Wprowadzenie do procesu implantacji i wyżarzania jonów węglika krzemu

W procesach domieszkowania urządzeń zasilających z węglika krzemu powszechnie stosowanymi domieszkami są azot i fosfor w przypadku domieszkowania typu n oraz glin i bor w przypadku domieszkowania typu p, których energie jonizacji i granice rozpuszczalności przedstawiono w tabeli 1 (uwaga: sześciokątne (h ) i sześcienny (k)).

▲Tabela 1. Energie jonizacji i granice rozpuszczalności głównych domieszek w SiC

Rysunek 1 ilustruje zależne od temperatury współczynniki dyfuzji głównych domieszek w SiC i Si. Domieszki w krzemie wykazują wyższe współczynniki dyfuzji, co pozwala na domieszkowanie dyfuzyjne w wysokiej temperaturze około 1300°C. Natomiast współczynniki dyfuzji fosforu, glinu, boru i azotu w węgliku krzemu są znacznie niższe, co wymaga temperatur powyżej 2000°C dla rozsądnych szybkości dyfuzji. Dyfuzja w wysokiej temperaturze powoduje różne problemy, takie jak wielokrotne defekty dyfuzyjne pogarszające parametry elektryczne i niezgodność zwykłych fotomasek jako masek, co sprawia, że ​​implantacja jonów jest jedynym wyborem w przypadku domieszkowania węglikiem krzemu.

▲Rysunek 1. Porównawcze stałe dyfuzji głównych domieszek w SiC i Si

Podczas implantacji jonów jony tracą energię poprzez zderzenia z atomami sieci podłoża, przekazując energię tym atomom. Ta przeniesiona energia uwalnia atomy z energii wiązania sieci, umożliwiając im poruszanie się w podłożu i zderzanie się z innymi atomami sieci, wypierając je. Proces ten trwa do momentu, gdy żaden wolny atom nie będzie miał wystarczającej energii, aby uwolnić inne z sieci.

Ze względu na ogromną ilość zaangażowanych jonów, implantacja jonów powoduje rozległe uszkodzenia sieci w pobliżu powierzchni podłoża, a stopień uszkodzeń zależy od parametrów implantacji, takich jak dawka i energia. Nadmierne dawki mogą zniszczyć strukturę krystaliczną w pobliżu powierzchni podłoża, czyniąc ją amorficzną. To uszkodzenie sieci musi zostać naprawione, aby uzyskać strukturę monokrystaliczną i aktywować domieszki podczas procesu wyżarzania.

Wyżarzanie w wysokiej temperaturze pozwala atomom uzyskiwać energię z ciepła, przechodząc przez szybki ruch termiczny. Kiedy już przejdą do pozycji w sieci monokrystalicznej o najniższej energii swobodnej, osiedlają się tam. Zatem uszkodzone amorficzne atomy węglika krzemu i domieszki w pobliżu granicy podłoża rekonstruują strukturę monokryształu, dopasowując się do pozycji sieci i wiążąc ją energią sieci. Ta jednoczesna naprawa sieci i aktywacja domieszki zachodzą podczas wyżarzania.

Badania wykazały związek między szybkością aktywacji domieszek w SiC a temperaturami wyżarzania (rysunek 2a). W tym kontekście zarówno warstwa epitaksjalna, jak i podłoże są typu n, z implantacją azotu i fosforu na głębokość 0,4 µm i całkowitą dawką 1×10^14 cm^-2. Jak pokazano na rysunku 2a, azot wykazuje stopień aktywacji poniżej 10% po wyżarzaniu w temperaturze 1400°C, osiągając 90% w temperaturze 1600°C. Zachowanie fosforu jest podobne i wymaga temperatury wyżarzania 1600°C dla szybkości aktywacji wynoszącej 90%.

▲Rysunek 2a. Szybkość aktywacji różnych pierwiastków w różnych temperaturach wyżarzania w SiC

W procesach implantacji jonów typu p jako domieszkę zwykle stosuje się aluminium ze względu na anomalny efekt dyfuzji boru. Podobnie jak w przypadku implantacji typu n, wyżarzanie w temperaturze 1600°C znacznie zwiększa szybkość aktywacji aluminium. Jednak badania Negoro i in. odkryli, że nawet w temperaturze 500°C rezystancja arkusza osiągnęła nasycenie przy 3000 Ω/kwadrat w przypadku implantacji dużej dawki aluminium, a dalsze zwiększenie dawki nie zmniejszyło rezystancji, co wskazuje, że aluminium nie jonizuje już. Zatem wykorzystanie implantacji jonów do tworzenia silnie domieszkowanych regionów typu p pozostaje wyzwaniem technologicznym.

▲Rysunek 2b. Zależność między szybkością aktywacji a dawkowaniem różnych pierwiastków w SiC

Głębokość i stężenie domieszek to krytyczne czynniki w implantacji jonów, bezpośrednio wpływające na późniejszą wydajność elektryczną urządzenia i muszą być ściśle kontrolowane. Spektrometrię mas jonów wtórnych (SIMS) można wykorzystać do pomiaru głębokości i stężenia domieszek po implantacji.**