Vliv iontové implantace na parametry polovodičových desek z karbidu křemíku

Abstract

Předložená diplomová práce se zabývá iontovou implantací do polovodičových desek z karbidu křemíku (SiC), která je klíčová pro dosažení selektivního dopingu v tomto materiálu. Implantace však poškozuje krystalickou mřížku, což vede k prohnutí desek, které komplikuje další výrobní kroky. V práci byl uveden teoretický popis implantační techniky a byly specifikovány metody prevence deformace a uvolnění napětí v práci aplikované. Dále byly analyzovány parametry implantace a jejich vliv na deformaci, včetně dávky, energie a teploty implantace. Experimentálně byly provedeny celoplošné implantace hliníku do 4H-SiC desek při různých parametrech implantace a následně měřen jejich průhyb. Prokázána byla silná závislost deformace na obou parametrech implantace s nárůstem deformace až do oblasti amorfizace základního materiálu. Byla otestována možnost implantace za zvýšené teploty, která prokázala snížení míry defektů s neočekávaným vlivem na účinnost teplotního žíhání v difuzní peci. Dále byly experimentálně ověřeny metody prevence prohnutí, zejména depozice vrstev z různých materiálů a leptání struktur typu trench. Depozice polykrystalického křemíku vedla ke snížení průhybu o desítky procent v závislosti na tloušťce vrstvy. Leptané struktury měly menší účinek. Výsledky ukazují, že deformace je predikovatelná na základě parametrů implantace a lze ji výrazně snížit vhodnou volbou technologických podmínek nebo kombinací kompenzačních metod. Práce přináší ucelené experimentální vyhodnocení příčin a možností snižování mechanických deformací způsobených iontovou implantací do SiC, což doposud nebylo v literatuře komplexně zpracováno.

The presented thesis focuses on ion implantation into silicon carbide (SiC) semiconductor wafers, a key process for achieving selective doping in this material. However, implantation causes damage to the crystalline lattice, resulting in wafer warping that complicates subsequent manufacturing steps. The thesis includes a theoretical description of the implantation technique and specifies methods applied to prevent deformation and relieve stress. Implantation parameters and their influence on deformation, including dose, energy, and implantation temperature, were also analyzed. Full-area aluminum implantations into 4H-SiC wafers were experimentally performed under various implantation conditions, followed by measurements of wafer bow. A strong correlation between deformation and implantation parameters was demonstrated, with deformation increasing up to the point of substrate amorphization. The possibility of high temperature implantation was investigated, showing a reduction in wafer warping but also an unexpected effect on the efficiency of thermal annealing in a diffusion furnace. Experimental validation of deformation mitigation methods was also carried out, particularly through the deposition of layers from various materials and the plasma etching of trench-type structures. Deposition of polycrystalline silicon led to a reduction in wafer bow by several tens of percent depending on the layer thickness, while etched structures had a lesser effect. The results show that deformation is predictable based on implantation parameters and can be significantly reduced through proper selection of process conditions or a combination of compensatory techniques. This work presents a comprehensive experimental evaluation of the causes of and possibilities for reducing mechanical deformation caused by ion implantation into SiC, which has not yet been thoroughly addressed in the available literature.