Introducere în procesul de implantare și recoacere a ionilor de carbură de siliciu

În procesele de dopaj ale dispozitivelor de putere cu carbură de siliciu, dopanții utilizați în mod obișnuit includ azotul și fosforul pentru dopajul de tip n și aluminiul și borul pentru dopajul de tip p, cu energiile de ionizare și limitele de solubilitate prezentate în Tabelul 1 (notă: hexagonal (h). ) și cubic (k)).

▲Tabelul 1. Energiile de ionizare și limitele de solubilitate ale dopanților majori în SiC

Figura 1 ilustrează coeficienții de difuzie dependenți de temperatură ai dopanților majori în SiC și Si. Dopanții din siliciu prezintă coeficienți de difuzie mai mari, permițând dopajul de difuzie la temperatură înaltă în jur de 1300°C. În schimb, coeficienții de difuzie ai fosforului, aluminiului, borului și azotului din carbura de siliciu sunt semnificativ mai mici, necesitând temperaturi de peste 2000°C pentru rate de difuzie rezonabile. Difuzia la temperatură ridicată introduce diverse probleme, cum ar fi defecte multiple de difuzie care degradează performanța electrică și incompatibilitatea fotorezistenților obișnuiți ca măști, făcând implantarea ionică singura alegere pentru dopajul cu carbură de siliciu.

▲Figura 1. Constantele de difuzie comparative ale dopanților majori în SiC și Si

În timpul implantării ionilor, ionii pierd energie prin ciocniri cu atomii rețelei ai substratului, transferând energie acestor atomi. Această energie transferată eliberează atomii din energia lor de legare la rețea, permițându-le să se miște în interiorul substratului și să se ciocnească cu alți atomi rețelei, dislocandu-i. Acest proces continuă până când niciun atom liber nu are suficientă energie pentru a-i elibera pe alții din rețea.

Datorită cantității masive de ioni implicați, implantarea ionică provoacă leziuni extinse ale rețelei în apropierea suprafeței substratului, cu amploarea daunelor legate de parametrii de implantare, cum ar fi doza și energia. Dozele excesive pot distruge structura cristalină de lângă suprafața substratului, transformându-l în amorf. Această deteriorare a rețelei trebuie reparată într-o structură monocristalină și să activeze dopanții în timpul procesului de recoacere.

Recoacere la temperatură ridicată permite atomilor să obțină energie din căldură, suferind o mișcare termică rapidă. Odată ce se deplasează în pozițiile din rețeaua monocristalină cu cea mai scăzută energie liberă, se stabilesc acolo. Astfel, carbura de siliciu amorfă deteriorată și atomii de dopanți din apropierea interfeței substratului reconstruiesc structura monocristalină prin potrivirea în pozițiile rețelei și fiind legați de energia rețelei. Această reparație simultană a rețelei și activarea dopantului au loc în timpul recoacerii.

Cercetările au raportat relația dintre ratele de activare a dopanților în SiC și temperaturile de recoacere (Figura 2a). În acest context, atât stratul epitaxial, cât și substratul sunt de tip n, cu azot și fosfor implantate la o adâncime de 0,4μm și o doză totală de 1×10^14 cm^-2. După cum se arată în Figura 2a, azotul prezintă o rată de activare sub 10% după recoacere la 1400°C, atingând 90% la 1600°C. Comportarea fosforului este similară, necesitând o temperatură de recoacere de 1600°C pentru o rată de activare de 90%.

▲Figura 2a. Ratele de activare ale diferitelor elemente la diferite temperaturi de recoacere în SiC

Pentru procesele de implantare ionică de tip p, aluminiul este în general utilizat ca dopant datorită efectului de difuzie anormal al borului. Similar implantării de tip n, recoacere la 1600°C îmbunătățește semnificativ rata de activare a aluminiului. Cu toate acestea, cercetările lui Negoro și colab. a constatat că, chiar și la 500°C, rezistența foii a atins saturația la 3000Ω/pătrat cu implantare de aluminiu cu doze mari, iar creșterea dozei în continuare nu a redus rezistența, ceea ce indică faptul că aluminiul nu mai ionizează. Astfel, utilizarea implantării ionice pentru a crea regiuni de tip p puternic dopate rămâne o provocare tehnologică.

▲Figura 2b. Relația dintre ratele de activare și dozarea diferitelor elemente în SiC

Adâncimea și concentrația de dopanți sunt factori critici în implantarea ionică, afectând direct performanța electrică ulterioară a dispozitivului și trebuie controlați strict. Spectrometria de masă cu ioni secundari (SIMS) poate fi utilizată pentru a măsura adâncimea și concentrația de dopanți după implantare.**