आयन इम्प्लांटेशन ही अर्धसंवाहक सामग्रीमध्ये विशिष्ट प्रमाणात आणि प्रकारची अशुद्धता जोडून त्यांचे विद्युत गुणधर्म बदलण्याची पद्धत आहे. अशुद्धतेचे प्रमाण आणि वितरण तंतोतंत नियंत्रित केले जाऊ शकते.
भाग १
आयन रोपण प्रक्रिया का वापरावी
पॉवर सेमीकंडक्टर उपकरणांच्या निर्मितीमध्ये, पारंपारिक पी/एन क्षेत्र डोपिंगसिलिकॉन वेफर्सप्रसार करून साध्य करता येते. तथापि, मध्ये अशुद्धता अणूंचा प्रसार स्थिर आहेसिलिकॉन कार्बाइडअत्यंत कमी आहे, त्यामुळे आकृती 1 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, प्रसार प्रक्रियेद्वारे निवडक डोपिंग प्राप्त करणे अवास्तव आहे. दुसरीकडे, आयन रोपणाची तापमान परिस्थिती प्रसार प्रक्रियेपेक्षा कमी आहे आणि अधिक लवचिक आणि अचूक डोपिंग वितरण करू शकते. तयार करणे.
आकृती 1 सिलिकॉन कार्बाइड सामग्रीमध्ये प्रसार आणि आयन इम्प्लांटेशन डोपिंग तंत्रज्ञानाची तुलना
भाग २
कसे साध्य करायचेसिलिकॉन कार्बाइडआयन रोपण
सिलिकॉन कार्बाइड प्रक्रिया उत्पादन प्रक्रियेत वापरल्या जाणाऱ्या ठराविक उच्च-ऊर्जा आयन इम्प्लांटेशन उपकरणांमध्ये मुख्यतः आयन स्त्रोत, प्लाझ्मा, आकांक्षा घटक, विश्लेषणात्मक चुंबक, आयन बीम, प्रवेग नळ्या, प्रक्रिया कक्ष आणि स्कॅनिंग डिस्क असतात, आकृती2 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे.
आकृती 2 सिलिकॉन कार्बाइड उच्च-ऊर्जा आयन रोपण उपकरणाचे योजनाबद्ध आकृती
(स्रोत: “सेमीकंडक्टर मॅन्युफॅक्चरिंग टेक्नॉलॉजी”)
SiC आयन इम्प्लांटेशन सामान्यतः उच्च तापमानात केले जाते, जे आयन बॉम्बर्डमेंटमुळे क्रिस्टल जाळीचे नुकसान कमी करू शकते. साठी4H-SiC वेफर्स, एन-प्रकार क्षेत्राचे उत्पादन सामान्यतः नायट्रोजन आणि फॉस्फरस आयनांचे रोपण करून आणि उत्पादनाद्वारे प्राप्त केले जाते.पी-प्रकारक्षेत्र सामान्यतः ॲल्युमिनियम आयन आणि बोरॉन आयन रोपण करून साध्य केले जाते.
तक्ता 1. SiC उपकरण निर्मितीमध्ये निवडक डोपिंगचे उदाहरण
(स्रोत: किमोटो, कूपर, सिलिकॉन कार्बाइड तंत्रज्ञानाच्या मूलभूत गोष्टी: वाढ, वैशिष्ट्यीकरण, उपकरणे आणि अनुप्रयोग)
आकृती 3 मल्टी-स्टेप एनर्जी आयन इम्प्लांटेशन आणि वेफर पृष्ठभाग डोपिंग एकाग्रता वितरणाची तुलना
(स्रोत: जी.लुल्ली, आयन इम्प्लांटेशनचा परिचय)
आयन रोपण क्षेत्रामध्ये एकसमान डोपिंग एकाग्रता प्राप्त करण्यासाठी, अभियंते सामान्यतः बहु-चरण आयन इम्प्लांटेशन वापरतात ज्यामुळे इम्प्लांटेशन क्षेत्राच्या एकूण एकाग्रतेचे वितरण समायोजित केले जाते (आकृती 3 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे); वास्तविक प्रक्रिया उत्पादन प्रक्रियेत, आयन इम्प्लांटरची रोपण ऊर्जा आणि रोपण डोस समायोजित करून, आकृती 4 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, आयन रोपण क्षेत्राची डोपिंग एकाग्रता आणि डोपिंग खोली नियंत्रित केली जाऊ शकते. (a) आणि (b); आयन इम्प्लांटर आकृती 4. (c) मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, ऑपरेशन दरम्यान वेफर पृष्ठभाग अनेक वेळा स्कॅन करून वेफर पृष्ठभागावर एकसमान आयन रोपण करतो.
(c) आयन इम्प्लांटेशन दरम्यान आयन इम्प्लांटरच्या हालचालीचा मार्ग
आकृती 4 आयन रोपण प्रक्रियेदरम्यान, आयन रोपण ऊर्जा आणि डोस समायोजित करून अशुद्धता एकाग्रता आणि खोली नियंत्रित केली जाते.
III
सिलिकॉन कार्बाइड आयन इम्प्लांटेशनसाठी ऍनेलिंग प्रक्रिया सक्रिय करणे
एकाग्रता, वितरण क्षेत्र, सक्रियता दर, शरीरातील दोष आणि आयन इम्प्लांटेशनच्या पृष्ठभागावरील दोष हे आयन रोपण प्रक्रियेचे मुख्य मापदंड आहेत. या पॅरामीटर्सच्या परिणामांवर परिणाम करणारे अनेक घटक आहेत, ज्यामध्ये रोपण डोस, ऊर्जा, सामग्रीचे क्रिस्टल अभिमुखता, इम्प्लांटेशन तापमान, एनीलिंग तापमान, एनीलिंग वेळ, पर्यावरण इ. सिलिकॉन आयन इम्प्लांटेशन डोपिंगच्या विपरीत, पूर्णपणे आयनीकरण करणे अद्याप कठीण आहे. आयन इम्प्लांटेशन डोपिंग नंतर सिलिकॉन कार्बाइडची अशुद्धता. उदाहरण म्हणून 4H-SiC च्या तटस्थ प्रदेशात ॲल्युमिनियम स्वीकारणारा आयनीकरण दर 1×1017cm-3 च्या डोपिंग एकाग्रतेवर, स्वीकारकर्ता आयनीकरण दर खोलीच्या तपमानावर फक्त 15% असतो (सामान्यतः सिलिकॉनचे आयनीकरण दर अंदाजे असते. 100%). उच्च सक्रियता दर आणि कमी दोषांचे उद्दिष्ट साध्य करण्यासाठी, आयन रोपणानंतर उच्च-तापमान ॲनिलिंग प्रक्रियेचा वापर केला जाईल ज्यामुळे इम्प्लांटेशन दरम्यान निर्माण झालेल्या आकारहीन दोषांची पुनर्स्थापना केली जाईल, जेणेकरुन प्रत्यारोपित अणू प्रतिस्थापनाच्या ठिकाणी प्रवेश करतात आणि सक्रिय होतात, जसे दाखवले आहे. आकृती 5 मध्ये. सध्या, एनीलिंग प्रक्रियेच्या यंत्रणेबद्दल लोकांची समज अजूनही मर्यादित आहे. एनीलिंग प्रक्रियेचे नियंत्रण आणि सखोल आकलन हे भविष्यात आयन रोपण करण्याच्या संशोधनाच्या केंद्रस्थानांपैकी एक आहे.
आकृती 5 सिलिकॉन कार्बाइड आयन इम्प्लांटेशन एरियाच्या पृष्ठभागावरील अणु व्यवस्थेतील बदलाचे योजनाबद्ध आकृती आयन इम्प्लांटेशन एनीलिंगच्या आधी आणि नंतर, जेथे व्ही.siसिलिकॉन रिक्त पदांचे प्रतिनिधित्व करते, व्हीCकार्बन रिक्त पदांचे प्रतिनिधित्व करते, सीiकार्बन फिलिंग अणूंचे प्रतिनिधित्व करते आणि Siiसिलिकॉन फिलिंग अणूंचे प्रतिनिधित्व करते
आयन ॲक्टिव्हेशन ॲनिलिंगमध्ये सामान्यत: फर्नेस ॲनिलिंग, रॅपिड ॲनिलिंग आणि लेझर ॲनिलिंगचा समावेश होतो. SiC मटेरियलमधील Si अणूंच्या उदात्तीकरणामुळे, ॲनिलिंग तापमान साधारणपणे 1800℃ पेक्षा जास्त नसते; एनीलिंग वातावरण सामान्यतः अक्रिय वायू किंवा व्हॅक्यूममध्ये चालते. वेगवेगळ्या आयनांमुळे SiC मध्ये वेगवेगळे दोष केंद्रे निर्माण होतात आणि त्यांना वेगवेगळ्या ॲनिलिंग तापमानाची आवश्यकता असते. बहुतेक प्रायोगिक परिणामांवरून, असा निष्कर्ष काढला जाऊ शकतो की ॲनिलिंग तापमान जितके जास्त असेल तितके सक्रियकरण दर जास्त असेल (आकृती 6 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे).
आकृती 6 SiC (खोलीच्या तपमानावर) नायट्रोजन किंवा फॉस्फरस इम्प्लांटेशनच्या विद्युत सक्रियतेच्या दरावर ॲनिलिंग तापमानाचा प्रभाव
(एकूण रोपण डोस 1×1014cm-2)
(स्रोत: किमोटो, कूपर, सिलिकॉन कार्बाइड तंत्रज्ञानाच्या मूलभूत गोष्टी: वाढ, वैशिष्ट्यीकरण, उपकरणे आणि अनुप्रयोग)
SiC आयन इम्प्लांटेशन नंतर सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या ऍक्टिव्हेशन ॲनिलिंग प्रक्रिया 1600℃~1700℃ वर Ar वातावरणात SiC पृष्ठभागावर पुनर्संचयित करण्यासाठी आणि डोपंट सक्रिय करण्यासाठी केली जाते, ज्यामुळे डोप केलेल्या क्षेत्राची चालकता सुधारते; ॲनिलिंग करण्यापूर्वी, आकृती 7 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, Si desorption आणि पृष्ठभागाच्या अणू स्थलांतरामुळे होणारी पृष्ठभागाची झीज कमी करण्यासाठी पृष्ठभागाच्या संरक्षणासाठी कार्बन फिल्मचा थर वेफरच्या पृष्ठभागावर लेपित केला जाऊ शकतो; एनीलिंग केल्यानंतर, कार्बन फिल्म ऑक्सिडेशन किंवा गंज द्वारे काढली जाऊ शकते.
आकृती 7 4H-SiC वेफर्सच्या पृष्ठभागाच्या खडबडीतपणाची तुलना 1800 ℃ एनीलिंग तापमानात कार्बन फिल्म संरक्षणासह किंवा त्याशिवाय
(स्रोत: किमोटो, कूपर, सिलिकॉन कार्बाइड तंत्रज्ञानाच्या मूलभूत गोष्टी: वाढ, वैशिष्ट्यीकरण, उपकरणे आणि अनुप्रयोग)
IV
SiC आयन इम्प्लांटेशन आणि ॲक्टिव्हेशन ॲनिलिंग प्रक्रियेचा प्रभाव
आयन इम्प्लांटेशन आणि त्यानंतरच्या ऍक्टिव्हेशन ऍनिलिंगमुळे अपरिहार्यपणे दोष निर्माण होतील ज्यामुळे उपकरणाची कार्यक्षमता कमी होते: जटिल बिंदू दोष, स्टॅकिंग दोष (आकृती 8 मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे), नवीन विघटन, उथळ किंवा खोल ऊर्जा पातळी दोष, बेसल प्लेन डिस्लोकेशन लूप आणि विद्यमान विस्थापनांची हालचाल. उच्च-ऊर्जा आयन बॉम्बर्डमेंट प्रक्रियेमुळे SiC वेफरवर ताण पडेल, उच्च-तापमान आणि उच्च-ऊर्जा आयन इम्प्लांटेशन प्रक्रियेमुळे वेफर वॉरपेज वाढेल. SiC आयन इम्प्लांटेशन आणि एनीलिंगच्या उत्पादन प्रक्रियेत तातडीने अनुकूल आणि अभ्यास करणे आवश्यक असलेल्या या समस्या देखील दिशा बनल्या आहेत.
आकृती 8 सामान्य 4H-SiC जाळी व्यवस्था आणि भिन्न स्टॅकिंग दोष यांच्यातील तुलनाचे योजनाबद्ध आकृती
(स्रोत: Nicolὸ Piluso 4H-SiC दोष)
V.
सिलिकॉन कार्बाइड आयन रोपण प्रक्रियेत सुधारणा
(1) आकृती 9 मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, सिलिकॉन कार्बाइड एपिटॅक्सियल लेयरच्या पृष्ठभागावर उच्च-ऊर्जा आयन इम्प्लांटेशनमुळे इम्प्लांटेशनचे नुकसान कमी करण्यासाठी आयन इम्प्लांटेशन क्षेत्राच्या पृष्ठभागावर एक पातळ ऑक्साईड फिल्म ठेवली जाते. (अ) .
(२) आयन इम्प्लांटेशन उपकरणांमध्ये लक्ष्य डिस्कची गुणवत्ता सुधारा, जेणेकरून वेफर आणि लक्ष्य डिस्क अधिक जवळ बसतील, वेफरसाठी लक्ष्य डिस्कची थर्मल चालकता अधिक चांगली असेल आणि उपकरणे वेफरच्या मागील भागाला गरम करतात. सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्सवर उच्च-तापमान आणि उच्च-ऊर्जा आयन इम्प्लांटेशनची गुणवत्ता सुधारणे, जसे मध्ये दाखवले आहे. आकृती 9. (ब).
(3) उच्च-तापमान ॲनिलिंग उपकरणांच्या ऑपरेशन दरम्यान तापमान वाढीचा दर आणि तापमान एकसमानता अनुकूल करा.
आकृती 9 आयन रोपण प्रक्रिया सुधारण्यासाठी पद्धती
पोस्ट वेळ: ऑक्टोबर-२२-२०२४