أشياء حول تصنيع أجهزة كربيد السيليكون (الجزء الثاني)

زرع الأيونات هو طريقة لإضافة كمية ونوع معين من الشوائب إلى مواد شبه موصلة لتغيير خصائصها الكهربائية. يمكن التحكم بدقة في كمية وتوزيع الشوائب.

الجزء 1

لماذا استخدام عملية زرع الأيونات

في صناعة أجهزة أشباه موصلات الطاقة، يتم تعاطي المنشطات التقليدية في منطقة P/Nرقائق السيليكونيمكن تحقيقه عن طريق الانتشار. ومع ذلك، فإن ثابت انتشار ذرات الشوائب فيكربيد السيليكونمنخفضة للغاية، لذا فمن غير الواقعي تحقيق المنشطات الانتقائية عن طريق عملية الانتشار، كما هو مبين في الشكل 1. ومن ناحية أخرى، فإن ظروف درجة الحرارة لزرع الأيونات أقل من تلك الخاصة بعملية الانتشار، ويمكن توزيع المنشطات الأكثر مرونة ودقة يتم تشكيلها.

الشكل 1: مقارنة بين تقنيات نشر المنشطات وزرع الأيونات في مواد كربيد السيليكون

الجزء 2

كيفية تحقيقكربيد السيليكونزرع الأيونات

تتكون معدات زرع الأيونات عالية الطاقة النموذجية المستخدمة في عملية تصنيع عملية كربيد السيليكون بشكل أساسي من مصدر أيون، والبلازما، ومكونات الشفط، والمغناطيس التحليلي، والحزم الأيونية، وأنابيب التسريع، وغرف المعالجة، وأقراص المسح، كما هو موضح في الشكل 2.

الشكل 2: رسم تخطيطي لمعدات زرع أيونات كربيد السيليكون عالية الطاقة

(المصدر: "تكنولوجيا تصنيع أشباه الموصلات")

عادةً ما يتم إجراء عملية زرع أيون SiC عند درجة حرارة عالية، مما يمكن أن يقلل من الضرر الذي يلحق بالشبكة البلورية الناتج عن القصف الأيوني. لرقائق 4H-SiCيتم عادة إنتاج مناطق من النوع N عن طريق زرع أيونات النيتروجين والفوسفور وإنتاجهانوع Pوعادة ما يتم تحقيق هذه المناطق عن طريق زرع أيونات الألومنيوم وأيونات البورون.

الجدول 1. مثال على المنشطات الانتقائية في تصنيع الأجهزة كربيد السيليكا
(المصدر: كيموتو، كوبر، أساسيات تكنولوجيا كربيد السيليكون: النمو والتوصيف والأجهزة والتطبيقات)

الشكل 3: مقارنة بين زرع أيونات الطاقة متعددة الخطوات وتوزيع تركيز المنشطات على سطح الرقاقة

(المصدر: ج. لولي، مقدمة لزراعة الأيونات)

من أجل تحقيق تركيز موحد للمنشطات في منطقة زرع الأيونات، عادة ما يستخدم المهندسون زرع الأيونات متعدد الخطوات لضبط توزيع التركيز الإجمالي لمنطقة الزرع (كما هو موضح في الشكل 3)؛ في عملية تصنيع العملية الفعلية، عن طريق ضبط طاقة الزرع وجرعة الزرع لزرع الأيونات، يمكن التحكم في تركيز المنشطات وعمق المنشطات في منطقة زرع الأيونات، كما هو مبين في الشكل 4. (أ) و (ب)؛ يقوم جهاز زرع الأيونات بإجراء عملية زرع أيون موحدة على سطح الرقاقة عن طريق مسح سطح الرقاقة عدة مرات أثناء التشغيل، كما هو مبين في الشكل 4. (ج).

(ج) مسار حركة زرع الأيونات أثناء زرع الأيونات
الشكل 4 أثناء عملية زرع الأيونات، يتم التحكم في تركيز الشوائب وعمقها عن طريق ضبط طاقة وجرعة زرع الأيونات

ثالثا

تفعيل عملية التلدين لزرع أيون كربيد السيليكون

يعد التركيز ومنطقة التوزيع ومعدل التنشيط والعيوب في الجسم وعلى سطح زرع الأيونات من المعالم الرئيسية لعملية زرع الأيونات. هناك العديد من العوامل التي تؤثر على نتائج هذه المعلمات، بما في ذلك جرعة الزرع، والطاقة، والاتجاه البلوري للمادة، ودرجة حرارة الزرع، ودرجة حرارة التلدين، ووقت التلدين، والبيئة، وما إلى ذلك. على عكس منشطات زرع أيون السيليكون، لا يزال من الصعب التأين تمامًا شوائب كربيد السيليكون بعد تطعيم المنشطات الأيونية. بأخذ معدل التأين المستقبل للألمنيوم في المنطقة المحايدة من 4H-SiC كمثال، عند تركيز منشط قدره 1×1017سم-3، يكون معدل التأين المستقبل حوالي 15% فقط في درجة حرارة الغرفة (عادةً ما يكون معدل التأين للسيليكون تقريبًا 100%). ومن أجل تحقيق هدف معدل التنشيط العالي وعيوب أقل، سيتم استخدام عملية التلدين بدرجة حرارة عالية بعد زرع الأيونات لإعادة بلورة العيوب غير المتبلورة المتولدة أثناء الزرع، بحيث تدخل الذرات المزروعة إلى موقع الاستبدال ويتم تنشيطها، كما هو موضح في الشكل 5. في الوقت الحاضر، لا يزال فهم الناس لآلية عملية التلدين محدودًا. يعد التحكم والفهم المتعمق لعملية التلدين أحد مجالات البحث التي تركز على زرع الأيونات في المستقبل.

الشكل 5 رسم تخطيطي لتغيير الترتيب الذري على سطح منطقة زرع أيون كربيد السيليكون قبل وبعد التلدين لزرع الأيونات، حيث V_siيمثل الشواغر السيليكون، V_Cيمثل الشواغر الكربون، C_iيمثل ذرات ملء الكربون، وSi_iيمثل ذرات ملء السيليكون

يشمل التلدين بالتنشيط الأيوني عمومًا التلدين بالفرن والتليين السريع والتليين بالليزر. بسبب تسامي ذرات Si في مواد SiC، فإن درجة حرارة التلدين بشكل عام لا تتجاوز 1800 درجة مئوية؛ يتم تنفيذ جو التلدين بشكل عام في غاز خامل أو فراغ. تسبب الأيونات المختلفة مراكز خلل مختلفة في SiC وتتطلب درجات حرارة تلدين مختلفة. من معظم النتائج التجريبية، يمكن استنتاج أنه كلما ارتفعت درجة حرارة التلدين، زاد معدل التنشيط (كما هو موضح في الشكل 6).

الشكل 6: تأثير درجة حرارة التلدين على معدل التنشيط الكهربائي لزرع النيتروجين أو الفوسفور في SiC (في درجة حرارة الغرفة)
(إجمالي جرعة الزرع 1×1014سم-2)

(المصدر: كيموتو، كوبر، أساسيات تكنولوجيا كربيد السيليكون: النمو والتوصيف والأجهزة والتطبيقات)

يتم إجراء عملية تنشيط التنشيط شائعة الاستخدام بعد زرع أيون SiC في جو Ar عند 1600 درجة مئوية ~ 1700 درجة مئوية لإعادة بلورة سطح SiC وتنشيط المادة المشابهة، وبالتالي تحسين موصلية المنطقة المخدرة؛ قبل الصلب، يمكن طلاء طبقة من فيلم الكربون على سطح الرقاقة لحماية السطح لتقليل تدهور السطح الناجم عن امتزاز Si والهجرة الذرية السطحية، كما هو مبين في الشكل 7؛ بعد التلدين، يمكن إزالة طبقة الكربون عن طريق الأكسدة أو التآكل.

الشكل 7 مقارنة خشونة السطح لرقائق 4H-SiC مع أو بدون حماية فيلم الكربون تحت درجة حرارة التلدين 1800 درجة مئوية
(المصدر: كيموتو، كوبر، أساسيات تكنولوجيا كربيد السيليكون: النمو والتوصيف والأجهزة والتطبيقات)

IV

تأثير عملية زرع أيون SiC وتنشيط عملية التلدين

سيؤدي زرع الأيونات وتليين التنشيط اللاحق إلى إنتاج عيوب تقلل من أداء الجهاز: عيوب النقطة المعقدة، وأخطاء التراص (كما هو موضح في الشكل 8)، والخلع الجديد، وعيوب مستوى الطاقة الضحلة أو العميقة، وحلقات خلع المستوى القاعدي، وحركة الاضطرابات الموجودة. نظرًا لأن عملية القصف الأيوني عالي الطاقة ستسبب ضغطًا على رقاقة SiC، فإن عملية زرع الأيونات ذات درجة الحرارة العالية والطاقة العالية ستزيد من صفحة انحراف الرقاقة. أصبحت هذه المشكلات أيضًا هي الاتجاه الذي يجب تحسينه ودراسته بشكل عاجل في عملية تصنيع وزرع أيونات SiC والتليين.

الشكل 8 رسم تخطيطي للمقارنة بين ترتيب شعرية 4H-SiC العادي وأخطاء التراص المختلفة

(المصدر: عيوب نيكول بيلوسو 4H-SiC)

V.

تحسين عملية زرع أيون كربيد السيليكون

(1) يتم الاحتفاظ بفيلم أكسيد رقيق على سطح منطقة زرع الأيونات لتقليل درجة تلف الزرع الناجم عن زرع الأيونات عالية الطاقة على سطح الطبقة الفوقية من كربيد السيليكون، كما هو مبين في الشكل 9. (أ) .

(2) تحسين جودة القرص المستهدف في معدات زرع الأيونات، بحيث تتناسب الرقاقة والقرص المستهدف بشكل أوثق، وتكون التوصيل الحراري للقرص المستهدف إلى الرقاقة أفضل، وتقوم المعدات بتسخين الجزء الخلفي من الرقاقة بشكل أكثر توحيدًا، تحسين جودة زرع الأيونات ذات درجة الحرارة العالية والطاقة العالية على رقائق كربيد السيليكون، كما هو مبين في الشكل 9. (ب).

(3) تحسين معدل ارتفاع درجة الحرارة وتوحيد درجة الحرارة أثناء تشغيل معدات التلدين ذات درجة الحرارة العالية.

الشكل 9: طرق تحسين عملية زرع الأيونات