eder ve Siisilikon dolgu atomlarını temsil eder
İyon aktivasyon tavlaması genellikle fırın tavlamasını, hızlı tavlamayı ve lazer tavlamayı içerir. SiC malzemelerdeki Si atomlarının süblimleşmesi nedeniyle tavlama sıcaklığı genellikle 1800 ° C'yi aşmaz; tavlama atmosferi genellikle inert bir gaz veya vakumda gerçekleştirilir. Farklı iyonlar SiC'de farklı kusur merkezlerine neden olur ve farklı tavlama sıcaklıkları gerektirir. Çoğu deneysel sonuçtan tavlama sıcaklığı ne kadar yüksek olursa aktivasyon oranının da o kadar yüksek olduğu sonucuna varılabilir (Şekil 6'da gösterildiği gibi).
Şekil 6 Tavlama sıcaklığının SiC'de (oda sıcaklığında) nitrojen veya fosfor implantasyonunun elektriksel aktivasyon hızı üzerindeki etkisi
(Toplam implantasyon dozu 1×1014cm-2)
(Kaynak: Kimoto, Cooper, Silisyum Karbür Teknolojisinin Temelleri: Büyüme, Karakterizasyon, Cihazlar ve Uygulamalar)
SiC iyon implantasyonundan sonra yaygın olarak kullanılan aktivasyon tavlama işlemi, SiC yüzeyini yeniden kristalleştirmek ve katkıyı aktive etmek, böylece katkılı alanın iletkenliğini arttırmak için 1600 ° C ~ 1700 ° C'de bir Ar atmosferinde gerçekleştirilir; tavlamadan önce, Şekil 7'de gösterildiği gibi Si desorpsiyonu ve yüzey atomik göçünün neden olduğu yüzey bozulmasını azaltmak için yüzey koruması amacıyla levha yüzeyine bir karbon film tabakası kaplanabilir; Tavlamadan sonra karbon filmi oksidasyon veya korozyon yoluyla çıkarılabilir.
Şekil 7 1800°C tavlama sıcaklığı altında karbon film korumalı veya karbon film korumalı olmayan 4H-SiC plakaların yüzey pürüzlülüğünün karşılaştırılması
(Kaynak: Kimoto, Cooper, Silisyum Karbür Teknolojisinin Temelleri: Büyüme, Karakterizasyon, Cihazlar ve Uygulamalar)
IV
SiC iyonu implantasyonunun ve aktivasyon tavlama işleminin etkisi
İyon implantasyonu ve ardından gelen aktivasyon tavlaması kaçınılmaz olarak cihaz performansını düşüren kusurlar üretecektir: karmaşık nokta kusurları, istifleme hataları (Şekil 8'de gösterildiği gibi), yeni dislokasyonlar, sığ veya derin enerji seviyesi kusurları, bazal düzlem dislokasyon döngüleri ve mevcut dislokasyonların hareketi. Yüksek enerjili iyon bombardımanı işlemi SiC levhada strese neden olacağından, yüksek sıcaklık ve yüksek enerjili iyon implantasyon işlemi levhanın çarpıklığını artıracaktır. Bu sorunlar aynı zamanda SiC iyon implantasyonu ve tavlama üretim sürecinde acilen optimize edilmesi ve üzerinde çalışılması gereken yön haline gelmiştir.
Şekil 8 Normal 4H-SiC kafes düzeni ile farklı istifleme hataları arasındaki karşılaştırmanın şematik diyagramı
(Kaynak: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Kusurları)
V.
Silisyum karbür iyon implantasyon sürecinin iyileştirilmesi
(1) Şekil 9'da gösterildiği gibi, silikon karbür epitaksiyel katmanın yüzeyine yüksek enerjili iyon implantasyonunun neden olduğu implantasyon hasarının derecesini azaltmak için iyon implantasyon alanının yüzeyinde ince bir oksit film tutulur. .
(2) İyon implantasyon ekipmanındaki hedef diskin kalitesini iyileştirin, böylece levha ve hedef disk daha yakın uyum sağlar, hedef diskin levhaya olan termal iletkenliği daha iyi olur ve ekipman levhanın arkasını ısıtır Şekil 9'da gösterildiği gibi, silikon karbür plakalar üzerine yüksek sıcaklık ve yüksek enerjili iyon implantasyonunun kalitesinin daha düzgün bir şekilde iyileştirilmesi. (b).
(3) Yüksek sıcaklıkta tavlama ekipmanının çalışması sırasında sıcaklık artış hızını ve sıcaklık homojenliğini optimize edin.
Şekil 9 İyon implantasyon sürecini iyileştirme yöntemleri
Gönderim zamanı: 22 Ekim 2024