이온 주입은 반도체 재료에 일정량과 종류의 불순물을 첨가하여 전기적 특성을 변화시키는 방법입니다. 불순물의 양과 분포를 정밀하게 제어할 수 있습니다.
1부
이온주입 공정을 사용하는 이유
전력 반도체 소자 제조에서는 전통적인 P/N 영역 도핑이실리콘 웨이퍼확산에 의해 달성될 수 있다. 그러나 불순물 원자의 확산 상수는탄화규소그림 1과 같이 확산 공정을 통해 선택적 도핑을 달성하는 것은 매우 낮기 때문에 비현실적입니다. 반면, 이온 주입의 온도 조건은 확산 공정보다 낮으며 보다 유연하고 정확한 도핑 분포를 얻을 수 있습니다. 형성된다.
그림 1 탄화규소 소재의 확산 및 이온 주입 도핑 기술 비교
2부
달성 방법탄화규소이온 주입
탄화규소 공정 제조 공정에 사용되는 일반적인 고에너지 이온 주입 장비는 그림 2와 같이 주로 이온 소스, 플라즈마, 흡인 부품, 분석 자석, 이온 빔, 가속관, 공정 챔버 및 스캐닝 디스크로 구성됩니다.
그림 2 탄화규소 고에너지 이온주입 장비의 개략도
(출처: “반도체 제조 기술”)
SiC 이온 주입은 일반적으로 고온에서 수행되므로 이온 충격으로 인한 결정 격자의 손상을 최소화할 수 있습니다. 을 위한4H-SiC 웨이퍼, N형 영역의 생성은 일반적으로 질소 및 인 이온을 주입하여 이루어지며,P형영역은 일반적으로 알루미늄 이온과 붕소 이온을 주입하여 달성됩니다.
표 1. SiC 장치 제조 시 선택적 도핑의 예
(출처: Kimoto, Cooper, 실리콘 카바이드 기술의 기초: 성장, 특성화, 장치 및 응용)
그림 3 다단계 에너지 이온 주입과 웨이퍼 표면 도핑 농도 분포 비교
(출처: G.Lulli, 이온 주입 소개)
이온 주입 영역에서 균일한 도핑 농도를 달성하기 위해 엔지니어는 일반적으로 다단계 이온 주입을 사용하여 주입 영역의 전체 농도 분포를 조정합니다(그림 3 참조). 실제 공정 제조 공정에서는 이온주입기의 주입에너지와 주입량을 조절함으로써, 그림 4의 (a)와 (b)와 같이 이온주입 영역의 도핑농도와 도핑깊이를 조절할 수 있다. 이온 주입기는 그림 4.(c)와 같이 작동 중에 웨이퍼 표면을 여러 번 스캔하여 웨이퍼 표면에 균일한 이온 주입을 수행합니다.
(c) 이온 주입 중 이온 주입기의 이동 궤적
그림 4 이온주입 공정 중 이온주입 에너지와 주입량을 조절하여 불순물 농도와 깊이를 조절합니다.
III
탄화규소 이온 주입을 위한 활성화 어닐링 공정
농도, 분포 면적, 활성화 속도, 몸체 및 이온 주입 표면의 결함은 이온 주입 공정의 주요 매개 변수입니다. 주입 선량, 에너지, 재료의 결정 방향, 주입 온도, 어닐링 온도, 어닐링 시간, 환경 등을 포함하여 이러한 매개변수의 결과에 영향을 미치는 많은 요소가 있습니다. 실리콘 이온 주입 도핑과 달리 여전히 완전히 이온화하는 것은 어렵습니다. 이온 주입 도핑 후 탄화규소의 불순물. 4H-SiC의 중성 영역에서 알루미늄 수용체 이온화율을 예로 들면, 1×1017cm-3의 도핑 농도에서 상온에서 수용체 이온화율은 약 15%에 불과합니다(보통 실리콘의 이온화율은 대략 100%). 높은 활성화율과 적은 결함의 목표를 달성하기 위해 이온 주입 후 고온 어닐링 공정을 사용하여 주입 중에 생성된 비정질 결함을 재결정화하여 그림과 같이 주입된 원자가 치환 사이트로 들어가 활성화됩니다. 현재 어닐링 과정의 메커니즘에 대한 사람들의 이해는 여전히 제한적입니다. 어닐링 공정에 대한 제어와 심층적인 이해는 미래 이온 주입의 연구 초점 중 하나입니다.
그림 5 이온 주입 어닐링 전후의 탄화규소 이온 주입 영역 표면의 원자 배열 변화에 대한 개략도, 여기서 Vsi실리콘 공석, V를 나타냅니다.C탄소 공석, C를 나타냅니다.i탄소 충전 원자를 나타내고, Si는i실리콘 충전 원자를 나타냅니다.
이온 활성화 어닐링에는 일반적으로 퍼니스 어닐링, 급속 어닐링 및 레이저 어닐링이 포함됩니다. SiC 재료에서 Si 원자의 승화로 인해 어닐링 온도는 일반적으로 1800℃를 초과하지 않습니다. 어닐링 분위기는 일반적으로 불활성 가스 또는 진공에서 수행됩니다. 이온이 다르면 SiC에서 결함 중심이 달라지며, 어닐링 온도도 달라야 합니다. 대부분의 실험 결과에서 어닐링 온도가 높을수록 활성화 속도가 높다는 결론을 내릴 수 있습니다(그림 6 참조).
그림 6 SiC(실온)에서 질소 또는 인 주입의 전기적 활성화 속도에 대한 어닐링 온도의 영향
(총 이식선량 1×1014cm-2)
(출처: Kimoto, Cooper, 실리콘 카바이드 기술의 기초: 성장, 특성화, 장치 및 응용)
SiC 이온 주입 후 일반적으로 사용되는 활성화 어닐링 공정은 Ar 분위기 1600℃~1700℃에서 수행되어 SiC 표면을 재결정화하고 도펀트를 활성화하여 도핑된 영역의 전도성을 향상시킵니다. 어닐링 전에 표면 보호를 위해 웨이퍼 표면에 탄소 필름 층을 코팅하여 그림 7과 같이 Si 탈착 및 표면 원자 이동으로 인한 표면 저하를 줄일 수 있습니다. 어닐링 후 탄소막은 산화 또는 부식에 의해 제거될 수 있습니다.
그림 7 1800℃ 어닐링 온도에서 탄소막 보호 유무에 따른 4H-SiC 웨이퍼의 표면 거칠기 비교
(출처: Kimoto, Cooper, 실리콘 카바이드 기술의 기초: 성장, 특성화, 장치 및 응용)
IV
SiC 이온 주입 및 활성화 어닐링 공정의 영향
이온 주입 및 후속 활성화 어닐링은 필연적으로 복잡한 점 결함, 적층 결함(그림 8 참조), 새로운 전위, 얕은 또는 깊은 에너지 수준 결함, 기저면 전위 루프 및 기존 전위의 이동과 같은 장치 성능을 저하시키는 결함을 생성합니다. 고에너지 이온 충격 공정은 SiC 웨이퍼에 응력을 발생시키므로 고온 및 고에너지 이온 주입 공정은 웨이퍼 변형을 증가시킵니다. 이러한 문제점은 SiC 이온 주입 및 어닐링 제조 공정에서도 최적화와 연구가 시급히 필요한 방향이 되었습니다.
그림 8 일반적인 4H-SiC 격자 배열과 다양한 적층 결함 간의 비교에 대한 개략도
(출처: Nicolὸ Piluso 4H-SiC 결함)
V.
탄화규소 이온 주입 공정 개선
(1) 탄화규소 에피층 표면에 고에너지 이온 주입으로 인한 주입 손상 정도를 줄이기 위해 이온 주입 영역 표면에 얇은 산화막을 유지합니다. (그림 9) (a) .
(2) 이온 주입 장비의 타겟 디스크 품질을 개선하여 웨이퍼와 타겟 디스크가 더 밀접하게 맞고, 타겟 디스크의 웨이퍼에 대한 열전도도가 더 좋고, 장비가 웨이퍼 뒷면을 가열합니다. 그림 9(b)에 표시된 것처럼 탄화규소 웨이퍼에 대한 고온 및 고에너지 이온 주입 품질을 보다 균일하게 향상시킵니다.
(3) 고온 어닐링 장비 작동 중 온도 상승률과 온도 균일성을 최적화합니다.
그림 9 이온 주입 공정 개선 방법
게시 시간: 2024년 10월 22일