L'impianto ionico è un metodo per aggiungere una certa quantità e tipo di impurità nei materiali semiconduttori per modificarne le proprietà elettriche. La quantità e la distribuzione delle impurità possono essere controllate con precisione.
Parte 1
Perché utilizzare il processo di impiantazione ionica
Nella produzione di dispositivi a semiconduttore di potenza, la regione P/N è drogata rispetto a quella tradizionalewafer di siliciopuò essere ottenuto mediante diffusione. Tuttavia, la costante di diffusione degli atomi di impurità incarburo di silicioè estremamente basso, quindi non è realistico ottenere un drogaggio selettivo mediante un processo di diffusione, come mostrato nella Figura 1. D'altra parte, le condizioni di temperatura dell'impianto ionico sono inferiori a quelle del processo di diffusione e una distribuzione del drogaggio più flessibile e accurata può essere formato.
Figura 1 Confronto tra le tecnologie di drogaggio per diffusione e impiantazione ionica nei materiali in carburo di silicio
Parte 2
Come raggiungerecarburo di silicioimpianto ionico
La tipica apparecchiatura per l'impianto di ioni ad alta energia utilizzata nel processo di produzione del processo di carburo di silicio è costituita principalmente da una sorgente ionica, plasma, componenti di aspirazione, magneti analitici, fasci ionici, tubi di accelerazione, camere di processo e dischi di scansione, come mostrato nella Figura 2.
Figura 2 Diagramma schematico dell'apparecchiatura per l'impianto di ioni ad alta energia in carburo di silicio
(Fonte: “Tecnologia di produzione dei semiconduttori”)
L'impianto ionico SiC viene solitamente effettuato ad alta temperatura, il che può ridurre al minimo il danno al reticolo cristallino causato dal bombardamento ionico. PerWafer 4H-SiC, la produzione di aree di tipo N è solitamente ottenuta impiantando ioni di azoto e fosforo e la produzione diTipo Paree viene solitamente ottenuta impiantando ioni di alluminio e ioni di boro.
Tabella 1. Esempio di drogaggio selettivo nella produzione di dispositivi SiC
(Fonte: Kimoto, Cooper, Fondamenti della tecnologia del carburo di silicio: crescita, caratterizzazione, dispositivi e applicazioni)
Figura 3 Confronto tra l'impianto ionico di energia multi-step e la distribuzione della concentrazione di drogaggio sulla superficie del wafer
(Fonte: G.Lulli, Introduzione all'impianto ionico)
Per ottenere una concentrazione di drogaggio uniforme nell'area di impianto ionico, gli ingegneri solitamente utilizzano l'impianto ionico multi-fase per regolare la distribuzione complessiva della concentrazione dell'area di impianto (come mostrato nella Figura 3); nell'effettivo processo di produzione, regolando l'energia di impianto e la dose di impianto dell'impiantatore ionico, è possibile controllare la concentrazione di drogaggio e la profondità di drogaggio dell'area di impianto ionico, come mostrato nella Figura 4. (a) e (b); l'impiantatore ionico esegue l'impianto ionico uniforme sulla superficie del wafer scansionando la superficie del wafer più volte durante il funzionamento, come mostrato nella Figura 4. (c).
(c) Traiettoria di movimento dell'impiantatore ionico durante l'impianto ionico
Figura 4 Durante il processo di impiantazione ionica, la concentrazione e la profondità delle impurità vengono controllate regolando l'energia e la dose di impiantazione ionica
III
Processo di ricottura di attivazione per l'impianto ionico di carburo di silicio
La concentrazione, l'area di distribuzione, il tasso di attivazione, i difetti nel corpo e sulla superficie dell'impianto ionico sono i parametri principali del processo di impianto ionico. Ci sono molti fattori che influenzano i risultati di questi parametri, tra cui la dose di impianto, l'energia, l'orientamento dei cristalli del materiale, la temperatura di impianto, la temperatura di ricottura, il tempo di ricottura, l'ambiente, ecc. A differenza del drogaggio con impianto di ioni di silicio, è ancora difficile ionizzare completamente le impurità del carburo di silicio dopo il drogaggio con impianto ionico. Prendendo come esempio il tasso di ionizzazione dell'accettore di alluminio nella regione neutra di 4H-SiC, ad una concentrazione di drogaggio di 1×1017 cm-3, il tasso di ionizzazione dell'accettore è solo del 15% circa a temperatura ambiente (solitamente il tasso di ionizzazione del silicio è di circa 100%). Per raggiungere l'obiettivo di un alto tasso di attivazione e un minor numero di difetti, dopo l'impianto ionico verrà utilizzato un processo di ricottura ad alta temperatura per ricristallizzare i difetti amorfi generati durante l'impianto, in modo che gli atomi impiantati entrino nel sito di sostituzione e vengano attivati, come mostrato nella Figura 5. Al momento, la comprensione da parte delle persone del meccanismo del processo di ricottura è ancora limitata. Il controllo e la comprensione approfondita del processo di ricottura rappresentano uno dei focus della ricerca futura sull'impianto ionico.
Figura 5 Diagramma schematico del cambiamento della disposizione atomica sulla superficie dell'area di impiantazione ionica del carburo di silicio prima e dopo la ricottura di impiantazione ionica, dove Vsirappresenta i posti vacanti di silicio, VCrappresenta i posti vacanti di carbonio, Cirappresenta gli atomi di riempimento del carbonio e Siirappresenta gli atomi di riempimento del silicio
La ricottura con attivazione ionica generalmente comprende la ricottura in forno, la ricottura rapida e la ricottura al laser. A causa della sublimazione degli atomi di Si nei materiali SiC, la temperatura di ricottura generalmente non supera i 1800 ℃; l'atmosfera di ricottura viene generalmente effettuata in gas inerte o sotto vuoto. Ioni diversi causano centri di difetto diversi nel SiC e richiedono temperature di ricottura diverse. Dalla maggior parte dei risultati sperimentali si può concludere che maggiore è la temperatura di ricottura, maggiore è il tasso di attivazione (come mostrato nella Figura 6).
Figura 6 Effetto della temperatura di ricottura sul tasso di attivazione elettrica dell'impianto di azoto o fosforo nel SiC (a temperatura ambiente)
(Dose totale di impianto 1×1014 cm-2)
(Fonte: Kimoto, Cooper, Fondamenti della tecnologia del carburo di silicio: crescita, caratterizzazione, dispositivi e applicazioni)
Il processo di ricottura di attivazione comunemente usato dopo l'impianto di ioni SiC viene effettuato in un'atmosfera di Ar a 1600℃~1700℃ per ricristallizzare la superficie del SiC e attivare il drogante, migliorando così la conduttività dell'area drogata; prima della ricottura, uno strato di pellicola di carbonio può essere rivestito sulla superficie del wafer per proteggere la superficie e ridurre la degradazione superficiale causata dal desorbimento del Si e dalla migrazione atomica superficiale, come mostrato nella Figura 7; dopo la ricottura, la pellicola di carbonio può essere rimossa mediante ossidazione o corrosione.
Figura 7 Confronto della rugosità superficiale dei wafer 4H-SiC con o senza protezione tramite pellicola di carbonio a una temperatura di ricottura di 1800 ℃
(Fonte: Kimoto, Cooper, Fondamenti della tecnologia del carburo di silicio: crescita, caratterizzazione, dispositivi e applicazioni)
IV
L'impatto dell'impianto ionico SiC e del processo di ricottura di attivazione
L'impianto ionico e la successiva ricottura di attivazione produrranno inevitabilmente difetti che riducono le prestazioni del dispositivo: difetti puntuali complessi, difetti di impilamento (come mostrato nella Figura 8), nuove dislocazioni, difetti a livello energetico superficiale o profondo, anelli di dislocazione del piano basale e movimento delle dislocazioni esistenti. Poiché il processo di bombardamento ionico ad alta energia causerà stress al wafer SiC, il processo di impiantazione ionica ad alta temperatura e alta energia aumenterà la deformazione del wafer. Questi problemi sono diventati anche la direzione che necessita urgentemente di essere ottimizzata e studiata nel processo di produzione dell'impianto ionico e della ricottura di SiC.
Figura 8 Diagramma schematico del confronto tra la normale disposizione reticolare 4H-SiC e diversi difetti di impilamento
(Fonte: Difetti Nicolὸ Piluso 4H-SiC)
V.
Miglioramento del processo di impiantazione ionica del carburo di silicio
(1) Una sottile pellicola di ossido viene trattenuta sulla superficie dell'area di impianto ionico per ridurre il grado di danno da impianto causato dall'impianto ionico ad alta energia sulla superficie dello strato epitassiale di carburo di silicio, come mostrato nella Figura 9. (a) .
(2) Migliorare la qualità del disco target nell'apparecchiatura per l'impianto ionico, in modo che il wafer e il disco target si adattino più da vicino, la conduttività termica del disco target rispetto al wafer sia migliore e l'apparecchiatura riscaldi la parte posteriore del wafer in modo più uniforme, migliorando la qualità dell'impianto di ioni ad alta temperatura e alta energia su wafer di carburo di silicio, come mostrato nella Figura 9. (b).
(3) Ottimizzare la velocità di aumento della temperatura e l'uniformità della temperatura durante il funzionamento dell'apparecchiatura di ricottura ad alta temperatura.
Figura 9 Metodi per migliorare il processo di impiantazione ionica
Orario di pubblicazione: 22 ottobre 2024