आयन प्रत्यारोपण उनके विद्युत गुणों को बदलने के लिए अर्धचालक सामग्रियों में एक निश्चित मात्रा और प्रकार की अशुद्धियों को जोड़ने की एक विधि है। अशुद्धियों की मात्रा और वितरण को सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है।
भाग ---- पहला
आयन आरोपण प्रक्रिया का उपयोग क्यों करें?
पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों के निर्माण में, पारंपरिक का पी/एन क्षेत्र डोपिंगसिलिकॉन वेफ़र्सप्रसार द्वारा प्राप्त किया जा सकता है। हालाँकि, अशुद्धता परमाणुओं का प्रसार स्थिरांकसिलिकन कार्बाइडअत्यंत कम है, इसलिए प्रसार प्रक्रिया द्वारा चयनात्मक डोपिंग प्राप्त करना अवास्तविक है, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है। दूसरी ओर, आयन आरोपण की तापमान स्थिति प्रसार प्रक्रिया की तुलना में कम है, और अधिक लचीला और सटीक डोपिंग वितरण हो सकता है गठित हो.
चित्र 1 सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री में प्रसार और आयन प्रत्यारोपण डोपिंग प्रौद्योगिकियों की तुलना
भाग 2
कैसे हासिल करेंसिलिकन कार्बाइडआयन आरोपण
सिलिकॉन कार्बाइड प्रक्रिया निर्माण प्रक्रिया में उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट उच्च-ऊर्जा आयन आरोपण उपकरण में मुख्य रूप से एक आयन स्रोत, प्लाज्मा, एस्पिरेशन घटक, विश्लेषणात्मक चुंबक, आयन बीम, त्वरण ट्यूब, प्रक्रिया कक्ष और स्कैनिंग डिस्क शामिल होते हैं, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है।
चित्र 2 सिलिकॉन कार्बाइड उच्च-ऊर्जा आयन आरोपण उपकरण का योजनाबद्ध आरेख
(स्रोत: "सेमीकंडक्टर विनिर्माण प्रौद्योगिकी")
SiC आयन आरोपण आमतौर पर उच्च तापमान पर किया जाता है, जो आयन बमबारी के कारण क्रिस्टल जाली को होने वाले नुकसान को कम कर सकता है। के लिए4H-SiC वेफर्सएन-प्रकार के क्षेत्रों का उत्पादन आमतौर पर नाइट्रोजन और फास्फोरस आयनों के प्रत्यारोपण और उत्पादन द्वारा प्राप्त किया जाता हैपी-प्रकारक्षेत्र आमतौर पर एल्यूमीनियम आयनों और बोरॉन आयनों को प्रत्यारोपित करके प्राप्त किया जाता है।
तालिका 1. SiC उपकरण निर्माण में चयनात्मक डोपिंग का उदाहरण
(स्रोत: किमोटो, कूपर, सिलिकॉन कार्बाइड प्रौद्योगिकी के बुनियादी सिद्धांत: विकास, लक्षण वर्णन, उपकरण और अनुप्रयोग)
चित्र 3 बहु-चरण ऊर्जा आयन आरोपण और वेफर सतह डोपिंग एकाग्रता वितरण की तुलना
(स्रोत: जी.लुली, आयन प्रत्यारोपण का परिचय)
आयन इम्प्लांटेशन क्षेत्र में एक समान डोपिंग एकाग्रता प्राप्त करने के लिए, इंजीनियर आमतौर पर इम्प्लांटेशन क्षेत्र के समग्र एकाग्रता वितरण को समायोजित करने के लिए मल्टी-स्टेप आयन इम्प्लांटेशन का उपयोग करते हैं (जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है); वास्तविक प्रक्रिया निर्माण प्रक्रिया में, आयन इम्प्लांटर की इम्प्लांटेशन ऊर्जा और इम्प्लांटेशन खुराक को समायोजित करके, आयन इम्प्लांटेशन क्षेत्र की डोपिंग एकाग्रता और डोपिंग गहराई को नियंत्रित किया जा सकता है, जैसा कि चित्र 4. (ए) और (बी) में दिखाया गया है; आयन इम्प्लांटर ऑपरेशन के दौरान वेफर सतह को कई बार स्कैन करके वेफर सतह पर एकसमान आयन इम्प्लांटेशन करता है, जैसा कि चित्र 4. (सी) में दिखाया गया है।
(सी) आयन प्रत्यारोपण के दौरान आयन प्रत्यारोपण का आंदोलन प्रक्षेपवक्र
चित्र 4 आयन प्रत्यारोपण प्रक्रिया के दौरान, आयन आरोपण ऊर्जा और खुराक को समायोजित करके अशुद्धता एकाग्रता और गहराई को नियंत्रित किया जाता है
तृतीय
सिलिकॉन कार्बाइड आयन आरोपण के लिए सक्रियण एनीलिंग प्रक्रिया
सांद्रता, वितरण क्षेत्र, सक्रियण दर, शरीर में दोष और आयन आरोपण की सतह पर आयन आरोपण प्रक्रिया के मुख्य पैरामीटर हैं। ऐसे कई कारक हैं जो इन मापदंडों के परिणामों को प्रभावित करते हैं, जिनमें आरोपण खुराक, ऊर्जा, सामग्री का क्रिस्टल अभिविन्यास, आरोपण तापमान, एनीलिंग तापमान, एनीलिंग समय, पर्यावरण आदि शामिल हैं। सिलिकॉन आयन आरोपण डोपिंग के विपरीत, इसे पूरी तरह से आयनित करना अभी भी मुश्किल है। आयन आरोपण डोपिंग के बाद सिलिकॉन कार्बाइड की अशुद्धियाँ। एक उदाहरण के रूप में 4H-SiC के तटस्थ क्षेत्र में एल्यूमीनियम स्वीकर्ता आयनीकरण दर लेते हुए, 1×1017 सेमी-3 की डोपिंग सांद्रता पर, स्वीकर्ता आयनीकरण दर कमरे के तापमान पर केवल 15% है (आमतौर पर सिलिकॉन की आयनीकरण दर लगभग होती है) 100%). उच्च सक्रियण दर और कम दोषों के लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए, आरोपण के दौरान उत्पन्न अनाकार दोषों को पुन: क्रिस्टलीकृत करने के लिए आयन आरोपण के बाद एक उच्च तापमान एनीलिंग प्रक्रिया का उपयोग किया जाएगा, ताकि प्रत्यारोपित परमाणु प्रतिस्थापन स्थल में प्रवेश करें और सक्रिय हो जाएं, जैसा कि दिखाया गया है चित्र 5 में। वर्तमान में, एनीलिंग प्रक्रिया के तंत्र के बारे में लोगों की समझ अभी भी सीमित है। एनीलिंग प्रक्रिया का नियंत्रण और गहन समझ भविष्य में आयन प्रत्यारोपण के अनुसंधान फोकस में से एक है।
चित्र 5 आयन इम्प्लांटेशन एनीलिंग से पहले और बाद में सिलिकॉन कार्बाइड आयन इम्प्लांटेशन क्षेत्र की सतह पर परमाणु व्यवस्था परिवर्तन का योजनाबद्ध आरेख, जहां वीsiसिलिकॉन रिक्तियों का प्रतिनिधित्व करता है, वीCकार्बन रिक्तियों का प्रतिनिधित्व करता है, सीiकार्बन भरने वाले परमाणुओं और सी का प्रतिनिधित्व करता हैiसिलिकॉन भरने वाले परमाणुओं का प्रतिनिधित्व करता है
आयन सक्रियण एनीलिंग में आम तौर पर भट्टी एनीलिंग, रैपिड एनीलिंग और लेजर एनीलिंग शामिल होती है। SiC सामग्रियों में Si परमाणुओं के ऊर्ध्वपातन के कारण, एनीलिंग तापमान आम तौर पर 1800 ℃ से अधिक नहीं होता है; एनीलिंग वातावरण आम तौर पर एक अक्रिय गैस या वैक्यूम में किया जाता है। विभिन्न आयन SiC में विभिन्न दोष केंद्रों का कारण बनते हैं और अलग-अलग एनीलिंग तापमान की आवश्यकता होती है। अधिकांश प्रायोगिक परिणामों से, यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि एनीलिंग तापमान जितना अधिक होगा, सक्रियण दर उतनी ही अधिक होगी (जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है)।
चित्र 6 SiC (कमरे के तापमान पर) में नाइट्रोजन या फास्फोरस आरोपण की विद्युत सक्रियण दर पर एनीलिंग तापमान का प्रभाव
(कुल प्रत्यारोपण खुराक 1×1014सेमी-2)
(स्रोत: किमोटो, कूपर, सिलिकॉन कार्बाइड प्रौद्योगिकी के बुनियादी सिद्धांत: विकास, लक्षण वर्णन, उपकरण और अनुप्रयोग)
SiC आयन आरोपण के बाद आमतौर पर उपयोग की जाने वाली सक्रियण एनीलिंग प्रक्रिया SiC सतह को पुन: क्रिस्टलीकृत करने और डोपेंट को सक्रिय करने के लिए 1600 ℃ ~ 1700 ℃ पर Ar वातावरण में की जाती है, जिससे डोप किए गए क्षेत्र की चालकता में सुधार होता है; एनीलिंग से पहले, सतह की सुरक्षा के लिए कार्बन फिल्म की एक परत को वेफर सतह पर लेपित किया जा सकता है ताकि सी डीज़ॉर्प्शन और सतह परमाणु प्रवासन के कारण होने वाली सतह की गिरावट को कम किया जा सके, जैसा कि चित्र 7 में दिखाया गया है; एनीलिंग के बाद, कार्बन फिल्म को ऑक्सीकरण या संक्षारण द्वारा हटाया जा सकता है।
चित्र 7 1800℃ एनीलिंग तापमान के तहत कार्बन फिल्म संरक्षण के साथ या उसके बिना 4एच-एसआईसी वेफर्स की सतह खुरदरापन की तुलना
(स्रोत: किमोटो, कूपर, सिलिकॉन कार्बाइड प्रौद्योगिकी के बुनियादी सिद्धांत: विकास, लक्षण वर्णन, उपकरण और अनुप्रयोग)
IV
SiC आयन आरोपण और सक्रियण एनीलिंग प्रक्रिया का प्रभाव
आयन आरोपण और बाद में सक्रियण एनीलिंग अनिवार्य रूप से ऐसे दोष उत्पन्न करेगा जो डिवाइस के प्रदर्शन को कम करते हैं: जटिल बिंदु दोष, स्टैकिंग दोष (जैसा कि चित्र 8 में दिखाया गया है), नए अव्यवस्थाएं, उथले या गहरे ऊर्जा स्तर के दोष, बेसल विमान अव्यवस्था लूप और मौजूदा अव्यवस्थाओं की गति। चूंकि उच्च-ऊर्जा आयन बमबारी प्रक्रिया SiC वेफर पर तनाव पैदा करेगी, उच्च तापमान और उच्च-ऊर्जा आयन आरोपण प्रक्रिया वेफर वॉरपेज को बढ़ाएगी। ये समस्याएं भी वह दिशा बन गई हैं जिन्हें SiC आयन प्रत्यारोपण और एनीलिंग की विनिर्माण प्रक्रिया में तत्काल अनुकूलित और अध्ययन करने की आवश्यकता है।
चित्र 8 सामान्य 4H-SiC जाली व्यवस्था और विभिन्न स्टैकिंग दोषों के बीच तुलना का योजनाबद्ध आरेख
(स्रोत: निकोलो पिलुसो 4H-SiC दोष)
V.
सिलिकॉन कार्बाइड आयन आरोपण प्रक्रिया में सुधार
(1) सिलिकॉन कार्बाइड एपिटैक्सियल परत की सतह पर उच्च-ऊर्जा आयन आरोपण के कारण होने वाले आरोपण क्षति की डिग्री को कम करने के लिए आयन आरोपण क्षेत्र की सतह पर एक पतली ऑक्साइड फिल्म बरकरार रखी जाती है, जैसा कि चित्र 9 में दिखाया गया है। (ए) .
(2) आयन इम्प्लांटेशन उपकरण में लक्ष्य डिस्क की गुणवत्ता में सुधार करें, ताकि वेफर और लक्ष्य डिस्क अधिक निकटता से फिट हों, वेफर के लिए लक्ष्य डिस्क की तापीय चालकता बेहतर हो, और उपकरण वेफर के पिछले हिस्से को गर्म करे अधिक समान रूप से, सिलिकॉन कार्बाइड वेफर्स पर उच्च तापमान और उच्च ऊर्जा आयन आरोपण की गुणवत्ता में सुधार, जैसा कि चित्र 9 में दिखाया गया है। (बी)।
(3) उच्च तापमान एनीलिंग उपकरण के संचालन के दौरान तापमान वृद्धि दर और तापमान एकरूपता को अनुकूलित करें।
चित्र 9 आयन आरोपण प्रक्रिया में सुधार के तरीके
पोस्ट करने का समय: 22 अक्टूबर-2024