Введення в процес імплантації та відпалу іонів карбіду кремнію

У процесах легування силових пристроїв з карбіду кремнію до легуючих добавок, які зазвичай використовуються, входять азот і фосфор для легування n-типу, а також алюміній і бор для легування p-типу, їх енергія іонізації та межі розчинності представлені в таблиці 1 (примітка: гексагональна (h) ) і кубічний (k)).

▲Таблиця 1. Енергія іонізації та межі розчинності основних легуючих домішок у SiC

Рисунок 1 ілюструє залежні від температури коефіцієнти дифузії основних легуючих добавок у SiC та Si. Добавки в кремнії демонструють вищі коефіцієнти дифузії, що дозволяє проводити високотемпературне дифузійне легування близько 1300°C. Навпаки, коефіцієнти дифузії фосфору, алюмінію, бору та азоту в карбіді кремнію значно нижчі, що вимагає температур вище 2000°C для розумної швидкості дифузії. Високотемпературна дифузія створює різні проблеми, такі як численні дифузійні дефекти, що погіршують електричні характеристики, і несумісність звичайних фоторезистів як масок, що робить іонну імплантацію єдиним вибором для легування карбідом кремнію.

▲Малюнок 1. Порівняльні константи дифузії основних легуючих домішок у SiC та Si

Під час іонної імплантації іони втрачають енергію через зіткнення з атомами решітки підкладки, передаючи енергію цим атомам. Ця передана енергія звільняє атоми від енергії зв’язку з решіткою, дозволяючи їм рухатися всередині підкладки та стикатися з іншими атомами ґрат, зміщуючи їх. Цей процес триває до тих пір, поки жоден вільний атом не матиме достатньо енергії, щоб вивільнити інші з решітки.

Через величезну кількість залучених іонів іонна імплантація спричиняє значні пошкодження решітки біля поверхні підкладки, причому ступінь пошкодження залежить від таких параметрів імплантації, як доза та енергія. Надмірні дози можуть зруйнувати кристалічну структуру біля поверхні підкладки, перетворивши її на аморфну. Це пошкодження решітки має бути відремонтоване до монокристалічної структури та активації легуючих домішок під час процесу відпалу.

Високотемпературний відпал дозволяє атомам отримувати енергію від тепла, зазнаючи швидкого теплового руху. Як тільки вони переміщуються в позиції всередині монокристалічної решітки з найменшою вільною енергією, вони осідають там. Таким чином, пошкоджені атоми аморфного карбіду кремнію та легуючої домішки поблизу поверхні розділу підкладки реконструюють структуру монокристала, вписуючись у позиції решітки та зв’язуючись енергією решітки. Цей одночасний ремонт решітки та активація допанту відбуваються під час відпалу.

Дослідження показали зв’язок між швидкістю активації легуючих домішок у SiC і температурами відпалу (рис. 2а). У цьому контексті як епітаксійний шар, так і підкладка є n-типом, з азотом і фосфором, імплантованими на глибину 0,4 мкм і загальною дозою 1×10^14 см^-2. Як показано на малюнку 2а, швидкість активації азоту становить менше 10% після відпалу при 1400°C, досягаючи 90% при 1600°C. Подібна поведінка фосфору, для 90% швидкості активації потрібна температура відпалу 1600°C.

▲Малюнок 2а. Швидкості активації різних елементів при різних температурах відпалу в SiC

Для процесів іонної імплантації p-типу алюміній зазвичай використовується як допант через аномальний ефект дифузії бору. Подібно до імплантації n-типу, відпал при 1600 °C значно підвищує швидкість активації алюмінію. Однак дослідження Negoro et al. було виявлено, що навіть при 500°C опір листа досяг насичення при 3000 Ом/кв. з імплантацією високої дози алюмінію, а подальше збільшення дози не зменшує опір, що вказує на те, що алюміній більше не іонізується. Таким чином, використання іонної імплантації для створення сильно легованих областей p-типу залишається технологічною проблемою.

▲Малюнок 2b. Зв'язок між швидкостями активації та дозуванням різних елементів у SiC

Глибина та концентрація легуючих домішок є критичними факторами під час іонної імплантації, які безпосередньо впливають на наступні електричні характеристики пристрою, і їх необхідно суворо контролювати. Вторинна іонна мас-спектрометрія (SIMS) може бути використана для вимірювання глибини та концентрації легуючих домішок після імплантації.**