Implantasi ion adalah metode penambahan sejumlah dan jenis pengotor ke dalam bahan semikonduktor untuk mengubah sifat listriknya. Jumlah dan distribusi pengotor dapat dikontrol secara tepat.
Bagian 1
Mengapa menggunakan proses implantasi ion
Dalam pembuatan perangkat semikonduktor daya, doping wilayah P/N tradisionalwafer silikondapat dicapai melalui difusi. Namun, konstanta difusi atom pengotor disilikon karbidasangat rendah, sehingga tidak realistis untuk mencapai doping selektif melalui proses difusi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Di sisi lain, kondisi suhu implantasi ion lebih rendah dibandingkan dengan proses difusi, dan distribusi doping yang lebih fleksibel dan akurat dapat dibentuk.
Gambar 1 Perbandingan teknologi doping difusi dan implantasi ion pada bahan silikon karbida
Bagian 2
Bagaimana mencapainyasilikon karbidaimplantasi ion
Peralatan implantasi ion berenergi tinggi yang umum digunakan dalam proses pembuatan silikon karbida terutama terdiri dari sumber ion, plasma, komponen aspirasi, magnet analitik, berkas ion, tabung akselerasi, ruang proses, dan disk pemindai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2 Diagram skema peralatan implantasi ion silikon karbida berenergi tinggi
(Sumber: “Teknologi Manufaktur Semikonduktor”)
Implantasi ion SiC biasanya dilakukan pada suhu tinggi, yang dapat meminimalkan kerusakan kisi kristal akibat pemboman ion. Untukwafer 4H-SiC, produksi area tipe-N biasanya dicapai dengan menanamkan ion nitrogen dan fosfor, dan produksiTipe Parea biasanya dicapai dengan menanamkan ion aluminium dan ion boron.
Tabel 1. Contoh doping selektif dalam pembuatan perangkat SiC
(Sumber: Kimoto, Cooper, Dasar-Dasar Teknologi Silikon Karbida: Pertumbuhan, Karakterisasi, Perangkat, dan Aplikasi)
Gambar 3 Perbandingan implantasi ion energi multi-langkah dan distribusi konsentrasi doping permukaan wafer
(Sumber: G.Lulli, Pengantar Implantasi Ion)
Untuk mencapai konsentrasi doping yang seragam di area implantasi ion, para insinyur biasanya menggunakan implantasi ion multi-langkah untuk menyesuaikan distribusi konsentrasi keseluruhan di area implantasi (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3); dalam proses pembuatan sebenarnya, dengan menyesuaikan energi implantasi dan dosis implantasi ion implanter, konsentrasi doping dan kedalaman doping area implantasi ion dapat dikontrol, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. (a) dan (b); penanam ion melakukan implantasi ion seragam pada permukaan wafer dengan memindai permukaan wafer beberapa kali selama pengoperasian, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. (c).
(c) Lintasan pergerakan penanam ion selama implantasi ion
Gambar 4 Selama proses implantasi ion, konsentrasi dan kedalaman pengotor dikontrol dengan menyesuaikan energi dan dosis implantasi ion
AKU AKU AKU
Proses anil aktivasi untuk implantasi ion silikon karbida
Konsentrasi, daerah distribusi, laju aktivasi, cacat pada tubuh dan permukaan implantasi ion merupakan parameter utama proses implantasi ion. Ada banyak faktor yang mempengaruhi hasil parameter ini, termasuk dosis implantasi, energi, orientasi kristal bahan, suhu implantasi, suhu anil, waktu anil, lingkungan, dll. Tidak seperti doping implantasi ion silikon, masih sulit untuk terionisasi sepenuhnya. pengotor silikon karbida setelah doping implantasi ion. Mengambil contoh laju ionisasi akseptor aluminium di daerah netral 4H-SiC, pada konsentrasi doping 1×1017cm-3, laju ionisasi akseptor hanya sekitar 15% pada suhu kamar (biasanya laju ionisasi silikon kira-kira 100%). Untuk mencapai tujuan tingkat aktivasi yang tinggi dan cacat yang lebih sedikit, proses anil suhu tinggi akan digunakan setelah implantasi ion untuk mengkristal ulang cacat amorf yang dihasilkan selama implantasi, sehingga atom yang ditanamkan memasuki lokasi substitusi dan diaktifkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Saat ini pemahaman masyarakat terhadap mekanisme proses annealing masih terbatas. Pengendalian dan pemahaman mendalam terhadap proses annealing menjadi salah satu fokus penelitian implantasi ion di masa depan.
Gambar 5 Diagram skema perubahan susunan atom pada permukaan area implantasi ion silikon karbida sebelum dan sesudah anil implantasi ion, dimana Vsimewakili lowongan silikon, VCmewakili kekosongan karbon, Cimewakili atom pengisi karbon, dan Siimewakili atom pengisi silikon
Anil aktivasi ion umumnya mencakup anil tungku, anil cepat, dan anil laser. Karena sublimasi atom Si dalam bahan SiC, suhu anil umumnya tidak melebihi 1800℃; atmosfer anil umumnya dilakukan dalam gas inert atau vakum. Ion yang berbeda menyebabkan pusat cacat yang berbeda pada SiC dan memerlukan suhu anil yang berbeda. Dari sebagian besar hasil percobaan dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi suhu annealing maka semakin tinggi pula laju aktivasinya (seperti terlihat pada Gambar 6).
Gambar 6 Pengaruh suhu annealing terhadap laju aktivasi listrik implantasi nitrogen atau fosfor dalam SiC (pada suhu kamar)
(Total dosis implantasi 1×1014cm-2)
(Sumber: Kimoto, Cooper, Dasar-Dasar Teknologi Silikon Karbida: Pertumbuhan, Karakterisasi, Perangkat, dan Aplikasi)
Proses anil aktivasi yang umum digunakan setelah implantasi ion SiC dilakukan dalam atmosfer Ar pada 1600℃~1700℃ untuk mengkristal ulang permukaan SiC dan mengaktifkan dopan, sehingga meningkatkan konduktivitas area yang didoping; sebelum anil, lapisan film karbon dapat dilapisi pada permukaan wafer untuk perlindungan permukaan guna mengurangi degradasi permukaan yang disebabkan oleh desorpsi Si dan migrasi atom permukaan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7; setelah anil, lapisan karbon dapat dihilangkan dengan cara oksidasi atau korosi.
Gambar 7 Perbandingan kekasaran permukaan wafer 4H-SiC dengan atau tanpa pelindung film karbon pada suhu anil 1800℃
(Sumber: Kimoto, Cooper, Dasar-Dasar Teknologi Silikon Karbida: Pertumbuhan, Karakterisasi, Perangkat, dan Aplikasi)
IV
Dampak proses implantasi ion SiC dan aktivasi anil
Implantasi ion dan anil aktivasi selanjutnya pasti akan menghasilkan cacat yang mengurangi kinerja perangkat: cacat titik kompleks, kesalahan penumpukan (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8), dislokasi baru, cacat tingkat energi dangkal atau dalam, loop dislokasi bidang dasar, dan pergerakan dislokasi yang ada. Karena proses pemboman ion berenergi tinggi akan menyebabkan tekanan pada wafer SiC, proses implantasi ion bersuhu tinggi dan berenergi tinggi akan meningkatkan kelengkungan wafer. Permasalahan tersebut juga menjadi arah yang perlu segera dioptimalkan dan dipelajari dalam proses pembuatan implantasi dan anil ion SiC.
Gambar 8 Diagram skema perbandingan antara susunan kisi 4H-SiC normal dan kesalahan susun yang berbeda
(Sumber: Cacat Nicolὸ Piluso 4H-SiC)
V.
Peningkatan proses implantasi ion silikon karbida
(1) Lapisan oksida tipis dipertahankan pada permukaan area implantasi ion untuk mengurangi tingkat kerusakan implantasi yang disebabkan oleh implantasi ion berenergi tinggi ke permukaan lapisan epitaksi silikon karbida, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. (a) .
(2) Meningkatkan kualitas piringan target pada peralatan implantasi ion, sehingga wafer dan piringan target lebih pas, konduktivitas termal piringan target ke wafer lebih baik, dan peralatan memanaskan bagian belakang wafer lebih seragam, meningkatkan kualitas implantasi ion suhu tinggi dan energi tinggi pada wafer silikon karbida, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9. (b).
(3) Mengoptimalkan laju kenaikan suhu dan keseragaman suhu selama pengoperasian peralatan anil suhu tinggi.
Gambar 9 Metode untuk meningkatkan proses implantasi ion
Waktu posting: 22 Okt-2024