સિલિકોન કાર્બાઇડ ઉપકરણ ઉત્પાદન વિશેની બાબતો (ભાગ 2)

આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન એ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીમાં ચોક્કસ માત્રા અને પ્રકારની અશુદ્ધિઓને તેમના વિદ્યુત ગુણધર્મો બદલવા માટે ઉમેરવાની એક પદ્ધતિ છે. અશુદ્ધિઓની માત્રા અને વિતરણને ચોક્કસ રીતે નિયંત્રિત કરી શકાય છે.

ભાગ 1

શા માટે આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ કરો

પાવર સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણોના ઉત્પાદનમાં, પરંપરાગત P/N પ્રદેશ ડોપિંગસિલિકોન વેફર્સપ્રસાર દ્વારા પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. જો કે, માં અશુદ્ધ અણુઓનો ફેલાવો સતતસિલિકોન કાર્બાઇડઅત્યંત નીચું છે, તેથી આકૃતિ 1 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, પ્રસરણ પ્રક્રિયા દ્વારા પસંદગીયુક્ત ડોપિંગ પ્રાપ્ત કરવું અવાસ્તવિક છે. બીજી બાજુ, આયન પ્રત્યારોપણની તાપમાનની સ્થિતિ પ્રસરણ પ્રક્રિયા કરતા ઓછી છે, અને વધુ લવચીક અને સચોટ ડોપિંગ વિતરણ કરી શકે છે. રચના કરવી.

આકૃતિ 1 સિલિકોન કાર્બાઇડ સામગ્રીમાં પ્રસરણ અને આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન ડોપિંગ તકનીકોની સરખામણી

ભાગ 2

કેવી રીતે હાંસલ કરવુંસિલિકોન કાર્બાઇડઆયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન

સિલિકોન કાર્બાઇડ પ્રક્રિયા ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં ઉપયોગમાં લેવાતા લાક્ષણિક ઉચ્ચ-ઉર્જા આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન સાધનોમાં મુખ્યત્વે આયન સ્ત્રોત, પ્લાઝ્મા, એસ્પિરેશન ઘટકો, વિશ્લેષણાત્મક ચુંબક, આયન બીમ, પ્રવેગક ટ્યુબ, પ્રક્રિયા ચેમ્બર અને સ્કેનિંગ ડિસ્કનો સમાવેશ થાય છે, આકૃતિ2 માં બતાવ્યા પ્રમાણે.

આકૃતિ 2 સિલિકોન કાર્બાઇડ હાઇ-એનર્જી આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન સાધનોની યોજનાકીય રેખાકૃતિ

(સ્રોત: "સેમિકન્ડક્ટર મેન્યુફેક્ચરિંગ ટેકનોલોજી")

SiC આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન સામાન્ય રીતે ઊંચા તાપમાને હાથ ધરવામાં આવે છે, જે આયન બોમ્બાર્ડમેન્ટને કારણે સ્ફટિક જાળીને થતા નુકસાનને ઘટાડી શકે છે. માટે4H-SiC વેફર્સ, એન-પ્રકારના વિસ્તારોનું ઉત્પાદન સામાન્ય રીતે નાઇટ્રોજન અને ફોસ્ફરસ આયનો રોપવા દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે, અનેપી-પ્રકારવિસ્તારો સામાન્ય રીતે એલ્યુમિનિયમ આયનો અને બોરોન આયનો રોપવા દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે.

કોષ્ટક 1. SiC ઉપકરણ ઉત્પાદનમાં પસંદગીયુક્ત ડોપિંગનું ઉદાહરણ
(સ્રોત: કિમોટો, કૂપર, સિલિકોન કાર્બાઇડ ટેક્નોલોજીના ફંડામેન્ટલ્સ: ગ્રોથ, કેરેક્ટરાઈઝેશન, ડિવાઈસ અને એપ્લીકેશન્સ)

આકૃતિ 3 મલ્ટિ-સ્ટેપ એનર્જી આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન અને વેફર સપાટી ડોપિંગ સાંદ્રતા વિતરણની સરખામણી

(સ્ત્રોત: જી. લુલી, આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશનનો પરિચય)

આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન એરિયામાં એકસમાન ડોપિંગ એકાગ્રતા હાંસલ કરવા માટે, ઇજનેરો સામાન્ય રીતે મલ્ટી-સ્ટેપ આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશનનો ઉપયોગ ઇમ્પ્લાન્ટેશન વિસ્તારના એકંદર એકાગ્રતા વિતરણને સમાયોજિત કરવા માટે કરે છે (આકૃતિ 3 માં બતાવ્યા પ્રમાણે); વાસ્તવિક પ્રક્રિયા ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં, આયન ઇમ્પ્લાન્ટરની ઇમ્પ્લાન્ટેશન એનર્જી અને ઇમ્પ્લાન્ટેશન ડોઝને સમાયોજિત કરીને, આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન વિસ્તારની ડોપિંગ સાંદ્રતા અને ડોપિંગ ઊંડાઈને નિયંત્રિત કરી શકાય છે, આકૃતિ 4. (a) અને (b); આયન ઇમ્પ્લાન્ટર આકૃતિ 4. (c) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ઓપરેશન દરમિયાન વેફર સપાટીને ઘણી વખત સ્કેન કરીને વેફર સપાટી પર સમાન આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન કરે છે.

(c) આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન દરમિયાન આયન ઇમ્પ્લાન્ટરની હિલચાલનો માર્ગ
આકૃતિ 4 આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન પ્રક્રિયા દરમિયાન, આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન ઊર્જા અને માત્રાને સમાયોજિત કરીને અશુદ્ધતાની સાંદ્રતા અને ઊંડાઈને નિયંત્રિત કરવામાં આવે છે.

III

સિલિકોન કાર્બાઇડ આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન માટે સક્રિયકરણ એનિલિંગ પ્રક્રિયા

એકાગ્રતા, વિતરણ ક્ષેત્ર, સક્રિયકરણ દર, શરીરમાં અને આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશનની સપાટી પરની ખામીઓ આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન પ્રક્રિયાના મુખ્ય પરિમાણો છે. આ પરિમાણોના પરિણામોને અસર કરતા ઘણા પરિબળો છે, જેમાં ઇમ્પ્લાન્ટેશન ડોઝ, ઉર્જા, સામગ્રીનું ક્રિસ્ટલ ઓરિએન્ટેશન, ઇમ્પ્લાન્ટેશન તાપમાન, એનેલીંગ ટેમ્પરેચર, એનેલીંગ ટાઇમ, એન્વાયર્નમેન્ટ વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. સિલિકોન આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન ડોપિંગથી વિપરીત, સંપૂર્ણપણે આયનાઇઝ કરવું હજુ પણ મુશ્કેલ છે. આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન ડોપિંગ પછી સિલિકોન કાર્બાઇડની અશુદ્ધિઓ. ઉદાહરણ તરીકે 4H-SiC ના તટસ્થ પ્રદેશમાં એલ્યુમિનિયમ સ્વીકારનાર આયનીકરણ દરને લઈએ તો, 1×1017cm-3 ની ડોપિંગ સાંદ્રતા પર, સ્વીકારનાર આયનીકરણ દર ઓરડાના તાપમાને માત્ર 15% જેટલો હોય છે (સામાન્ય રીતે સિલિકોનનો આયનીકરણ દર આશરે છે. 100%). ઉચ્ચ સક્રિયકરણ દર અને ઓછી ખામીઓનું લક્ષ્ય હાંસલ કરવા માટે, આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન પછી ઉચ્ચ-તાપમાનની એનિલિંગ પ્રક્રિયાનો ઉપયોગ ઇમ્પ્લાન્ટેશન દરમિયાન ઉત્પન્ન થયેલ આકારહીન ખામીઓને પુનઃસ્થાપિત કરવા માટે કરવામાં આવશે, જેથી પ્રત્યારોપણ કરાયેલા અણુ અવેજી સ્થળમાં પ્રવેશ કરે છે અને સક્રિય થાય છે, બતાવ્યા પ્રમાણે આકૃતિ 5 માં. હાલમાં, એનિલિંગ પ્રક્રિયાની પદ્ધતિ વિશે લોકોની સમજ હજુ પણ મર્યાદિત છે. એન્નીલિંગ પ્રક્રિયાનું નિયંત્રણ અને ઊંડાણપૂર્વકની સમજ એ ભવિષ્યમાં આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશનના સંશોધનમાંનું એક છે.

આકૃતિ 5 સિલિકોન કાર્બાઇડ આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન એરિયાની સપાટી પર આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન એનિલીંગ પહેલા અને પછી પરમાણુ ગોઠવણીમાં ફેરફારની યોજનાકીય રેખાકૃતિ, જ્યાં વી._siસિલિકોન ખાલી જગ્યાઓનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, વી_Cકાર્બન ખાલી જગ્યાઓનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, સી_iકાર્બન ફિલિંગ અણુઓ અને Si_iસિલિકોન ફિલિંગ અણુઓનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે

આયન એક્ટિવેશન એનિલિંગમાં સામાન્ય રીતે ફર્નેસ એનિલિંગ, ઝડપી એનિલિંગ અને લેસર એનિલિંગનો સમાવેશ થાય છે. SiC સામગ્રીમાં Si અણુઓના ઉત્કૃષ્ટતાને કારણે, એનિલિંગ તાપમાન સામાન્ય રીતે 1800℃ કરતાં વધી જતું નથી; એન્નીલિંગ વાતાવરણ સામાન્ય રીતે નિષ્ક્રિય ગેસ અથવા શૂન્યાવકાશમાં કરવામાં આવે છે. વિવિધ આયનો SiC માં વિવિધ ખામી કેન્દ્રોનું કારણ બને છે અને તેને અલગ-અલગ એનેલીંગ તાપમાનની જરૂર પડે છે. મોટાભાગના પ્રાયોગિક પરિણામોમાંથી, તે તારણ કાઢી શકાય છે કે એનિલિંગ તાપમાન જેટલું ઊંચું હશે, સક્રિયકરણ દર વધારે છે (આકૃતિ 6 માં બતાવ્યા પ્રમાણે).

આકૃતિ 6 SiC (રૂમના તાપમાને) માં નાઇટ્રોજન અથવા ફોસ્ફરસ ઇમ્પ્લાન્ટેશનના વિદ્યુત સક્રિયકરણ દર પર એન્નીલિંગ તાપમાનની અસર
(કુલ ઇમ્પ્લાન્ટેશન ડોઝ 1×1014cm-2)

(સ્રોત: કિમોટો, કૂપર, સિલિકોન કાર્બાઇડ ટેક્નોલોજીના ફંડામેન્ટલ્સ: ગ્રોથ, કેરેક્ટરાઈઝેશન, ડિવાઈસ અને એપ્લીકેશન્સ)

SiC આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન પછી સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી સક્રિયકરણ એનિલીંગ પ્રક્રિયા 1600℃~1700℃ પર Ar વાતાવરણમાં SiC સપાટીને પુનઃસ્થાપિત કરવા અને ડોપેન્ટને સક્રિય કરવા માટે હાથ ધરવામાં આવે છે, જેનાથી ડોપેડ વિસ્તારની વાહકતામાં સુધારો થાય છે; એન્નીલિંગ પહેલાં, આકૃતિ 7 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, Si ડિસોર્પ્શન અને સપાટીના અણુ સ્થાનાંતરણને કારણે સપાટીના અધોગતિને ઘટાડવા માટે સપાટીના રક્ષણ માટે કાર્બન ફિલ્મના સ્તરને વેફર સપાટી પર કોટ કરી શકાય છે; એનેલીંગ કર્યા પછી, કાર્બન ફિલ્મને ઓક્સિડેશન અથવા કાટ દ્વારા દૂર કરી શકાય છે.

આકૃતિ 7 1800 ℃ એનિલિંગ તાપમાન હેઠળ કાર્બન ફિલ્મ પ્રોટેક્શન સાથે અથવા વગર 4H-SiC વેફરની સપાટીની ખરબચડીની સરખામણી
(સ્રોત: કિમોટો, કૂપર, સિલિકોન કાર્બાઇડ ટેક્નોલોજીના ફંડામેન્ટલ્સ: ગ્રોથ, કેરેક્ટરાઈઝેશન, ડિવાઈસ અને એપ્લીકેશન્સ)

IV

SiC આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન અને એક્ટિવેશન એનિલિંગ પ્રક્રિયાની અસર

આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન અને અનુગામી સક્રિયકરણ એનિલિંગ અનિવાર્યપણે ખામીઓ ઉત્પન્ન કરશે જે ઉપકરણની કામગીરીને ઘટાડે છે: જટિલ બિંદુ ખામી, સ્ટેકીંગ ખામી (આકૃતિ 8 માં બતાવ્યા પ્રમાણે), નવી અવ્યવસ્થા, છીછરા અથવા ઊંડા ઉર્જા સ્તરની ખામી, બેઝલ પ્લેન ડિસલોકેશન લૂપ્સ અને હાલના ડિસલોકેશનની હિલચાલ. ઉચ્ચ-ઊર્જા આયન બોમ્બાર્ડમેન્ટ પ્રક્રિયા SiC વેફર પર તાણ પેદા કરશે, તેથી ઉચ્ચ-તાપમાન અને ઉચ્ચ-ઊર્જા આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન પ્રક્રિયા વેફરના યુદ્ધમાં વધારો કરશે. આ સમસ્યાઓ એવી દિશા પણ બની ગઈ છે કે જેને SiC આયન ઈમ્પ્લાન્ટેશન અને એનેલીંગની ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં તાકીદે ઑપ્ટિમાઇઝ અને અભ્યાસ કરવાની જરૂર છે.

આકૃતિ 8 સામાન્ય 4H-SiC જાળીની ગોઠવણી અને વિવિધ સ્ટેકીંગ ખામી વચ્ચેની સરખામણીનું યોજનાકીય આકૃતિ

(સ્રોત: Nicolὸ Piluso 4H-SiC ખામીઓ)

V.

સિલિકોન કાર્બાઇડ આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન પ્રક્રિયામાં સુધારો

(1) સિલિકોન કાર્બાઇડ એપિટેક્સિયલ સ્તરની સપાટી પર ઉચ્ચ-ઉર્જા આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશનને કારણે ઇમ્પ્લાન્ટેશન નુકસાનની ડિગ્રી ઘટાડવા માટે આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન વિસ્તારની સપાટી પર એક પાતળી ઓક્સાઇડ ફિલ્મ જાળવી રાખવામાં આવે છે, આકૃતિ 9 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. (a) .

(2) આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન સાધનોમાં લક્ષ્ય ડિસ્કની ગુણવત્તામાં સુધારો કરો, જેથી વેફર અને લક્ષ્ય ડિસ્ક વધુ નજીકથી ફિટ થઈ શકે, વેફર માટે લક્ષ્ય ડિસ્કની થર્મલ વાહકતા વધુ સારી છે, અને સાધન વેફરના પાછળના ભાગને ગરમ કરે છે. વધુ સમાનરૂપે, સિલિકોન કાર્બાઇડ વેફર પર ઉચ્ચ-તાપમાન અને ઉચ્ચ-ઊર્જા આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશનની ગુણવત્તામાં સુધારો, આમાં બતાવ્યા પ્રમાણે આકૃતિ 9. (b).

(3) ઉચ્ચ-તાપમાન એન્નીલિંગ સાધનોના સંચાલન દરમિયાન તાપમાનમાં વધારો દર અને તાપમાન એકરૂપતાને ઑપ્ટિમાઇઝ કરો.

આકૃતિ 9 આયન ઇમ્પ્લાન્ટેશન પ્રક્રિયાને સુધારવા માટેની પદ્ધતિઓ