A implantação iônica é um método de adicionar uma certa quantidade e tipo de impurezas em materiais semicondutores para alterar suas propriedades elétricas. A quantidade e distribuição de impurezas podem ser controladas com precisão.
Parte 1
Por que usar o processo de implantação iônica
Na fabricação de dispositivos semicondutores de potência, a dopagem da região P/N dos tradicionaisbolachas de silíciopode ser alcançado por difusão. No entanto, a constante de difusão dos átomos de impureza emcarboneto de silícioé extremamente baixo, por isso não é realista conseguir dopagem seletiva por processo de difusão, como mostrado na Figura 1. Por outro lado, as condições de temperatura de implantação iônica são mais baixas do que aquelas do processo de difusão, e uma distribuição de dopagem mais flexível e precisa pode ser formado.
Figura 1 Comparação de tecnologias de dopagem por difusão e implantação iônica em materiais de carboneto de silício
Parte 2
Como conseguircarboneto de silícioimplantação iônica
O equipamento típico de implantação iônica de alta energia usado no processo de fabricação de carboneto de silício consiste principalmente em uma fonte de íons, plasma, componentes de aspiração, ímãs analíticos, feixes de íons, tubos de aceleração, câmaras de processo e discos de varredura, conforme mostrado na Figura 2.
Figura 2 Diagrama esquemático do equipamento de implantação iônica de carboneto de silício de alta energia
(Fonte: “Tecnologia de Fabricação de Semicondutores”)
A implantação de íons SiC geralmente é realizada em alta temperatura, o que pode minimizar os danos à rede cristalina causados pelo bombardeio iônico. ParaBolachas 4H-SiC, a produção de áreas do tipo N é geralmente conseguida através da implantação de íons nitrogênio e fósforo, e a produção deTipo Páreas geralmente é obtida com a implantação de íons de alumínio e íons de boro.
Tabela 1. Exemplo de dopagem seletiva na fabricação de dispositivos de SiC
(Fonte: Kimoto, Cooper, Fundamentos da Tecnologia de Carboneto de Silício: Crescimento, Caracterização, Dispositivos e Aplicações)
Figura 3 Comparação da implantação iônica de energia em várias etapas e distribuição da concentração de dopagem na superfície do wafer
(Fonte: G.Lulli, Introdução à implantação iônica)
Para obter uma concentração de dopagem uniforme na área de implantação iônica, os engenheiros geralmente usam a implantação iônica em várias etapas para ajustar a distribuição geral da concentração da área de implantação (conforme mostrado na Figura 3); no processo de fabricação do processo real, ajustando a energia de implantação e a dose de implantação do implantador de íons, a concentração de dopagem e a profundidade de dopagem da área de implantação de íons podem ser controladas, conforme mostrado na Figura 4. (a) e (b); o implantador de íons realiza implantação iônica uniforme na superfície do wafer, varrendo a superfície do wafer várias vezes durante a operação, conforme mostrado na Figura 4. (c).
(c) Trajetória de movimento do implantador iônico durante a implantação iônica
Figura 4 Durante o processo de implantação iônica, a concentração e profundidade de impurezas são controladas ajustando a energia e dose de implantação iônica
III
Processo de recozimento de ativação para implantação de íons de carboneto de silício
A concentração, área de distribuição, taxa de ativação, defeitos no corpo e na superfície da implantação iônica são os principais parâmetros do processo de implantação iônica. Existem muitos fatores que afetam os resultados desses parâmetros, incluindo dose de implantação, energia, orientação cristalina do material, temperatura de implantação, temperatura de recozimento, tempo de recozimento, ambiente, etc. Ao contrário da dopagem de implantação de íons de silício, ainda é difícil ionizar completamente as impurezas do carboneto de silício após dopagem por implantação iônica. Tomando como exemplo a taxa de ionização do aceitador de alumínio na região neutra de 4H-SiC, em uma concentração de dopagem de 1 × 1017cm-3, a taxa de ionização do aceitador é de apenas cerca de 15% à temperatura ambiente (geralmente a taxa de ionização do silício é de aproximadamente 100%). A fim de atingir a meta de alta taxa de ativação e menos defeitos, um processo de recozimento de alta temperatura será utilizado após a implantação iônica para recristalizar os defeitos amorfos gerados durante a implantação, de modo que os átomos implantados entrem no local de substituição e sejam ativados, como mostrado na Figura 5. Atualmente, a compreensão das pessoas sobre o mecanismo do processo de recozimento ainda é limitada. O controle e a compreensão aprofundada do processo de recozimento é um dos focos de pesquisa da implantação iônica no futuro.
Figura 5 Diagrama esquemático da mudança do arranjo atômico na superfície da área de implantação iônica de carboneto de silício antes e depois do recozimento de implantação iônica, onde Vsirepresenta vagas de silício, VCrepresenta vagas de carbono, Cirepresenta átomos de preenchimento de carbono e Siirepresenta átomos de enchimento de silício
O recozimento por ativação iônica geralmente inclui recozimento em forno, recozimento rápido e recozimento a laser. Devido à sublimação de átomos de Si em materiais de SiC, a temperatura de recozimento geralmente não excede 1800°C; a atmosfera de recozimento é geralmente realizada em gás inerte ou vácuo. Íons diferentes causam diferentes centros de defeitos no SiC e requerem diferentes temperaturas de recozimento. Da maioria dos resultados experimentais, pode-se concluir que quanto maior a temperatura de recozimento, maior a taxa de ativação (conforme mostrado na Figura 6).
Figura 6 Efeito da temperatura de recozimento na taxa de ativação elétrica da implantação de nitrogênio ou fósforo em SiC (à temperatura ambiente)
(Dose total de implantação 1×1014cm-2)
(Fonte: Kimoto, Cooper, Fundamentos da Tecnologia de Carboneto de Silício: Crescimento, Caracterização, Dispositivos e Aplicações)
O processo de recozimento de ativação comumente usado após a implantação do íon SiC é realizado em uma atmosfera de Ar a 1600°C ~ 1700°C para recristalizar a superfície do SiC e ativar o dopante, melhorando assim a condutividade da área dopada; antes do recozimento, uma camada de filme de carbono pode ser revestida na superfície do wafer para proteção da superfície e reduzir a degradação da superfície causada pela dessorção de Si e migração atômica superficial, conforme mostrado na Figura 7; após o recozimento, o filme de carbono pode ser removido por oxidação ou corrosão.
Figura 7 Comparação da rugosidade superficial de wafers 4H-SiC com ou sem proteção de filme de carbono sob temperatura de recozimento de 1800°C
(Fonte: Kimoto, Cooper, Fundamentos da Tecnologia de Carboneto de Silício: Crescimento, Caracterização, Dispositivos e Aplicações)
IV
O impacto da implantação de íons SiC e do processo de recozimento de ativação
A implantação iônica e o subsequente recozimento de ativação produzirão inevitavelmente defeitos que reduzem o desempenho do dispositivo: defeitos pontuais complexos, falhas de empilhamento (como mostrado na Figura 8), novos deslocamentos, defeitos de nível de energia superficiais ou profundos, loops de deslocamento do plano basal e movimento de deslocamentos existentes. Como o processo de bombardeio iônico de alta energia causará estresse ao wafer de SiC, o processo de implantação iônica de alta temperatura e alta energia aumentará o empenamento do wafer. Esses problemas também se tornaram a direção que precisa urgentemente ser otimizada e estudada no processo de fabricação de implantação e recozimento de íons SiC.
Figura 8 Diagrama esquemático da comparação entre o arranjo normal da rede 4H-SiC e diferentes falhas de empilhamento
(Fonte: Defeitos de Nicolὸ Piluso 4H-SiC)
V.
Melhoria do processo de implantação de íons de carboneto de silício
(1) Uma fina película de óxido é retida na superfície da área de implantação iônica para reduzir o grau de dano de implantação causado pela implantação iônica de alta energia na superfície da camada epitaxial de carboneto de silício, conforme mostrado na Figura 9. (a) .
(2) Melhorar a qualidade do disco alvo no equipamento de implantação iônica, para que o wafer e o disco alvo se encaixem mais próximos, a condutividade térmica do disco alvo para o wafer seja melhor e o equipamento aqueça a parte traseira do wafer de maneira mais uniforme, melhorando a qualidade da implantação iônica de alta temperatura e alta energia em wafers de carboneto de silício, conforme mostrado na Figura 9. (b).
(3) Otimizar a taxa de aumento de temperatura e a uniformidade da temperatura durante a operação do equipamento de recozimento de alta temperatura.
Figura 9 Métodos para melhorar o processo de implantação iônica
Horário da postagem: 22 de outubro de 2024