Въведение в процеса на имплантиране и отгряване на силициев карбид йон

В процесите на допиране на силовите устройства със силициев карбид често използваните добавки включват азот и фосфор за n-тип допиране и алуминий и бор за p-тип допиране, като техните енергии на йонизация и граници на разтворимост са представени в таблица 1 (забележка: шестоъгълна (h ) и кубичен (k)).

▲Таблица 1. Йонизационни енергии и граници на разтворимост на основните добавки в SiC

Фигура 1 илюстрира зависимите от температурата коефициенти на дифузия на основните добавки в SiC и Si. Добавките в силиций показват по-високи коефициенти на дифузия, което позволява високотемпературно дифузионно легиране около 1300°C. Обратно, коефициентите на дифузия на фосфор, алуминий, бор и азот в силициевия карбид са значително по-ниски, което налага температури над 2000°C за разумни скорости на дифузия. Високотемпературната дифузия въвежда различни проблеми, като множество дифузионни дефекти, влошаващи електрическите характеристики и несъвместимостта на обичайните фоторезисти като маски, което прави имплантирането на йони единственият избор за легиране със силициев карбид.

▲ Фигура 1. Сравнителни константи на дифузия на основните добавки в SiC и Si

По време на йонна имплантация йоните губят енергия чрез сблъсъци с решетъчни атоми на субстрата, пренасяйки енергия към тези атоми. Тази прехвърлена енергия освобождава атомите от тяхната решетъчна свързваща енергия, което им позволява да се движат в субстрата и да се сблъскват с други решетъчни атоми, като ги изместват. Този процес продължава, докато нито един свободен атом няма достатъчно енергия, за да освободи други от решетката.

Поради огромното количество включени йони, имплантирането на йони причинява обширни щети на решетката близо до повърхността на субстрата, като степента на щетите е свързана с параметрите на имплантиране като дозировка и енергия. Прекомерните дози могат да разрушат кристалната структура близо до повърхността на субстрата, превръщайки я в аморфна. Това увреждане на решетката трябва да бъде поправено до монокристална структура и да активира добавките по време на процеса на отгряване.

Високотемпературното отгряване позволява на атомите да получават енергия от топлина, претърпяват бързо топлинно движение. След като се преместят на позиции в рамките на монокристалната решетка с най-ниска свободна енергия, те се установяват там. По този начин увреденият аморфен силициев карбид и атомите на добавката в близост до интерфейса на субстрата реконструират монокристалната структура, като се вписват в позициите на решетката и се свързват с енергията на решетката. Това едновременно възстановяване на решетката и активиране на добавката се случват по време на отгряване.

Изследванията съобщават за връзката между скоростите на активиране на добавките в SiC и температурите на отгряване (Фигура 2а). В този контекст както епитаксиалният слой, така и субстратът са n-тип, с имплантирани азот и фосфор на дълбочина от 0,4 μm и обща доза от 1 × 10 ^ 14 cm ^ -2. Както е показано на Фигура 2а, азотът показва степен на активиране под 10% след отгряване при 1400°C, достигайки 90% при 1600°C. Поведението на фосфора е подобно, изисквайки температура на отгряване от 1600°C за 90% степен на активиране.

▲ Фигура 2а. Скорости на активиране на различни елементи при различни температури на отгряване в SiC

За процесите на имплантиране на йони p-тип алуминият обикновено се използва като добавка поради аномалния дифузионен ефект на бора. Подобно на n-тип имплантиране, отгряването при 1600°C значително повишава скоростта на активиране на алуминия. Въпреки това, изследванията на Negoro et al. установено, че дори при 500°C съпротивлението на листа достига насищане при 3000Ω/квадрат с имплантиране на висока доза алуминий и увеличаването на дозата допълнително не намалява съпротивлението, което показва, че алуминият вече не се йонизира. По този начин използването на йонна имплантация за създаване на силно легирани региони от p-тип остава технологично предизвикателство.

▲ Фигура 2b. Връзка между скоростите на активиране и дозировката на различни елементи в SiC

Дълбочината и концентрацията на добавките са критични фактори при имплантирането на йони, пряко засягащи последващите електрически характеристики на устройството и трябва да бъдат строго контролирани. Вторична йонна масспектрометрия (SIMS) може да се използва за измерване на дълбочината и концентрацията на добавките след имплантиране.**