Cấy ion là phương pháp thêm một lượng và loại tạp chất nhất định vào vật liệu bán dẫn để thay đổi tính chất điện của chúng. Số lượng và sự phân bố của tạp chất có thể được kiểm soát chính xác.
Phần 1
Tại sao nên sử dụng quy trình cấy ion
Trong chế tạo thiết bị bán dẫn điện, pha tạp vùng P/N truyền thốngtấm siliconcó thể đạt được bằng cách khuếch tán. Tuy nhiên, hằng số khuếch tán của các nguyên tử tạp chất trongcacbua siliclà cực kỳ thấp nên việc đạt được pha tạp chọn lọc bằng quá trình khuếch tán là không thực tế, như trong Hình 1. Mặt khác, điều kiện nhiệt độ của quá trình cấy ion thấp hơn so với quá trình khuếch tán và việc phân phối pha tạp linh hoạt và chính xác hơn có thể được hình thành.
Hình 1 So sánh công nghệ pha tạp khuếch tán và cấy ion trong vật liệu cacbua silic
Phần 2
Làm thế nào để đạt đượccacbua siliccấy ion
Thiết bị cấy ion năng lượng cao điển hình được sử dụng trong quy trình sản xuất cacbua silic chủ yếu bao gồm nguồn ion, plasma, các bộ phận hút, nam châm phân tích, chùm ion, ống gia tốc, buồng xử lý và đĩa quét, như trong Hình 2.
Hình 2 Sơ đồ thiết bị cấy ion năng lượng cao cacbua silic
(Nguồn: “Công nghệ sản xuất chất bán dẫn”)
Việc cấy ion SiC thường được thực hiện ở nhiệt độ cao, điều này có thể giảm thiểu thiệt hại cho mạng tinh thể do bắn phá ion. VìTấm wafer 4H-SiC, việc sản xuất các khu vực loại N thường đạt được bằng cách cấy các ion nitơ và phốt pho, và sản xuấtloại Pdiện tích thường đạt được bằng cách cấy các ion nhôm và ion boron.
Bảng 1. Ví dụ về pha tạp chọn lọc trong sản xuất thiết bị SiC
(Nguồn: Kimoto, Cooper, Nguyên tắc cơ bản của công nghệ cacbua silic: Tăng trưởng, Đặc tính, Thiết bị và Ứng dụng)
Hình 3 So sánh quá trình cấy ion năng lượng nhiều bước và phân bố nồng độ pha tạp bề mặt wafer
(Nguồn: G.Lulli, Giới thiệu về cấy ion)
Để đạt được nồng độ pha tạp đồng đều trong vùng cấy ion, các kỹ sư thường sử dụng phương pháp cấy ion nhiều bước để điều chỉnh sự phân bổ nồng độ tổng thể của vùng cấy ion (như hình 3); trong quy trình sản xuất quy trình thực tế, bằng cách điều chỉnh năng lượng cấy ghép và liều cấy ghép của thiết bị cấy ion, có thể kiểm soát được nồng độ pha tạp và độ sâu pha tạp của vùng cấy ion, như trong Hình 4. (a) và (b); thiết bị cấy ion thực hiện cấy ion đồng đều trên bề mặt tấm bán dẫn bằng cách quét bề mặt tấm bán dẫn nhiều lần trong quá trình vận hành, như trong Hình 4. (c).
(c) Quỹ đạo chuyển động của thiết bị cấy ion trong quá trình cấy ion
Hình 4 Trong quá trình cấy ion, nồng độ và độ sâu tạp chất được kiểm soát bằng cách điều chỉnh năng lượng và liều lượng cấy ion
III
Quá trình ủ kích hoạt để cấy ion silicon cacbua
Nồng độ, vùng phân bố, tốc độ kích hoạt, các khuyết tật trong cơ thể và trên bề mặt cấy ion là những thông số chính của quá trình cấy ion. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết quả của các thông số này, bao gồm liều cấy, năng lượng, hướng tinh thể của vật liệu, nhiệt độ cấy, nhiệt độ ủ, thời gian ủ, môi trường, v.v. Không giống như doping cấy ion silicon, vẫn khó ion hóa hoàn toàn các tạp chất của cacbua silic sau khi pha tạp ion. Lấy tốc độ ion hóa chất nhận nhôm ở vùng trung tính của 4H-SiC làm ví dụ, ở nồng độ pha tạp 1×1017cm-3, tốc độ ion hóa chất nhận nhôm ở nhiệt độ phòng chỉ khoảng 15% (thông thường tốc độ ion hóa của silicon xấp xỉ 100%). Để đạt được mục tiêu về tỷ lệ kích hoạt cao và ít khuyết tật hơn, quy trình ủ nhiệt độ cao sẽ được sử dụng sau khi cấy ion để kết tinh lại các khuyết tật vô định hình được tạo ra trong quá trình cấy ghép, để các nguyên tử được cấy vào vị trí thay thế và được kích hoạt, như được hiển thị trong Hình 5. Hiện nay, sự hiểu biết của người dân về cơ chế của quá trình ủ còn hạn chế. Kiểm soát và hiểu biết sâu sắc về quá trình ủ là một trong những hướng nghiên cứu của cấy ion trong tương lai.
Hình 5 Sơ đồ về sự thay đổi sắp xếp nguyên tử trên bề mặt khu vực cấy ion cacbua silic trước và sau khi ủ cấy ion, trong đó Vsiđại diện cho vị trí tuyển dụng silicon, VCđại diện cho chỗ trống carbon, Ciđại diện cho các nguyên tử lấp đầy carbon và Siiđại diện cho các nguyên tử làm đầy silicon
Ủ kích hoạt ion thường bao gồm ủ lò, ủ nhanh và ủ laser. Do sự thăng hoa của các nguyên tử Si trong vật liệu SiC, nhiệt độ ủ thường không vượt quá 1800oC; bầu không khí ủ thường được thực hiện trong khí trơ hoặc chân không. Các ion khác nhau gây ra các tâm khuyết tật khác nhau trong SiC và yêu cầu nhiệt độ ủ khác nhau. Từ hầu hết các kết quả thực nghiệm, có thể kết luận rằng nhiệt độ ủ càng cao thì tốc độ kích hoạt càng cao (như trong Hình 6).
Hình 6 Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến tốc độ kích hoạt điện của quá trình cấy nitơ hoặc phốt pho trong SiC (ở nhiệt độ phòng)
(Tổng liều cấy 1×1014cm-2)
(Nguồn: Kimoto, Cooper, Nguyên tắc cơ bản của công nghệ cacbua silic: Tăng trưởng, Đặc tính, Thiết bị và Ứng dụng)
Quá trình ủ kích hoạt thường được sử dụng sau khi cấy ion SiC được thực hiện trong môi trường Ar ở 1600oC ~ 1700oC để kết tinh lại bề mặt SiC và kích hoạt chất pha tạp, từ đó cải thiện độ dẫn điện của vùng pha tạp; trước khi ủ, một lớp màng carbon có thể được phủ lên bề mặt wafer để bảo vệ bề mặt nhằm giảm sự xuống cấp bề mặt do quá trình giải hấp Si và di chuyển nguyên tử bề mặt, như trong Hình 7; sau khi ủ, màng carbon có thể bị loại bỏ bằng quá trình oxy hóa hoặc ăn mòn.
Hình 7 So sánh độ nhám bề mặt của tấm wafer 4H-SiC có hoặc không có màng bảo vệ carbon dưới nhiệt độ ủ 1800oC
(Nguồn: Kimoto, Cooper, Nguyên tắc cơ bản của công nghệ cacbua silic: Tăng trưởng, Đặc tính, Thiết bị và Ứng dụng)
IV
Ảnh hưởng của quá trình cấy ion SiC và ủ kích hoạt
Việc cấy ion và ủ kích hoạt sau đó chắc chắn sẽ tạo ra các khiếm khuyết làm giảm hiệu suất của thiết bị: khiếm khuyết điểm phức tạp, lỗi xếp chồng (như trong Hình 8), sai lệch mới, sai lệch mức năng lượng nông hoặc sâu, vòng lặp lệch vị trí mặt phẳng cơ bản và chuyển động của các sai lệch hiện có. Vì quá trình bắn phá ion năng lượng cao sẽ gây ra ứng suất cho wafer SiC, nên quá trình cấy ion ở nhiệt độ cao và năng lượng cao sẽ làm tăng độ cong vênh của wafer. Những vấn đề này cũng đã trở thành hướng cần được tối ưu hóa và nghiên cứu cấp bách trong quá trình sản xuất cấy và ủ ion SiC.
Hình 8 Sơ đồ so sánh giữa cách sắp xếp mạng 4H-SiC bình thường và các lỗi xếp chồng khác nhau
(Nguồn: Các khiếm khuyết của Nicolὸ Piluso 4H-SiC)
V.
Cải tiến quy trình cấy ion silicon cacbua
(1) Một màng oxit mỏng được giữ lại trên bề mặt của vùng cấy ion để giảm mức độ hư hỏng cấy ghép do cấy ion năng lượng cao lên bề mặt của lớp epitaxy cacbua silic, như trong Hình 9. (a) .
(2) Cải thiện chất lượng của đĩa đích trong thiết bị cấy ion, để wafer và đĩa đích khớp chặt hơn, độ dẫn nhiệt của đĩa đích đến wafer tốt hơn và thiết bị làm nóng mặt sau của wafer đồng đều hơn, cải thiện chất lượng cấy ion nhiệt độ cao và năng lượng cao trên các tấm silicon cacbua, như trong Hình 9. (b).
(3) Tối ưu hóa tốc độ tăng nhiệt độ và độ đồng đều nhiệt độ trong quá trình vận hành thiết bị ủ nhiệt độ cao.
Hình 9 Các phương pháp cải tiến quy trình cấy ion
Thời gian đăng: 22-10-2024