דברים על ייצור מכשירי סיליקון קרביד (חלק 2)

השתלת יונים היא שיטה להוספת כמות וסוג מסוים של זיהומים לחומרים מוליכים למחצה כדי לשנות את התכונות החשמליות שלהם. ניתן לשלוט במדויק על כמות וחלוקת הזיהומים.

חלק 1

למה להשתמש בתהליך השתלת יונים

בייצור של התקני מוליכים למחצה כוח, אזור P/N סימום של מסורתיפרוסות סיליקוןניתן להשיג על ידי דיפוזיה. עם זאת, קבוע הדיפוזיה של אטומי הטומאה בסיליקון קרבידהוא נמוך ביותר, ולכן זה לא מציאותי להשיג סימום סלקטיבי על ידי תהליך דיפוזיה, כפי שמוצג באיור 1. מצד שני, תנאי הטמפרטורה של השתלת יונים נמוכים מאלו של תהליך הדיפוזיה, וחלוקת סימום גמישה ומדויקת יותר יכולה לְהִתְרַקֵם.

איור 1 השוואה בין טכנולוגיות סימום דיפוזיה והשתלת יונים בחומרי סיליקון קרביד

חלק 2

איך להשיגסיליקון קרבידהשתלת יונים

ציוד השתלת יונים באנרגיה גבוהה המשמש בתהליך ייצור תהליך סיליקון קרביד מורכב בעיקר ממקור יונים, פלזמה, רכיבי שאיפה, מגנטים אנליטיים, אלומות יונים, צינורות האצה, תאי תהליך ודיסקיות סריקה, כפי שמוצג באיור 2.

איור 2 תרשים סכמטי של ציוד השתלת יונים באנרגיה גבוהה של סיליקון קרביד

(מקור: "טכנולוגיית ייצור מוליכים למחצה")

השתלת יונים של SiC מבוצעת בדרך כלל בטמפרטורה גבוהה, מה שיכול למזער את הנזק לסריג הגביש הנגרם מהפצצת יונים. עֲבוּרפרוסות 4H-SiC, ייצור אזורים מסוג N מושג בדרך כלל על ידי השתלת יוני חנקן וזרחן, וייצור שלסוג Pאזורים מושגים בדרך כלל על ידי השתלת יוני אלומיניום ויוני בורון.

טבלה 1. דוגמה לסימום סלקטיבי בייצור מכשירי SiC
(מקור: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)

איור 3 השוואה בין השתלת יונים באנרגיה מרובת שלבים וחלוקת ריכוזי סימום משטח פרוסות

(מקור: G.Lulli, מבוא להשתלת יונים)

על מנת להשיג ריכוז סימום אחיד באזור השתלת היונים, מהנדסים משתמשים בדרך כלל בהשתלת יונים רב-שלבית כדי להתאים את התפלגות הריכוז הכוללת של אזור ההשתלה (כמתואר באיור 3); בתהליך הייצור בפועל, על ידי התאמת אנרגיית ההשתלה ומינון ההשתלה של משתיל היונים, ניתן לשלוט בריכוז הסימום ועומק הסימום של אזור השתלת היונים, כפי שמוצג באיור 4. (א) ו-(ב); משתיל היונים מבצע השתלת יונים אחידה על משטח הפרוסה על ידי סריקת משטח הפרוסה מספר פעמים במהלך הפעולה, כפי שמוצג באיור 4. (ג).

(ג) מסלול תנועה של משתיל היונים במהלך השתלת יונים
איור 4 במהלך תהליך השתלת היונים, ריכוז ועומק הטומאה נשלטים על ידי התאמת אנרגיית השתלת היונים והמינון

III

תהליך חישול הפעלה להשתלת יוני סיליקון קרביד

הריכוז, אזור הפיזור, קצב ההפעלה, פגמים בגוף ועל פני השתלת היונים הם הפרמטרים העיקריים של תהליך השתלת היונים. ישנם גורמים רבים המשפיעים על התוצאות של פרמטרים אלו, כולל מינון ההשתלה, אנרגיה, כיוון הגביש של החומר, טמפרטורת ההשתלה, טמפרטורת החישול, זמן החישול, הסביבה וכו'. בניגוד לסימום השתלת יוני סיליקון, עדיין קשה ליינן לחלוטין הזיהומים של סיליקון קרביד לאחר סימום השתלת יונים. אם לוקחים לדוגמא את קצב היינון של מקבל האלומיניום באזור הנייטרלי של 4H-SiC, בריכוז סימום של 1×1017cm-3, קצב היינון המקבל הוא רק כ-15% בטמפרטורת החדר (בדרך כלל קצב היינון של סיליקון הוא בערך 100%). על מנת להשיג את המטרה של קצב הפעלה גבוה ופחות פגמים, לאחר השתלת יונים ייעשה שימוש בתהליך חישול בטמפרטורה גבוהה כדי לגבש מחדש את הפגמים האמורפיים שנוצרו במהלך ההשתלה, כך שהאטומים המושתלים ייכנסו לאתר ההחלפה ויופעלו, כפי שמוצג. באיור 5. נכון לעכשיו, ההבנה של אנשים לגבי מנגנון תהליך החישול עדיין מוגבלת. שליטה והבנה מעמיקה של תהליך החישול היא אחד ממוקדי המחקר של השתלת יונים בעתיד.

איור 5 תרשים סכמטי של שינוי הסידור האטומי על פני שטח השתלת יוני סיליקון קרביד לפני ואחרי חישול השתלת יונים, כאשר V_siמייצג משרות סיליקון פנויות, V_Cמייצג משרות פחמן פנויות, C_iמייצג אטומי מילוי פחמן, ו-Si_iמייצג אטומים ממלאי סיליקון

חישול הפעלת יונים כולל בדרך כלל חישול תנור, חישול מהיר וחישול לייזר. בשל סובלימציה של אטומי Si בחומרי SiC, טמפרטורת החישול בדרך כלל אינה עולה על 1800℃; אטמוספרת החישול מתבצעת בדרך כלל בגז אינרטי או בוואקום. יונים שונים גורמים למרכזי פגמים שונים ב-SiC ודורשים טמפרטורות חישול שונות. מרוב תוצאות הניסוי, ניתן להסיק שככל שטמפרטורת החישול גבוהה יותר, כך קצב ההפעלה גבוה יותר (כמתואר באיור 6).

איור 6 השפעת טמפרטורת חישול על קצב ההפעלה החשמלית של השתלת חנקן או זרחן ב-SiC (בטמפרטורת החדר)
(מינון השתלה כולל 1×1014 ס"מ-2)

(מקור: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)

תהליך חישול ההפעלה הנפוץ לאחר השתלת יון SiC מתבצע באווירת Ar בטמפרטורה של 1600 ℃ ~ 1700 ℃ כדי לגבש מחדש את פני ה- SiC ולהפעיל את הדונט, ובכך לשפר את המוליכות של האזור המסומם; לפני החישול, ניתן לצפות שכבה של סרט פחמן על משטח הפרוסה להגנה על פני השטח כדי להפחית את השפלת פני השטח הנגרמת על ידי ספיגה של Si ונדידה אטומית פני השטח, כפי שמוצג באיור 7; לאחר חישול, ניתן להסיר את סרט הפחמן על ידי חמצון או קורוזיה.

איור 7 השוואה של חספוס פני השטח של פרוסות 4H-SiC עם או בלי הגנת סרט פחמן מתחת לטמפרטורת חישול של 1800℃
(מקור: Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications)

IV

ההשפעה של השתלת יוני SiC ותהליך חישול הפעלה

השתלת יונים וחישול הפעלה לאחר מכן יפיקו בהכרח פגמים המפחיתים את ביצועי המכשיר: פגמים נקודתיים מורכבים, תקלות הערמה (כמתואר באיור 8), נקעים חדשים, פגמים ברמת אנרגיה רדודה או עמוקה, לולאות נקע במישור הבסיסי ותנועה של נקעים קיימים. מכיוון שתהליך הפצצת יונים באנרגיה גבוהה יגרום ללחץ על פרוסת ה-SiC, תהליך השתלת היונים בטמפרטורה גבוהה ובאנרגיה גבוהה יגביר את עיוות הפרוסות. בעיות אלו הפכו גם לכיוון שצריך בדחיפות לייעל ולחקור בתהליך הייצור של השתלת וחישול יוני SiC.

איור 8 תרשים סכמטי של ההשוואה בין סידור סריג 4H-SiC רגיל לבין תקלות ערימה שונות

(מקור: Nicolὸ Piluso 4H-SiC Defects)

V.

שיפור תהליך השתלת יוני סיליקון קרביד

(1) סרט תחמוצת דק נשמר על פני שטח השתלת היונים כדי להפחית את מידת נזק ההשתלה הנגרם על ידי השתלת יונים באנרגיה גבוהה על פני השכבה האפיטקסיאלית של סיליקון קרביד, כפי שמוצג באיור 9. (א) .

(2) שפר את איכות דיסק המטרה בציוד השתלת יונים, כך שהוואפר ודיסקת המטרה יתאימו יותר, המוליכות התרמית של דיסק המטרה לפרוסה טובה יותר, והציוד מחמם את החלק האחורי של הפרוסה באופן אחיד יותר, שיפור איכות השתלת יונים בטמפרטורה גבוהה ובאנרגיה גבוהה על פרוסות סיליקון קרביד, כפי שמוצג באיור 9. (ב).

(3) ייעל את קצב עליית הטמפרטורה ואת אחידות הטמפרטורה במהלך פעולת ציוד החישול בטמפרטורה גבוהה.

איור 9 שיטות לשיפור תהליך השתלת יונים