Úvod do procesu implantácie a žíhania iónov karbidu kremíka

V dopingových procesoch výkonových zariadení z karbidu kremíka bežne používané dopujúce látky zahŕňajú dusík a fosfor pre doping typu n a hliník a bór pre doping typu p, pričom ich ionizačné energie a limity rozpustnosti sú uvedené v tabuľke 1 (poznámka: hexagonálne (h ) a kubický (k)).

▲Tabuľka 1. Ionizačné energie a limity rozpustnosti hlavných dopantov v SiC

Obrázok 1 znázorňuje teplotne závislé difúzne koeficienty hlavných dopujúcich látok v SiC a Si. Dopanty v kremíku vykazujú vyššie difúzne koeficienty, čo umožňuje vysokoteplotné difúzne dopovanie okolo 1300 °C. Na rozdiel od toho sú koeficienty difúzie fosforu, hliníka, bóru a dusíka v karbide kremíka výrazne nižšie, čo si vyžaduje teploty nad 2000 °C pre primeranú rýchlosť difúzie. Vysokoteplotná difúzia prináša rôzne problémy, ako sú viaceré difúzne defekty zhoršujúce elektrický výkon a nekompatibilita bežných fotorezistov ako masiek, vďaka čomu je implantácia iónov jedinou voľbou pre dopovanie karbidu kremíka.

▲Obrázok 1. Porovnávacie difúzne konštanty hlavných dopantov v SiC a Si

Počas implantácie iónov strácajú ióny energiu zrážkami s atómami mriežky substrátu, čím prenášajú energiu na tieto atómy. Táto prenesená energia uvoľňuje atómy z ich väzbovej energie v mriežke, čo im umožňuje pohybovať sa v substráte a zrážať sa s inými atómami mriežky, čím sa uvoľňujú. Tento proces pokračuje, kým žiadne voľné atómy nemajú dostatočnú energiu na uvoľnenie ostatných z mriežky.

V dôsledku obrovského množstva zahrnutých iónov spôsobuje implantácia iónov rozsiahle poškodenie mriežky v blízkosti povrchu substrátu, pričom rozsah poškodenia súvisí s parametrami implantácie, ako je dávka a energia. Nadmerné dávky môžu zničiť kryštálovú štruktúru blízko povrchu substrátu a zmeniť ho na amorfný. Toto poškodenie mriežky musí byť opravené na monokryštálovú štruktúru a aktivovať dopanty počas procesu žíhania.

Vysokoteplotné žíhanie umožňuje atómom získať energiu z tepla, pričom dochádza k rýchlemu tepelnému pohybu. Akonáhle sa presunú do pozícií v rámci monokryštálovej mriežky s najnižšou voľnou energiou, usadia sa tam. Poškodené atómy amorfného karbidu kremíka a dopantu v blízkosti rozhrania substrátu teda rekonštruujú monokryštálovú štruktúru tým, že zapadnú do pozícií mriežky a sú viazané energiou mriežky. K tejto simultánnej oprave mriežky a aktivácii dopantu dochádza počas žíhania.

Výskum uvádza vzťah medzi rýchlosťou aktivácie dopantov v SiC a teplotami žíhania (obrázok 2a). V tomto kontexte sú epitaxná vrstva aj substrát typu n, s dusíkom a fosforom implantovaným do hĺbky 0,4 μm a celkovou dávkou 1×10^14 cm^-2. Ako je znázornené na obrázku 2a, dusík vykazuje rýchlosť aktivácie pod 10 % po žíhaní pri 1400 °C, pričom dosahuje 90 % pri 1600 °C. Správanie fosforu je podobné, vyžaduje teplotu žíhania 1600 °C na 90 % rýchlosť aktivácie.

▲Obrázok 2a. Rýchlosti aktivácie rôznych prvkov pri rôznych teplotách žíhania v SiC

Pre procesy implantácie iónov typu p sa ako dopant vo všeobecnosti používa hliník v dôsledku anomálneho difúzneho efektu bóru. Podobne ako pri implantácii typu n, žíhanie pri 1600 °C výrazne zvyšuje rýchlosť aktivácie hliníka. Výskum Negora a spol. zistili, že dokonca aj pri 500 °C dosiahol odpor plechu saturáciu pri 3000 Ω/štvorec s implantáciou vysokej dávky hliníka a ďalšie zvýšenie dávky neznížilo odpor, čo naznačuje, že hliník už neionizuje. Použitie iónovej implantácie na vytvorenie oblastí silne dopovaného typu p teda zostáva technologickou výzvou.

▲Obrázok 2b. Vzťah medzi rýchlosťou aktivácie a dávkovaním rôznych prvkov v SiC

Hĺbka a koncentrácia dopantov sú kritickými faktormi pri implantácii iónov, ktoré priamo ovplyvňujú následný elektrický výkon zariadenia a musia byť prísne kontrolované. Sekundárna iónová hmotnostná spektrometria (SIMS) sa môže použiť na meranie hĺbky a koncentrácie dopujúcich látok po implantácii.**