La implantación de iones es un método para agregar una cierta cantidad y tipo de impurezas a materiales semiconductores para cambiar sus propiedades eléctricas. La cantidad y distribución de impurezas se puede controlar con precisión.
Parte 1
¿Por qué utilizar el proceso de implantación de iones?
En la fabricación de dispositivos semiconductores de potencia, el dopaje de la región P/N de los tradicionalesobleas de siliciopuede lograrse por difusión. Sin embargo, la constante de difusión de los átomos de impureza encarburo de silicioes extremadamente bajo, por lo que no es realista lograr un dopaje selectivo mediante el proceso de difusión, como se muestra en la Figura 1. Por otro lado, las condiciones de temperatura de la implantación de iones son más bajas que las del proceso de difusión, y se puede lograr una distribución de dopaje más flexible y precisa. formarse.
Figura 1 Comparación de tecnologías de dopaje por difusión e implantación de iones en materiales de carburo de silicio
parte 2
como lograrcarburo de silicioimplantación de iones
El equipo típico de implantación de iones de alta energía utilizado en el proceso de fabricación del proceso de carburo de silicio consta principalmente de una fuente de iones, plasma, componentes de aspiración, imanes analíticos, haces de iones, tubos de aceleración, cámaras de proceso y discos de escaneo, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2 Diagrama esquemático del equipo de implantación de iones de alta energía de carburo de silicio
(Fuente: “Tecnología de fabricación de semiconductores”)
La implantación de iones de SiC generalmente se lleva a cabo a alta temperatura, lo que puede minimizar el daño a la red cristalina causado por el bombardeo de iones. ParaObleas de 4H-SiC, la producción de áreas de tipo N generalmente se logra implantando iones de nitrógeno y fósforo, y la producción detipo Páreas generalmente se logra implantando iones de aluminio e iones de boro.
Tabla 1. Ejemplo de dopaje selectivo en la fabricación de dispositivos de SiC
(Fuente: Kimoto, Cooper, Fundamentos de la tecnología de carburo de silicio: crecimiento, caracterización, dispositivos y aplicaciones)
Figura 3 Comparación de la implantación de iones de energía en varios pasos y la distribución de la concentración de dopaje en la superficie de la oblea
(Fuente: G.Lulli, Introducción a la implantación de iones)
Para lograr una concentración de dopaje uniforme en el área de implantación de iones, los ingenieros suelen utilizar la implantación de iones en varios pasos para ajustar la distribución de concentración general del área de implantación (como se muestra en la Figura 3); en el proceso de fabricación del proceso real, ajustando la energía de implantación y la dosis de implantación del implantador de iones, se puede controlar la concentración de dopaje y la profundidad de dopaje del área de implantación de iones, como se muestra en la Figura 4. (a) y (b); el implantador de iones realiza una implantación uniforme de iones en la superficie de la oblea escaneando la superficie de la oblea varias veces durante la operación, como se muestra en la Figura 4. (c).
(c) Trayectoria de movimiento del implantador de iones durante la implantación de iones
Figura 4 Durante el proceso de implantación de iones, la concentración de impurezas y la profundidad se controlan ajustando la energía y la dosis de implantación de iones.
III
Proceso de recocido por activación para la implantación de iones de carburo de silicio.
La concentración, el área de distribución, la tasa de activación, los defectos en el cuerpo y en la superficie de implantación de iones son los principales parámetros del proceso de implantación de iones. Hay muchos factores que afectan los resultados de estos parámetros, incluida la dosis de implantación, la energía, la orientación del cristal del material, la temperatura de implantación, la temperatura de recocido, el tiempo de recocido, el entorno, etc. A diferencia del dopaje de implantación de iones de silicio, todavía es difícil ionizar completamente Las impurezas del carburo de silicio después del dopaje por implantación de iones. Tomando como ejemplo la tasa de ionización del aceptor de aluminio en la región neutra del 4H-SiC, a una concentración de dopaje de 1 × 1017 cm-3, la tasa de ionización del aceptor es solo aproximadamente el 15% a temperatura ambiente (generalmente la tasa de ionización del silicio es aproximadamente 100%). Para lograr el objetivo de una alta tasa de activación y menos defectos, se utilizará un proceso de recocido a alta temperatura después de la implantación de iones para recristalizar los defectos amorfos generados durante la implantación, de modo que los átomos implantados entren en el sitio de sustitución y se activen, como se muestra. en la Figura 5. En la actualidad, la comprensión de la gente sobre el mecanismo del proceso de recocido aún es limitada. El control y la comprensión profunda del proceso de recocido es uno de los focos de investigación de la implantación de iones en el futuro.
Figura 5 Diagrama esquemático del cambio de disposición atómica en la superficie del área de implantación de iones de carburo de silicio antes y después del recocido de implantación de iones, donde Vsirepresenta vacantes de silicio, VCrepresenta vacantes de carbono, Cirepresenta átomos de relleno de carbono, y Siirepresenta átomos de relleno de silicio
El recocido por activación iónica generalmente incluye recocido en horno, recocido rápido y recocido por láser. Debido a la sublimación de los átomos de Si en los materiales de SiC, la temperatura de recocido generalmente no supera los 1800 ℃; la atmósfera de recocido se realiza generalmente en gas inerte o al vacío. Diferentes iones causan diferentes centros de defectos en SiC y requieren diferentes temperaturas de recocido. De la mayoría de los resultados experimentales, se puede concluir que cuanto mayor es la temperatura de recocido, mayor es la tasa de activación (como se muestra en la Figura 6).
Figura 6 Efecto de la temperatura de recocido sobre la tasa de activación eléctrica de la implantación de nitrógeno o fósforo en SiC (a temperatura ambiente)
(Dosis total de implantación 1×1014cm-2)
(Fuente: Kimoto, Cooper, Fundamentos de la tecnología de carburo de silicio: crecimiento, caracterización, dispositivos y aplicaciones)
El proceso de recocido de activación comúnmente utilizado después de la implantación de iones de SiC se lleva a cabo en una atmósfera de Ar a 1600 ℃ ~ 1700 ℃ para recristalizar la superficie de SiC y activar el dopante, mejorando así la conductividad del área dopada; antes del recocido, se puede recubrir una capa de película de carbono sobre la superficie de la oblea para proteger la superficie y reducir la degradación de la superficie causada por la desorción de Si y la migración atómica de la superficie, como se muestra en la Figura 7; Después del recocido, la película de carbono puede eliminarse mediante oxidación o corrosión.
Figura 7 Comparación de la rugosidad de la superficie de obleas de 4H-SiC con o sin protección de película de carbono bajo una temperatura de recocido de 1800 ℃
(Fuente: Kimoto, Cooper, Fundamentos de la tecnología de carburo de silicio: crecimiento, caracterización, dispositivos y aplicaciones)
IV
El impacto de la implantación de iones de SiC y el proceso de recocido de activación.
La implantación de iones y el recocido de activación posterior inevitablemente producirán defectos que reducirán el rendimiento del dispositivo: defectos puntuales complejos, fallas de apilamiento (como se muestra en la Figura 8), nuevas dislocaciones, defectos de nivel de energía superficiales o profundos, bucles de dislocación del plano basal y movimiento de dislocaciones existentes. Dado que el proceso de bombardeo de iones de alta energía provocará tensión en la oblea de SiC, el proceso de implantación de iones de alta temperatura y alta energía aumentará la deformación de la oblea. Estos problemas también se han convertido en la dirección que debe optimizarse y estudiarse con urgencia en el proceso de fabricación de implantación y recocido de iones de SiC.
Figura 8 Diagrama esquemático de la comparación entre la disposición reticular normal de 4H-SiC y diferentes fallas de apilamiento
(Fuente: Defectos de Nicolὸ Piluso 4H-SiC)
V.
Mejora del proceso de implantación de iones de carburo de silicio.
(1) Se retiene una fina película de óxido en la superficie del área de implantación de iones para reducir el grado de daño de implantación causado por la implantación de iones de alta energía en la superficie de la capa epitaxial de carburo de silicio, como se muestra en la Figura 9. (a) .
(2) Mejorar la calidad del disco objetivo en el equipo de implantación de iones, de modo que la oblea y el disco objetivo encajen más estrechamente, la conductividad térmica del disco objetivo con respecto a la oblea sea mejor y el equipo caliente la parte posterior de la oblea. de manera más uniforme, mejorando la calidad de la implantación de iones de alta temperatura y alta energía en obleas de carburo de silicio, como se muestra en la Figura 9. (b).
(3) Optimizar la tasa de aumento de temperatura y la uniformidad de la temperatura durante el funcionamiento del equipo de recocido de alta temperatura.
Figura 9 Métodos para mejorar el proceso de implantación de iones.
Hora de publicación: 22 de octubre de 2024