Uvod v postopek implantacije in žarjenja silicijevega karbida

V postopkih dopiranja močnostnih naprav iz silicijevega karbida običajno uporabljeni dopanti vključujejo dušik in fosfor za dopiranje n-tipa ter aluminij in bor za dopiranje p-tipa, njihove ionizacijske energije in meje topnosti pa so predstavljene v tabeli 1 (opomba: šesterokotno (h ) in kubični (k)).

▲Tabela 1. Ionizacijske energije in meje topnosti glavnih dopantov v SiC

Slika 1 prikazuje od temperature odvisne difuzijske koeficiente glavnih dopantov v SiC in Si. Dopanti v siliciju imajo višje koeficiente difuzije, kar omogoča visokotemperaturno difuzijsko dopiranje okoli 1300 °C. Nasprotno pa so difuzijski koeficienti fosforja, aluminija, bora in dušika v silicijevem karbidu znatno nižji, zato so za razumne stopnje difuzije potrebne temperature nad 2000 °C. Visokotemperaturna difuzija uvaja različne težave, kot so večkratne difuzijske napake, ki poslabšajo električno zmogljivost, in nezdružljivost običajnih fotorezistov kot mask, zaradi česar je ionska implantacija edina izbira za dopiranje s silicijevim karbidom.

▲Slika 1. Primerjalne difuzijske konstante glavnih dopantov v SiC in Si

Med ionsko implantacijo ioni izgubljajo energijo zaradi trkov z mrežnimi atomi substrata in prenašajo energijo na te atome. Ta prenesena energija sprosti atome iz njihove mrežne vezavne energije, kar jim omogoči, da se premikajo znotraj substrata in trčijo z drugimi atomi rešetke ter jih premaknejo. Ta proces se nadaljuje, dokler noben prosti atom nima dovolj energije, da bi druge sprostil iz mreže.

Zaradi velike količine vpletenih ionov ionska implantacija povzroči obsežno poškodbo mreže blizu površine substrata, pri čemer je obseg poškodb povezan s parametri implantacije, kot sta odmerek in energija. Preveliki odmerki lahko uničijo kristalno strukturo blizu površine substrata in jo spremenijo v amorfno. To poškodbo mreže je treba popraviti v enokristalno strukturo in aktivirati dodatke med postopkom žarjenja.

Visokotemperaturno žarjenje omogoča atomom, da pridobijo energijo iz toplote in so podvrženi hitremu toplotnemu gibanju. Ko se premaknejo na položaje znotraj enokristalne mreže z najnižjo prosto energijo, se tam usedejo. Tako poškodovani amorfni silicijev karbid in dopantni atomi blizu vmesnika substrata rekonstruirajo enokristalno strukturo tako, da se prilegajo v položaje rešetke in jih veže energija mreže. To sočasno popravilo rešetke in aktivacija dopanta se zgodita med žarjenjem.

Raziskave so poročale o razmerju med stopnjami aktivacije dopantov v SiC in temperaturami žarjenja (slika 2a). V tem kontekstu sta epitaksialna plast in substrat n-tipa, z dušikom in fosforjem implantiranim do globine 0,4 μm in skupnim odmerkom 1 × 10 ^ 14 cm ^ -2. Kot je prikazano na sliki 2a, ima dušik stopnjo aktivacije pod 10 % po žarjenju pri 1400 °C in doseže 90 % pri 1600 °C. Obnašanje fosforja je podobno, saj je za 90-odstotno stopnjo aktivacije potrebna temperatura žarjenja 1600 °C.

▲Slika 2a. Stopnje aktivacije različnih elementov pri različnih temperaturah žarjenja v SiC

Za postopke implantacije ionov p-tipa se aluminij na splošno uporablja kot dopant zaradi nenormalnega difuzijskega učinka bora. Podobno kot implantacija n-tipa, žarjenje pri 1600 °C znatno poveča stopnjo aktivacije aluminija. Vendar raziskava Negora et al. ugotovili, da je celo pri 500 °C odpornost pločevine dosegla nasičenost pri 3000 Ω/kvadrat z implantacijo aluminija v visokih odmerkih, nadaljnje povečanje odmerka pa ni zmanjšalo odpornosti, kar kaže, da aluminij ne ionizira več. Tako uporaba ionske implantacije za ustvarjanje močno dopiranih regij p-tipa ostaja tehnološki izziv.

▲Slika 2b. Razmerje med stopnjami aktivacije in odmerki različnih elementov v SiC

Globina in koncentracija dopantov sta kritična dejavnika pri ionski implantaciji, ki neposredno vplivata na poznejšo električno zmogljivost naprave in ju je treba strogo nadzorovati. Sekundarno ionsko masno spektrometrijo (SIMS) je mogoče uporabiti za merjenje globine in koncentracije dopantov po implantaciji.**