ინფორმაცია სილიკონის კარბიდის მოწყობილობების წარმოების შესახებ (ნაწილი 2)

იონის იმპლანტაცია არის ნახევარგამტარ მასალებში გარკვეული რაოდენობის და ტიპის მინარევების დამატების მეთოდი მათი ელექტრული თვისებების შესაცვლელად. მინარევების რაოდენობისა და განაწილების ზუსტად კონტროლი შესაძლებელია.

ნაწილი 1

რატომ გამოვიყენოთ იონის იმპლანტაციის პროცესი?

ელექტრო ნახევარგამტარული მოწყობილობების წარმოებაში, P/N რეგიონის დოპინგი ტრადიციულისილიკონის ვაფლებიმიიღწევა დიფუზიით. თუმცა, მინარევების ატომების დიფუზიის მუდმივისილიციუმის კარბიდიარის უკიდურესად დაბალი, ამიტომ არარეალურია შერჩევითი დოპინგის მიღწევა დიფუზიური პროცესით, როგორც ეს ნაჩვენებია 1-ლ სურათზე. მეორეს მხრივ, იონის იმპლანტაციის ტემპერატურული პირობები უფრო დაბალია, ვიდრე დიფუზიის პროცესისა და უფრო მოქნილი და ზუსტი დოპინგის განაწილება შესაძლებელია. ჩამოყალიბდეს.

სურათი 1 დიფუზიის და იონის იმპლანტაციის დოპინგის ტექნოლოგიების შედარება სილიციუმის კარბიდის მასალებში

ნაწილი 2

როგორ მივაღწიოთსილიციუმის კარბიდიიონის იმპლანტაცია

ტიპიური მაღალი ენერგიის იონური იმპლანტაციის მოწყობილობა, რომელიც გამოიყენება სილიციუმის კარბიდის პროცესის წარმოების პროცესში, ძირითადად შედგება იონის წყაროსგან, პლაზმისგან, ასპირაციის კომპონენტებისგან, ანალიტიკური მაგნიტებისაგან, იონური სხივებისგან, აჩქარების მილებისაგან, პროცესის კამერებისაგან და სკანირების დისკებისგან, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 2.

სურათი 2 სილიციუმის კარბიდის მაღალი ენერგიის იონის იმპლანტაციის მოწყობილობის სქემატური დიაგრამა

(წყარო: „ნახევარგამტარული წარმოების ტექნოლოგია“)

SiC იონის იმპლანტაცია, როგორც წესი, ტარდება მაღალ ტემპერატურაზე, რამაც შეიძლება მინიმუმამდე დაიყვანოს იონის დაბომბვით გამოწვეული კრისტალური მედის დაზიანება. ამისთვის4H-SiC ვაფლიN- ტიპის უბნების გამომუშავება ჩვეულებრივ მიიღწევა აზოტის და ფოსფორის იონების ჩანერგვით და წარმოებით.P-ტიპიტერიტორიები ჩვეულებრივ მიიღწევა ალუმინის იონების და ბორის იონების ჩანერგვით.

ცხრილი 1. შერჩევითი დოპინგის მაგალითი SiC მოწყობილობის წარმოებაში
(წყარო: კიმოტო, კუპერი, სილიკონის კარბიდის ტექნოლოგიის საფუძვლები: ზრდა, დახასიათება, მოწყობილობები და პროგრამები)

სურათი 3 მრავალსაფეხურიანი ენერგიის იონების იმპლანტაციისა და ვაფლის ზედაპირზე დოპინგის კონცენტრაციის განაწილების შედარება

(წყარო: G.Lulli, Introduction To Ion Implantation)

იონის იმპლანტაციის ზონაში დოპინგის ერთიანი კონცენტრაციის მისაღწევად, ინჟინრები ჩვეულებრივ იყენებენ მრავალსაფეხურიან იონურ იმპლანტაციას იმპლანტაციის არეალის საერთო კონცენტრაციის განაწილების დასარეგულირებლად (როგორც ნაჩვენებია სურათზე 3); ფაქტობრივი პროცესის წარმოების პროცესში, იმპლანტაციის ენერგიისა და იონური იმპლანტატორის იმპლანტაციის დოზის კორექტირებით, შესაძლებელია დოპინგის კონცენტრაციისა და იონის იმპლანტაციის არეალის დოპინგის სიღრმის კონტროლი, როგორც ნაჩვენებია 4-ში. (a) და (b); იონური იმპლანტატორი ახორციელებს იონების ერთგვაროვან იმპლანტაციას ვაფლის ზედაპირზე მუშაობის დროს ვაფლის ზედაპირის მრავალჯერ სკანირებით, როგორც ნაჩვენებია 4-ზე. (c).

გ) იონის იმპლანტატორის მოძრაობის ტრაექტორია იონის იმპლანტაციის დროს
სურათი 4 იონის იმპლანტაციის პროცესის დროს, მინარევების კონცენტრაცია და სიღრმე კონტროლდება იონის იმპლანტაციის ენერგიისა და დოზის კორექტირებით

III

გააქტიურების ანეილირების პროცესი სილიციუმის კარბიდის იონის იმპლანტაციისთვის

კონცენტრაცია, განაწილების არეალი, აქტივაციის სიჩქარე, დეფექტები სხეულში და იონის იმპლანტაციის ზედაპირზე არის იონის იმპლანტაციის პროცესის ძირითადი პარამეტრები. არსებობს მრავალი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს ამ პარამეტრების შედეგებზე, მათ შორის იმპლანტაციის დოზა, ენერგია, მასალის კრისტალზე ორიენტაცია, იმპლანტაციის ტემპერატურა, ანეილირების ტემპერატურა, ანეილის დრო, გარემო და ა.შ. სილიციუმის იონის იმპლანტაციის დოპინგისგან განსხვავებით, ჯერ კიდევ რთულია სრული იონიზაცია. სილიციუმის კარბიდის მინარევები იონის იმპლანტაციის დოპინგის შემდეგ. მაგალითად, ალუმინის მიმღების იონიზაციის სიჩქარე 4H-SiC-ის ნეიტრალურ რეგიონში, 1×1017 სმ-3 დოპინგური კონცენტრაციის დროს, მიმღების იონიზაციის სიჩქარე ოთახის ტემპერატურაზე არის მხოლოდ დაახლოებით 15% (ჩვეულებრივ, სილიციუმის იონიზაციის სიჩქარე დაახლოებით 100%). მაღალი აქტივაციის სიჩქარისა და ნაკლები დეფექტების მიზნის მისაღწევად, იონის იმპლანტაციის შემდეგ გამოყენებული იქნება მაღალტემპერატურული ანეილირების პროცესი იმპლანტაციის დროს წარმოქმნილი ამორფული დეფექტების ხელახალი კრისტალიზაციისთვის, რათა იმპლანტირებული ატომები შევიდნენ ჩანაცვლების ადგილზე და გააქტიურდნენ, როგორც ნაჩვენებია. სურათზე 5. დღეისათვის ხალხის გაგება ანეილირების პროცესის მექანიზმის შესახებ ჯერ კიდევ შეზღუდულია. ანეილირების პროცესის კონტროლი და სიღრმისეული გაგება მომავალში იონის იმპლანტაციის ერთ-ერთი კვლევის აქცენტია.

ნახაზი 5 ატომური განლაგების ცვლილების სქემატური დიაგრამა სილიციუმის კარბიდის იონის იმპლანტაციის არეალის ზედაპირზე იონის იმპლანტაციის ადუღებამდე და შემდეგ, სადაც V_siწარმოადგენს სილიკონის ვაკანსიებს, ვ_Cწარმოადგენს ნახშირბადის ვაკანსიებს, C_iწარმოადგენს ნახშირბადის შემავსებელ ატომებს და Si_iწარმოადგენს სილიციუმის შემავსებელ ატომებს

იონური გააქტიურება ჩვეულებრივ მოიცავს ღუმელში, სწრაფ ანლევას და ლაზერულ წებვას. SiC მასალებში Si ატომების სუბლიმაციის გამო, ანეილირების ტემპერატურა ზოგადად არ აღემატება 1800℃; ანეილირების ატმოსფერო, როგორც წესი, ინერტულ აირში ან ვაკუუმში მიმდინარეობს. სხვადასხვა იონები იწვევენ სხვადასხვა დეფექტის ცენტრებს SiC-ში და საჭიროებენ განსხვავებულ ანეილირების ტემპერატურას. უმეტესი ექსპერიმენტული შედეგებიდან შეიძლება დავასკვნათ, რომ რაც უფრო მაღალია დუღილის ტემპერატურა, მით უფრო მაღალია აქტივაციის სიჩქარე (როგორც ნაჩვენებია სურათზე 6).

სურათი 6 ანეილირების ტემპერატურის ეფექტი აზოტის ან ფოსფორის იმპლანტაციის ელექტრო აქტივაციის სიჩქარეზე SiC-ში (ოთახის ტემპერატურაზე)
(საერთო იმპლანტაციის დოზა 1×1014 სმ-2)

(წყარო: კიმოტო, კუპერი, სილიკონის კარბიდის ტექნოლოგიის საფუძვლები: ზრდა, დახასიათება, მოწყობილობები და პროგრამები)

SiC იონის იმპლანტაციის შემდეგ ჩვეულებრივ გამოყენებული აქტივაციის ანეილირების პროცესი ტარდება Ar ატმოსფეროში 1600℃~1700℃ SiC ზედაპირის ხელახლა კრისტალიზებისთვის და დოპანტის გასააქტიურებლად, რითაც გაუმჯობესდება დოპირებული უბნის გამტარობა; დადუღებამდე, ნახშირბადის ფირის ფენა შეიძლება დაიფაროს ვაფლის ზედაპირზე ზედაპირის დაცვის მიზნით, რათა შემცირდეს ზედაპირის დეგრადაცია, რომელიც გამოწვეულია Si დეზორბციით და ზედაპირული ატომური მიგრაციით, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 7; ანეილირების შემდეგ ნახშირბადის ფირის ამოღება შესაძლებელია დაჟანგვის ან კოროზიის გზით.

სურათი 7 4H-SiC ვაფლის ზედაპირის უხეშობის შედარება ნახშირბადის გარსით დაცვით ან მის გარეშე 1800℃ დამუშავების ტემპერატურაზე
(წყარო: კიმოტო, კუპერი, სილიკონის კარბიდის ტექნოლოგიის საფუძვლები: ზრდა, დახასიათება, მოწყობილობები და პროგრამები)

IV

SiC იონის იმპლანტაციისა და აქტივაციის ანეილირების პროცესის გავლენა

იონის იმპლანტაცია და შემდგომი გააქტიურების ანილირება აუცილებლად წარმოშობს დეფექტებს, რომლებიც ამცირებს მოწყობილობის მუშაობას: კომპლექსური წერტილოვანი დეფექტები, დაწყობის ხარვეზები (როგორც ნაჩვენებია სურათზე 8), ახალი დისლოკაციები, ზედაპირული ან ღრმა ენერგიის დონის დეფექტები, ბაზალური სიბრტყის დისლოკაციის მარყუჟები და არსებული დისლოკაციების მოძრაობა. ვინაიდან მაღალი ენერგიის იონური დაბომბვის პროცესი გამოიწვევს სტრესს SiC ვაფლის მიმართ, მაღალი ტემპერატურისა და მაღალი ენერგიის იონის იმპლანტაციის პროცესი გაზრდის ვაფლის დეფორმაციას. ეს პრობლემები ასევე გახდა ის მიმართულება, რომელიც სასწრაფოდ საჭიროებს ოპტიმიზაციას და შესწავლას SiC იონის იმპლანტაციისა და ანილირების წარმოების პროცესში.

ნახაზი 8 ნორმალური 4H-SiC გისოსების განლაგებისა და დაწყობის სხვადასხვა ხარვეზებს შორის შედარების სქემატური დიაგრამა

(წყარო: Nicolὸ Piluso 4H-SiC დეფექტები)

V.

სილიციუმის კარბიდის იონის იმპლანტაციის პროცესის გაუმჯობესება

(1) თხელი ოქსიდის ფილმი ინახება იონის იმპლანტაციის არეალის ზედაპირზე, რათა შემცირდეს იმპლანტაციის დაზიანების ხარისხი, რომელიც გამოწვეულია სილიციუმის კარბიდის ეპიტაქსიალური ფენის ზედაპირზე მაღალი ენერგიის იონის იმპლანტაციის შედეგად, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 9. (a) .

(2) გააუმჯობესეთ სამიზნე დისკის ხარისხი იონის იმპლანტაციის მოწყობილობაში, რათა ვაფლი და სამიზნე დისკი უფრო მჭიდროდ მოერგოს, სამიზნე დისკის თერმული გამტარობა ვაფლთან უკეთესი იყოს და მოწყობილობა ათბობს ვაფლის უკანა მხარეს. უფრო თანაბრად, სილიციუმის კარბიდის ვაფლებზე მაღალტემპერატურული და მაღალი ენერგიის იონების იმპლანტაციის ხარისხის გაუმჯობესება, როგორც ნაჩვენებია სურათზე 9. (ბ).

(3) ტემპერატურის აწევის სიჩქარის და ტემპერატურის ერთგვაროვნების ოპტიმიზაცია მაღალტემპერატურული ანეილირების მოწყობილობის მუშაობის დროს.

სურათი 9 იონის იმპლანტაციის პროცესის გაუმჯობესების მეთოდები