چیزهایی در مورد ساخت دستگاه کاربید سیلیکون (قسمت 2)

کاشت یون روشی برای افزودن مقدار و نوع معینی ناخالصی به مواد نیمه هادی برای تغییر خواص الکتریکی آنها است. میزان و توزیع ناخالصی ها را می توان دقیقاً کنترل کرد.

قسمت 1

چرا از فرآیند کاشت یون استفاده کنیم؟

در ساخت دستگاه های نیمه هادی قدرت، منطقه P/N دوپینگ سنتیویفرهای سیلیکونیمی توان با انتشار به دست آورد. با این حال، ثابت انتشار اتم های ناخالصی درکاربید سیلیکونبسیار کم است، بنابراین دستیابی به دوپینگ انتخابی با فرآیند انتشار غیرواقعی است، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است. از طرف دیگر، شرایط دمایی کاشت یون کمتر از شرایط فرآیند انتشار است و توزیع دوپینگ انعطاف‌پذیرتر و دقیق‌تر می‌تواند تشکیل شود.

شکل 1 مقایسه فناوری های دوپینگ انتشار و کاشت یون در مواد کاربید سیلیکون

قسمت 2

چگونه به دست آوریمکاربید سیلیکونکاشت یون

تجهیزات معمولی کاشت یون پرانرژی مورد استفاده در فرآیند تولید فرآیند کاربید سیلیکون عمدتاً از منبع یون، پلاسما، اجزای آسپیراسیون، آهنرباهای تحلیلی، پرتوهای یونی، لوله‌های شتاب، محفظه‌های فرآیند و دیسک‌های اسکن تشکیل شده است، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2 نمودار شماتیک تجهیزات کاشت یون پرانرژی کاربید سیلیکون

(منبع: "تکنولوژی ساخت نیمه هادی")

کاشت یون SiC معمولا در دمای بالا انجام می شود که می تواند آسیب شبکه کریستالی ناشی از بمباران یونی را به حداقل برساند. برایویفر 4H-SiCتولید نواحی نوع N معمولاً با کاشت یونهای نیتروژن و فسفر و تولیدنوع Pمناطق معمولاً با کاشت یون های آلومینیوم و یون های بور حاصل می شود.

جدول 1. مثالی از دوپینگ انتخابی در ساخت دستگاه SiC
(منبع: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)

شکل 3 مقایسه کاشت یون انرژی چند مرحله ای و توزیع غلظت دوپینگ سطح ویفر

(منبع: G.Lulli، Introduction To Ion Implantation)

به منظور دستیابی به غلظت یکنواخت دوپینگ در ناحیه کاشت یون، مهندسان معمولاً از کاشت یون چند مرحله ای برای تنظیم توزیع غلظت کلی ناحیه کاشت استفاده می کنند (همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است). در فرآیند ساخت فرآیند واقعی، با تنظیم انرژی کاشت و دوز کاشت کاشت یون، غلظت دوپینگ و عمق دوپینگ ناحیه کاشت یون را می توان کنترل کرد، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است. (الف) و (ب). کاشت یونی با اسکن چندین بار سطح ویفر در طول کار، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، کاشت یون یکنواخت را روی سطح ویفر انجام می دهد.

(ج) مسیر حرکت کاشت یون در طول کاشت یون
شکل 4 در طول فرآیند کاشت یون، غلظت و عمق ناخالصی با تنظیم انرژی و دوز کاشت یون کنترل می شود.

III

فرآیند بازپخت فعال سازی برای کاشت یون کاربید سیلیکون

غلظت، ناحیه توزیع، سرعت فعال سازی، نقص در بدن و سطح کاشت یون پارامترهای اصلی فرآیند کاشت یون هستند. عوامل زیادی بر نتایج این پارامترها تأثیر می گذارند، از جمله دز کاشت، انرژی، جهت گیری کریستالی ماده، دمای کاشت، دمای بازپخت، زمان بازپخت، محیط و غیره. برخلاف دوپینگ کاشت یون سیلیکون، هنوز یونیزه کردن کامل آن دشوار است. ناخالصی های کاربید سیلیکون پس از دوپینگ کاشت یون با در نظر گرفتن نرخ یونیزاسیون گیرنده آلومینیوم در ناحیه خنثی 4H-SiC به عنوان مثال، در غلظت دوپینگ 1×1017cm-3، نرخ یونیزاسیون گیرنده تنها حدود 15٪ در دمای اتاق است (معمولا نرخ یونیزاسیون سیلیکون تقریباً است. 100 درصد. به منظور دستیابی به هدف نرخ فعال سازی بالا و نقص کمتر، پس از کاشت یون از فرآیند بازپخت در دمای بالا برای تبلور مجدد عیوب آمورف ایجاد شده در حین کاشت استفاده می شود، به طوری که اتم های کاشته شده وارد محل جایگزینی شده و فعال می شوند، همانطور که نشان داده شده است. در شکل 5. در حال حاضر، درک مردم از مکانیسم فرآیند بازپخت هنوز محدود است. کنترل و درک عمیق فرآیند بازپخت یکی از محورهای تحقیقاتی کاشت یون در آینده است.

شکل 5 نمودار شماتیک تغییر آرایش اتمی روی سطح ناحیه کاشت یون کاربید سیلیکون قبل و بعد از بازپخت کاشت یون، جایی که V_siنشان دهنده جای خالی سیلیکون، V_Cنشان دهنده جای خالی کربن، C_iنشان دهنده اتم های پرکننده کربن و Si است_iنشان دهنده اتم های پر کننده سیلیکون است

بازپخت فعال سازی یونی به طور کلی شامل آنیل کوره، آنیل سریع و آنیل لیزری است. به دلیل تصعید اتم های Si در مواد SiC، دمای بازپخت به طور کلی از 1800 درجه سانتیگراد تجاوز نمی کند. اتمسفر بازپخت عموماً در یک گاز بی اثر یا خلاء انجام می شود. یون های مختلف باعث ایجاد مراکز نقص مختلف در SiC می شوند و به دماهای بازپخت متفاوتی نیاز دارند. از اکثر نتایج تجربی، می توان نتیجه گرفت که هر چه دمای بازپخت بیشتر باشد، نرخ فعال سازی بیشتر است (همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است).

شکل 6 اثر دمای بازپخت بر نرخ فعال سازی الکتریکی کاشت نیتروژن یا فسفر در SiC (در دمای اتاق)
(دز کل کاشت 1×1014cm-2)

(منبع: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)

فرآیند بازپخت فعال سازی متداول پس از کاشت یون SiC در اتمسفر Ar در دمای 1600 ~ 1700 ℃ برای تبلور مجدد سطح SiC و فعال کردن ناخالصی انجام می شود و در نتیجه رسانایی ناحیه دوپ شده بهبود می یابد. همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، قبل از بازپخت، می توان لایه ای از فیلم کربن را برای محافظت از سطح روی سطح ویفر پوشاند تا تخریب سطح ناشی از دفع Si و مهاجرت اتمی سطح را کاهش دهد. پس از بازپخت، فیلم کربن را می توان با اکسیداسیون یا خوردگی حذف کرد.

شکل 7 مقایسه زبری سطح ویفرهای 4H-SiC با یا بدون محافظ فیلم کربنی در دمای بازپخت 1800 درجه سانتیگراد
(منبع: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)

IV

تاثیر کاشت یون SiC و فرآیند بازپخت فعال سازی

کاشت یون و بازپخت فعال متعاقب آن به ناچار عیوب ایجاد می کند که عملکرد دستگاه را کاهش می دهد: نقص نقطه پیچیده، گسل های روی هم (همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است)، نابجایی های جدید، نقص سطح انرژی کم عمق یا عمیق، حلقه های دررفتگی صفحه پایه و حرکت نابجایی های موجود. از آنجایی که فرآیند بمباران یونی با انرژی بالا باعث ایجاد استرس در ویفر SiC می شود، فرآیند کاشت یون با دمای بالا و انرژی بالا باعث افزایش تاب خوردگی ویفر می شود. این مشکلات همچنین به جهتی تبدیل شده اند که نیاز فوری به بهینه سازی و مطالعه در فرآیند تولید کاشت و بازپخت یون SiC دارد.

شکل 8 نمودار شماتیک مقایسه بین آرایش شبکه معمولی 4H-SiC و خطاهای مختلف انباشتگی

(منبع: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)

V.

بهبود فرآیند کاشت یون کاربید سیلیکون

(1) همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است، یک فیلم اکسید نازک بر روی سطح ناحیه کاشت یون برای کاهش درجه آسیب کاشت ناشی از کاشت یون پرانرژی به سطح لایه همپایی کاربید سیلیکون حفظ می شود. .

(2) کیفیت دیسک مورد نظر را در تجهیزات کاشت یون بهبود دهید، به طوری که ویفر و دیسک هدف نزدیکتر قرار می گیرند، هدایت حرارتی دیسک هدف به ویفر بهتر است و تجهیزات پشت ویفر را گرم می کند. به طور یکنواخت تر، بهبود کیفیت کاشت یون با دمای بالا و انرژی بالا بر روی ویفرهای کاربید سیلیکون، همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است. (ب).

(3) نرخ افزایش دما و یکنواختی دما را در طول عملیات تجهیزات آنیل با دمای بالا بهینه کنید.

شکل 9 روش های بهبود فرآیند کاشت یون