L'implantation ionique est une méthode consistant à ajouter une certaine quantité et un certain type d'impuretés dans des matériaux semi-conducteurs pour modifier leurs propriétés électriques. La quantité et la répartition des impuretés peuvent être contrôlées avec précision.
Partie 1
Pourquoi utiliser le processus d'implantation ionique
Dans la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs de puissance, le dopage de la région P/N des composants traditionnelsplaquettes de siliciumpeut être obtenu par diffusion. Cependant, la constante de diffusion des atomes d'impuretés danscarbure de siliciumest extrêmement faible, il est donc irréaliste de réaliser un dopage sélectif par processus de diffusion, comme le montre la figure 1. D'autre part, les conditions de température de l'implantation ionique sont inférieures à celles du processus de diffusion, et une distribution de dopage plus flexible et plus précise peut être formé.
Figure 1 Comparaison des technologies de dopage par diffusion et par implantation ionique dans les matériaux en carbure de silicium
Partie 2
Comment y parvenircarbure de siliciumimplantation ionique
L'équipement d'implantation d'ions à haute énergie typique utilisé dans le processus de fabrication du carbure de silicium se compose principalement d'une source d'ions, d'un plasma, de composants d'aspiration, d'aimants analytiques, de faisceaux d'ions, de tubes d'accélération, de chambres de traitement et de disques de balayage, comme le montre la figure 2.
Figure 2 Schéma de principe d'un équipement d'implantation ionique à haute énergie en carbure de silicium
(Source : « Technologie de fabrication de semi-conducteurs »)
L'implantation d'ions SiC est généralement réalisée à haute température, ce qui peut minimiser les dommages causés au réseau cristallin par le bombardement ionique. PourPlaquettes 4H-SiC, la production de zones de type N est généralement réalisée par l'implantation d'ions azote et phosphore, et la production deType Pzones est généralement obtenue en implantant des ions aluminium et des ions bore.
Tableau 1. Exemple de dopage sélectif dans la fabrication de dispositifs SiC
(Source : Kimoto, Cooper, Fondamentaux de la technologie du carbure de silicium : croissance, caractérisation, dispositifs et applications)
Figure 3 : Comparaison de l'implantation ionique énergétique en plusieurs étapes et de la distribution des concentrations de dopage à la surface des plaquettes
(Source : G.Lulli, Introduction à l'implantation ionique)
Afin d'obtenir une concentration de dopage uniforme dans la zone d'implantation ionique, les ingénieurs utilisent généralement une implantation ionique en plusieurs étapes pour ajuster la distribution globale de la concentration de la zone d'implantation (comme le montre la figure 3) ; dans le processus de fabrication réel, en ajustant l'énergie d'implantation et la dose d'implantation de l'implanteur ionique, la concentration de dopage et la profondeur de dopage de la zone d'implantation ionique peuvent être contrôlées, comme le montrent les figures 4. (a) et (b) ; l'implanteur d'ions effectue une implantation ionique uniforme sur la surface de la tranche en balayant la surface de la tranche plusieurs fois pendant le fonctionnement, comme le montre la figure 4. (c).
(c) Trajectoire de mouvement de l'implanteur ionique pendant l'implantation ionique
Figure 4 Pendant le processus d'implantation ionique, la concentration et la profondeur des impuretés sont contrôlées en ajustant l'énergie et la dose d'implantation ionique
III
Processus de recuit d'activation pour l'implantation d'ions de carbure de silicium
La concentration, la zone de distribution, le taux d'activation, les défauts dans le corps et à la surface de l'implantation ionique sont les principaux paramètres du processus d'implantation ionique. De nombreux facteurs affectent les résultats de ces paramètres, notamment la dose d'implantation, l'énergie, l'orientation cristalline du matériau, la température d'implantation, la température de recuit, le temps de recuit, l'environnement, etc. Contrairement au dopage par implantation d'ions silicium, il est encore difficile d'ioniser complètement les impuretés du carbure de silicium après dopage par implantation ionique. En prenant comme exemple le taux d'ionisation de l'accepteur d'aluminium dans la région neutre du 4H-SiC, à une concentration de dopage de 1 × 1017 cm-3, le taux d'ionisation de l'accepteur n'est qu'environ 15 % à température ambiante (généralement le taux d'ionisation du silicium est d'environ 100 %). Afin d'atteindre l'objectif d'un taux d'activation élevé et de moins de défauts, un processus de recuit à haute température sera utilisé après l'implantation ionique pour recristalliser les défauts amorphes générés lors de l'implantation, afin que les atomes implantés pénètrent dans le site de substitution et soient activés, comme indiqué. dans la figure 5. À l'heure actuelle, la compréhension du mécanisme du processus de recuit est encore limitée. Le contrôle et la compréhension approfondie du processus de recuit constituent l’un des axes de recherche de l’implantation ionique à l’avenir.
Figure 5 Diagramme schématique du changement de disposition atomique sur la surface de la zone d'implantation ionique du carbure de silicium avant et après le recuit d'implantation ionique, où Vsireprésente les lacunes de silicium, VCreprésente les postes vacants de carbone, Cireprésente les atomes de remplissage de carbone, et Siireprésente les atomes de remplissage de silicium
Le recuit par activation ionique comprend généralement le recuit au four, le recuit rapide et le recuit au laser. En raison de la sublimation des atomes de Si dans les matériaux SiC, la température de recuit ne dépasse généralement pas 1 800 ℃ ; l'atmosphère de recuit est généralement réalisée sous gaz inerte ou sous vide. Différents ions provoquent différents centres de défauts dans le SiC et nécessitent différentes températures de recuit. De la plupart des résultats expérimentaux, on peut conclure que plus la température de recuit est élevée, plus le taux d'activation est élevé (comme le montre la figure 6).
Figure 6 Effet de la température de recuit sur le taux d'activation électrique de l'implantation d'azote ou de phosphore dans SiC (à température ambiante)
(Dose totale d'implantation 1×1014cm-2)
(Source : Kimoto, Cooper, Fondamentaux de la technologie du carbure de silicium : croissance, caractérisation, dispositifs et applications)
Le processus de recuit d'activation couramment utilisé après l'implantation d'ions SiC est effectué dans une atmosphère d'Ar à 1 600 ℃ ~ 1 700 ℃ pour recristalliser la surface du SiC et activer le dopant, améliorant ainsi la conductivité de la zone dopée ; avant le recuit, une couche de film de carbone peut être appliquée sur la surface de la tranche pour protéger la surface afin de réduire la dégradation de la surface provoquée par la désorption du Si et la migration atomique en surface, comme le montre la figure 7 ; après recuit, le film de carbone peut être éliminé par oxydation ou corrosion.
Figure 7 Comparaison de la rugosité de surface des tranches de 4H-SiC avec ou sans protection par film de carbone à une température de recuit de 1 800 ℃
(Source : Kimoto, Cooper, Fondamentaux de la technologie du carbure de silicium : croissance, caractérisation, dispositifs et applications)
IV
L'impact du processus d'implantation d'ions SiC et de recuit d'activation
L'implantation d'ions et le recuit d'activation ultérieur produiront inévitablement des défauts qui réduiront les performances du dispositif : défauts ponctuels complexes, défauts d'empilement (comme le montre la figure 8), nouvelles luxations, défauts de niveau d'énergie peu profonds ou profonds, boucles de dislocations dans le plan basal et mouvement des dislocations existantes. Étant donné que le processus de bombardement ionique à haute énergie provoquera une contrainte sur la plaquette de SiC, le processus d'implantation ionique à haute température et à haute énergie augmentera le gauchissement de la plaquette. Ces problèmes sont également devenus la direction qui doit être optimisée et étudiée de toute urgence dans le processus de fabrication d’implantation et de recuit d’ions SiC.
Figure 8 Diagramme schématique de la comparaison entre la disposition normale du réseau 4H-SiC et différents défauts d'empilement
(Source : Défauts Nicolὸ Piluso 4H-SiC)
V.
Amélioration du processus d'implantation d'ions de carbure de silicium
(1) Un mince film d'oxyde est retenu sur la surface de la zone d'implantation ionique pour réduire le degré de dommages d'implantation provoqués par l'implantation ionique à haute énergie à la surface de la couche épitaxiale de carbure de silicium, comme le montre la figure 9. (a) .
(2) Améliorer la qualité du disque cible dans l'équipement d'implantation ionique, de sorte que la tranche et le disque cible s'ajustent plus étroitement, que la conductivité thermique du disque cible par rapport à la tranche soit meilleure et que l'équipement chauffe l'arrière de la tranche. plus uniformément, améliorant la qualité de l'implantation ionique à haute température et à haute énergie sur des tranches de carbure de silicium, comme le montre la figure 9. (b).
(3) Optimiser le taux d'augmentation de la température et l'uniformité de la température pendant le fonctionnement de l'équipement de recuit à haute température.
Figure 9 Méthodes pour améliorer le processus d'implantation ionique
Heure de publication : 22 octobre 2024