เรื่องเกี่ยวกับการผลิตอุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ (ตอนที่ 2)

การฝังไอออนเป็นวิธีการเพิ่มปริมาณและประเภทของสิ่งเจือปนลงในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์เพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติทางไฟฟ้า สามารถควบคุมปริมาณและการกระจายตัวของสิ่งเจือปนได้อย่างแม่นยำ

ส่วนที่ 1

ทำไมต้องใช้กระบวนการฝังไอออน

ในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลัง การเติม P/N แบบดั้งเดิมเวเฟอร์ซิลิคอนสามารถทำได้โดยการแพร่กระจาย อย่างไรก็ตาม ค่าคงที่การแพร่ของอะตอมเจือปนในซิลิคอนคาร์ไบด์มีค่าต่ำมาก ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้เลยที่จะบรรลุการคัดเลือกยาสลบโดยกระบวนการแพร่ ดังแสดงในรูปที่ 1 ในทางกลับกัน สภาวะอุณหภูมิของการฝังไอออนจะต่ำกว่าเงื่อนไขของกระบวนการแพร่ และการกระจายตัวของยาสลบที่ยืดหยุ่นและแม่นยำยิ่งขึ้นสามารถ ถูกสร้างขึ้น

รูปที่ 1 การเปรียบเทียบเทคโนโลยีการโด๊ปแบบแพร่และการฝังไอออนในวัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์

ส่วนที่ 2

วิธีการบรรลุผลซิลิคอนคาร์ไบด์การฝังไอออน

อุปกรณ์ฝังไอออนพลังงานสูงทั่วไปที่ใช้ในกระบวนการผลิตซิลิคอนคาร์ไบด์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยแหล่งกำเนิดไอออน พลาสมา ส่วนประกอบของการสำลัก แม่เหล็กสำหรับการวิเคราะห์ ลำแสงไอออน หลอดเร่ง ห้องกระบวนการ และดิสก์สแกน ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 แผนผังของอุปกรณ์ปลูกฝังไอออนพลังงานสูงซิลิคอนคาร์ไบด์

(ที่มา: “เทคโนโลยีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์”)

โดยปกติการฝัง SiC ไอออนจะดำเนินการที่อุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถลดความเสียหายที่เกิดกับโครงผลึกที่เกิดจากการทิ้งระเบิดด้วยไอออนได้ สำหรับเวเฟอร์ 4H-SiCการผลิตพื้นที่ประเภท N มักจะทำได้โดยการฝังไนโตรเจนและฟอสฟอรัสไอออน และการผลิตชนิด Pโดยทั่วไปจะทำได้โดยการฝังไอออนของอะลูมิเนียมและไอออนของโบรอน

ตารางที่ 1 ตัวอย่างการเลือกสารต้องห้ามในการผลิตอุปกรณ์ SiC
(ที่มา: Kimoto, Cooper, ความรู้พื้นฐานของเทคโนโลยีซิลิคอนคาร์ไบด์: การเติบโต, การระบุลักษณะเฉพาะ, อุปกรณ์ และการใช้งาน)

รูปที่ 3 การเปรียบเทียบการฝังไอออนพลังงานหลายขั้นตอนและการกระจายความเข้มข้นของสารกระตุ้นพื้นผิวเวเฟอร์

(ที่มา: G.Lulli, การปลูกถ่ายไอออนเบื้องต้น)

เพื่อให้บรรลุความเข้มข้นของสารต้องห้ามที่สม่ำเสมอในพื้นที่การฝังไอออน วิศวกรมักจะใช้การฝังไอออนแบบหลายขั้นตอนเพื่อปรับการกระจายความเข้มข้นโดยรวมของพื้นที่การฝังไอออน (ดังแสดงในรูปที่ 3) ในกระบวนการผลิตจริง โดยการปรับพลังงานการฝังและปริมาณการฝังของเครื่องปลูกฝังไอออน ความเข้มข้นของสารต้องห้ามและความลึกของสารกระตุ้นของพื้นที่การฝังไอออนสามารถควบคุมได้ ดังแสดงในรูปที่ 4 (a) และ (b) เครื่องปลูกฝังไอออนจะทำการฝังไอออนอย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวเวเฟอร์โดยการสแกนพื้นผิวเวเฟอร์หลายครั้งระหว่างการทำงาน ดังแสดงในรูปที่ 4 (c)

(c) วิถีการเคลื่อนที่ของผู้ปลูกฝังไอออนระหว่างการฝังไอออน
รูปที่ 4 ในระหว่างกระบวนการฝังไอออน ความเข้มข้นและความลึกของสิ่งเจือปนจะถูกควบคุมโดยการปรับพลังงานและปริมาณการฝังไอออน

ที่สาม

กระบวนการอบอ่อนการเปิดใช้งานสำหรับการฝังไอออนซิลิคอนคาร์ไบด์

ความเข้มข้น พื้นที่การกระจาย อัตราการกระตุ้น ข้อบกพร่องในร่างกาย และบนพื้นผิวของการปลูกฝังไอออน เป็นตัวแปรหลักของกระบวนการปลูกฝังไอออน มีปัจจัยหลายประการที่ส่งผลต่อผลลัพธ์ของพารามิเตอร์เหล่านี้ รวมถึงปริมาณการฝัง พลังงาน การวางแนวผลึกของวัสดุ อุณหภูมิการฝัง อุณหภูมิการหลอม เวลาการหลอม สภาพแวดล้อม ฯลฯ แตกต่างจากการเติมด้วยซิลิคอนไอออน การเติมไอออนยังคงเป็นเรื่องยากที่จะแตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์ สิ่งเจือปนของซิลิคอนคาร์ไบด์หลังจากการเติมไอออนด้วยสารโด๊ป จากตัวอย่างอัตราการไอออไนเซชันของตัวรับอะลูมิเนียมในบริเวณที่เป็นกลางของ 4H-SiC ที่ความเข้มข้นของสารโด๊ปที่ 1 × 1,017 ซม.-3 อัตราไอออไนเซชันของตัวรับจะอยู่ที่ประมาณ 15% ที่อุณหภูมิห้องเท่านั้น (โดยปกติแล้วอัตราการไอออไนเซชันของซิลิคอนจะอยู่ที่ประมาณ 100%) เพื่อให้บรรลุเป้าหมายของอัตราการกระตุ้นที่สูงและมีข้อบกพร่องน้อยลง กระบวนการอบอ่อนที่อุณหภูมิสูงจะถูกนำมาใช้หลังจากการฝังไอออนเพื่อตกผลึกข้อบกพร่องอสัณฐานที่เกิดขึ้นระหว่างการปลูกถ่าย เพื่อให้อะตอมที่ปลูกฝังเข้าสู่บริเวณการแทนที่และถูกกระตุ้น ดังที่แสดง ในรูปที่ 5 ปัจจุบันความเข้าใจของประชาชนเกี่ยวกับกลไกกระบวนการหลอมยังคงมีจำกัด การควบคุมและความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับกระบวนการหลอมเป็นหนึ่งในการวิจัยที่มุ่งเน้นเรื่องการฝังไอออนในอนาคต

รูปที่ 5 แผนผังของการเปลี่ยนแปลงการจัดเรียงอะตอมบนพื้นผิวของพื้นที่การฝังไอออนซิลิคอนคาร์ไบด์ ก่อนและหลังการหลอมไอออน โดยที่ V_siแสดงถึงตำแหน่งงานว่างของซิลิคอน, V_Cแสดงถึงตำแหน่งงานว่างคาร์บอน C_iหมายถึงอะตอมที่เติมคาร์บอน และ Si_iหมายถึงอะตอมที่เติมซิลิคอน

การหลอมด้วยการกระตุ้นไอออนโดยทั่วไปรวมถึงการหลอมด้วยเตาหลอม การหลอมอย่างรวดเร็ว และการหลอมด้วยเลเซอร์ เนื่องจากการระเหิดของอะตอม Si ในวัสดุ SiC อุณหภูมิการหลอมโดยทั่วไปจะไม่เกิน 1,800 ℃; โดยทั่วไปบรรยากาศการหลอมจะดำเนินการในก๊าซเฉื่อยหรือสุญญากาศ ไอออนที่ต่างกันทำให้เกิดจุดศูนย์กลางข้อบกพร่องที่แตกต่างกันใน SiC และต้องใช้อุณหภูมิการอบอ่อนที่แตกต่างกัน จากผลการทดลองส่วนใหญ่สรุปได้ว่ายิ่งอุณหภูมิการอบอ่อนสูง อัตราการกระตุ้นก็จะยิ่งสูงขึ้น (ดังแสดงในรูปที่ 6)

รูปที่ 6 ผลของอุณหภูมิการหลอมต่ออัตราการกระตุ้นด้วยไฟฟ้าของการฝังไนโตรเจนหรือฟอสฟอรัสใน SiC (ที่อุณหภูมิห้อง)
(ปริมาณการปลูกถ่ายทั้งหมด 1×1,014cm-2)

(ที่มา: Kimoto, Cooper, ความรู้พื้นฐานของเทคโนโลยีซิลิคอนคาร์ไบด์: การเติบโต, การระบุลักษณะเฉพาะ, อุปกรณ์ และการใช้งาน)

กระบวนการเปิดใช้งานการหลอมที่ใช้กันทั่วไปหลังจากการฝัง SiC ไอออนจะดำเนินการในบรรยากาศ Ar ที่อุณหภูมิ 1600 ℃ ~ 1700 ℃ เพื่อตกผลึกพื้นผิว SiC ใหม่และกระตุ้นการทำงานของสารเจือปน ซึ่งจะช่วยปรับปรุงการนำไฟฟ้าของพื้นที่ที่เจือปน ก่อนการหลอม สามารถเคลือบชั้นของฟิล์มคาร์บอนบนพื้นผิวเวเฟอร์เพื่อการปกป้องพื้นผิว เพื่อลดการเสื่อมสภาพของพื้นผิวที่เกิดจากการสลาย Si และการเคลื่อนตัวของอะตอมที่พื้นผิว ดังแสดงในรูปที่ 7 หลังจากการหลอม ฟิล์มคาร์บอนสามารถถูกเอาออกได้โดยการเกิดออกซิเดชันหรือการกัดกร่อน

รูปที่ 7 การเปรียบเทียบความหยาบผิวของเวเฟอร์ 4H-SiC ที่มีหรือไม่มีการป้องกันฟิล์มคาร์บอนภายใต้อุณหภูมิการอบอ่อน 1800°C
(ที่มา: Kimoto, Cooper, ความรู้พื้นฐานของเทคโนโลยีซิลิคอนคาร์ไบด์: การเติบโต, การระบุลักษณะเฉพาะ, อุปกรณ์ และการใช้งาน)

IV

ผลกระทบของการฝัง SiC ไอออนและกระบวนการหลอมกระตุ้น

การฝังไอออนและการหลอมการเปิดใช้งานในภายหลังจะทำให้เกิดข้อบกพร่องที่ลดประสิทธิภาพของอุปกรณ์อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้: ข้อบกพร่องจุดที่ซับซ้อน ข้อผิดพลาดในการซ้อน (ดังแสดงในรูปที่ 8) การเคลื่อนตัวใหม่ ข้อบกพร่องระดับพลังงานตื้นหรือลึก ลูปการเคลื่อนที่ของระนาบฐาน และการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่ที่มีอยู่ เนื่องจากกระบวนการทิ้งระเบิดไอออนพลังงานสูงจะทำให้เกิดความเครียดกับเวเฟอร์ SiC กระบวนการฝังไอออนที่อุณหภูมิสูงและพลังงานสูงจะเพิ่มความบิดเบี้ยวของเวเฟอร์ ปัญหาเหล่านี้ยังกลายเป็นทิศทางที่ต้องปรับปรุงและศึกษาอย่างเร่งด่วนในกระบวนการผลิตของการฝังและการหลอมไอออน SiC

รูปที่ 8 แผนผังของการเปรียบเทียบระหว่างการจัดเรียงโครงตาข่าย 4H-SiC ปกติและข้อบกพร่องในการซ้อนที่แตกต่างกัน

(ที่มา: ข้อบกพร่องของ Nicolὸ Piluso 4H-SiC)

V.

การปรับปรุงกระบวนการฝังไอออนซิลิคอนคาร์ไบด์

(1) ฟิล์มออกไซด์บางๆ ยังคงอยู่บนพื้นผิวของบริเวณการฝังไอออน เพื่อลดระดับความเสียหายของการฝังที่เกิดจากการฝังไอออนพลังงานสูงลงบนพื้นผิวของชั้นเยื่อบุผิวซิลิคอนคาร์ไบด์ ดังแสดงในรูปที่ 9 (ก) .

(2) ปรับปรุงคุณภาพของดิสก์เป้าหมายในอุปกรณ์ฝังไอออน เพื่อให้เวเฟอร์และดิสก์เป้าหมายพอดีมากขึ้น การนำความร้อนของดิสก์เป้าหมายไปยังเวเฟอร์จะดีกว่า และอุปกรณ์จะร้อนที่ด้านหลังของเวเฟอร์ มีความสม่ำเสมอมากขึ้น ปรับปรุงคุณภาพของการฝังไอออนที่มีอุณหภูมิสูงและพลังงานสูงบนเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์ ดังแสดงในรูปที่ 9 (b)

(3) ปรับอัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิและความสม่ำเสมอของอุณหภูมิให้เหมาะสมในระหว่างการทำงานของอุปกรณ์หลอมที่อุณหภูมิสูง

รูปที่ 9 วิธีการปรับปรุงกระบวนการฝังไอออน