Bei der Ionenimplantation handelt es sich um eine Methode, bei der Halbleitermaterialien eine bestimmte Menge und Art von Verunreinigungen hinzugefügt werden, um deren elektrische Eigenschaften zu verändern. Menge und Verteilung der Verunreinigungen lassen sich präzise steuern.
Teil 1
Warum das Ionenimplantationsverfahren verwenden?
Bei der Herstellung von Leistungshalbleiterbauelementen ist die Dotierung im P/N-Bereich traditionellSiliziumwaferkann durch Diffusion erreicht werden. Allerdings ist die Diffusionskonstante von Verunreinigungsatomen inSiliziumkarbidist extrem niedrig, so dass es unrealistisch ist, eine selektive Dotierung durch einen Diffusionsprozess zu erreichen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Andererseits sind die Temperaturbedingungen der Ionenimplantation niedriger als die des Diffusionsprozesses, und eine flexiblere und genauere Dotierungsverteilung kann erreicht werden gebildet werden.
Abbildung 1 Vergleich von Diffusions- und Ionenimplantationsdotierungstechnologien in Siliziumkarbidmaterialien
Teil 2
So erreichen Sie esSiliziumkarbidIonenimplantation
Die typische Hochenergie-Ionenimplantationsausrüstung, die im Siliziumkarbid-Herstellungsprozess verwendet wird, besteht hauptsächlich aus einer Ionenquelle, Plasma, Aspirationskomponenten, Analysemagneten, Ionenstrahlen, Beschleunigungsröhren, Prozesskammern und Scanscheiben, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2 Schematische Darstellung einer Siliziumkarbid-Hochenergie-Ionenimplantationsausrüstung
(Quelle: „Semiconductor Manufacturing Technology“)
Die SiC-Ionenimplantation wird üblicherweise bei hoher Temperatur durchgeführt, wodurch die durch den Ionenbeschuss verursachte Schädigung des Kristallgitters minimiert werden kann. Für4H-SiC-Wafer, wird die Herstellung von N-Typ-Bereichen üblicherweise durch die Implantation von Stickstoff- und Phosphorionen und die Herstellung von erreichtP-TypBereiche werden üblicherweise durch die Implantation von Aluminiumionen und Borionen erreicht.
Tabelle 1. Beispiel für selektive Dotierung bei der Herstellung von SiC-Geräten
(Quelle: Kimoto, Cooper, Grundlagen der Siliziumkarbid-Technologie: Wachstum, Charakterisierung, Geräte und Anwendungen)
Abbildung 3 Vergleich der mehrstufigen Energieionenimplantation und der Dotierungskonzentrationsverteilung auf der Waferoberfläche
(Quelle: G.Lulli, Einführung in die Ionenimplantation)
Um eine gleichmäßige Dotierungskonzentration im Ionenimplantationsbereich zu erreichen, verwenden Ingenieure normalerweise eine mehrstufige Ionenimplantation, um die Gesamtkonzentrationsverteilung des Implantationsbereichs anzupassen (wie in Abbildung 3 dargestellt). Im eigentlichen Herstellungsprozess können durch Anpassen der Implantationsenergie und der Implantationsdosis des Ionenimplantators die Dotierungskonzentration und die Dotierungstiefe des Ionenimplantationsbereichs gesteuert werden, wie in Abbildung 4 dargestellt. (a) und (b); Der Ionenimplantierer führt eine gleichmäßige Ionenimplantation auf der Waferoberfläche durch, indem er die Waferoberfläche während des Betriebs mehrmals abtastet, wie in Abbildung 4 dargestellt. (c).
(c) Bewegungsbahn des Ionenimplantators während der Ionenimplantation
Abbildung 4 Während des Ionenimplantationsprozesses werden die Verunreinigungskonzentration und -tiefe durch Anpassen der Ionenimplantationsenergie und -dosis gesteuert
III
Aktivierungsglühverfahren für die Implantation von Siliciumcarbid-Ionen
Konzentration, Verteilungsfläche, Aktivierungsrate, Defekte im Körper und auf der Oberfläche der Ionenimplantation sind die Hauptparameter des Ionenimplantationsprozesses. Es gibt viele Faktoren, die die Ergebnisse dieser Parameter beeinflussen, einschließlich Implantationsdosis, Energie, Kristallorientierung des Materials, Implantationstemperatur, Glühtemperatur, Glühzeit, Umgebung usw. Im Gegensatz zur Siliziumionenimplantationsdotierung ist es immer noch schwierig, vollständig zu ionisieren die Verunreinigungen von Siliziumkarbid nach der Ionenimplantationsdotierung. Nimmt man als Beispiel die Aluminium-Akzeptor-Ionisationsrate im neutralen Bereich von 4H-SiC, beträgt die Akzeptor-Ionisationsrate bei einer Dotierungskonzentration von 1×1017 cm-3 bei Raumtemperatur nur etwa 15 % (normalerweise beträgt die Ionisationsrate von Silizium ca 100 %). Um das Ziel einer hohen Aktivierungsrate und weniger Defekten zu erreichen, wird nach der Ionenimplantation ein Hochtemperatur-Temperprozess eingesetzt, um die bei der Implantation erzeugten amorphen Defekte zu rekristallisieren, sodass die implantierten Atome wie gezeigt in die Substitutionsstelle eindringen und aktiviert werden in Abbildung 5. Derzeit ist das Verständnis der Menschen über den Mechanismus des Glühprozesses noch begrenzt. Die Kontrolle und das tiefgreifende Verständnis des Ausheilprozesses ist einer der Forschungsschwerpunkte der Ionenimplantation in der Zukunft.
Abbildung 5 Schematische Darstellung der atomaren Anordnungsänderung auf der Oberfläche des Siliziumkarbid-Ionenimplantationsbereichs vor und nach dem Ionenimplantationsglühen, wobei Vsistellt Silizium-Leerstellen dar, VCstellt Kohlenstoffleerstellen dar, Cistellt Kohlenstofffüllatome und Si daristellt Silizium-Füllatome dar
Das Ionenaktivierungsglühen umfasst im Allgemeinen Ofenglühen, Schnellglühen und Laserglühen. Aufgrund der Sublimation von Si-Atomen in SiC-Materialien überschreitet die Glühtemperatur im Allgemeinen 1800 °C nicht; Die Glühatmosphäre erfolgt im Allgemeinen unter Inertgas oder Vakuum. Unterschiedliche Ionen verursachen unterschiedliche Defektzentren in SiC und erfordern unterschiedliche Glühtemperaturen. Aus den meisten experimentellen Ergebnissen lässt sich schließen, dass die Aktivierungsrate umso höher ist, je höher die Glühtemperatur ist (wie in Abbildung 6 dargestellt).
Abbildung 6 Einfluss der Glühtemperatur auf die elektrische Aktivierungsrate der Stickstoff- oder Phosphorimplantation in SiC (bei Raumtemperatur)
(Gesamtimplantationsdosis 1×1014cm-2)
(Quelle: Kimoto, Cooper, Grundlagen der Siliziumkarbid-Technologie: Wachstum, Charakterisierung, Geräte und Anwendungen)
Der üblicherweise verwendete Aktivierungsglühprozess nach der SiC-Ionenimplantation wird in einer Ar-Atmosphäre bei 1600℃~1700℃ durchgeführt, um die SiC-Oberfläche zu rekristallisieren und den Dotierstoff zu aktivieren, wodurch die Leitfähigkeit des dotierten Bereichs verbessert wird; Vor dem Glühen kann zum Schutz der Oberfläche eine Schicht aus Kohlenstofffilm auf die Waferoberfläche aufgetragen werden, um die durch Si-Desorption und Oberflächenatommigration verursachte Verschlechterung der Oberfläche zu verringern, wie in Abbildung 7 dargestellt. Nach dem Glühen kann der Kohlenstofffilm durch Oxidation oder Korrosion entfernt werden.
Abbildung 7 Vergleich der Oberflächenrauheit von 4H-SiC-Wafern mit oder ohne Kohlenstofffilmschutz bei einer Glühtemperatur von 1800 °C
(Quelle: Kimoto, Cooper, Grundlagen der Siliziumkarbid-Technologie: Wachstum, Charakterisierung, Geräte und Anwendungen)
IV
Die Auswirkungen der SiC-Ionenimplantation und des Aktivierungsglühprozesses
Die Ionenimplantation und das anschließende Aktivierungsglühen führen unweigerlich zu Defekten, die die Geräteleistung beeinträchtigen: komplexe Punktdefekte, Stapelfehler (wie in Abbildung 8 dargestellt), neue Versetzungen, Defekte auf flachem oder tiefem Energieniveau, Versetzungsschleifen in der Basisebene und Bewegung bestehender Versetzungen. Da der Hochenergie-Ionenbeschuss den SiC-Wafer belastet, erhöht der Hochtemperatur- und Hochenergie-Ionenimplantationsprozess die Waferverformung. Diese Probleme sind auch zu der Richtung geworden, die im Herstellungsprozess der SiC-Ionenimplantation und -Ausheilung dringend optimiert und untersucht werden muss.
Abbildung 8 Schematische Darstellung des Vergleichs zwischen normaler 4H-SiC-Gitteranordnung und verschiedenen Stapelfehlern
(Quelle: Nicolὸ Piluso 4H-SiC-Defekte)
V.
Verbesserung des Siliziumkarbid-Ionenimplantationsprozesses
(1) Auf der Oberfläche des Ionenimplantationsbereichs verbleibt ein dünner Oxidfilm, um den Grad der Implantationsschädigung zu verringern, die durch die Implantation hochenergetischer Ionen auf der Oberfläche der Siliziumkarbid-Epitaxieschicht verursacht wird, wie in Abbildung 9 dargestellt. (a) .
(2) Verbessern Sie die Qualität der Zielscheibe in der Ionenimplantationsausrüstung, sodass der Wafer und die Zielscheibe besser zusammenpassen, die Wärmeleitfähigkeit der Zielscheibe zum Wafer besser ist und die Ausrüstung die Rückseite des Wafers erwärmt gleichmäßiger und verbessert die Qualität der Hochtemperatur- und Hochenergie-Ionenimplantation auf Siliziumkarbid-Wafern, wie in Abbildung 9 dargestellt. (b).
(3) Optimieren Sie die Temperaturanstiegsrate und die Temperaturgleichmäßigkeit während des Betriebs der Hochtemperatur-Glühausrüstung.
Abbildung 9 Methoden zur Verbesserung des Ionenimplantationsprozesses
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 22. Okt. 2024