Úvod do procesu implantace a žíhání iontů karbidu křemíku

V dopingových procesech výkonových zařízení z karbidu křemíku běžně používané příměsi zahrnují dusík a fosfor pro doping typu n a hliník a bor pro doping typu p, přičemž jejich ionizační energie a limity rozpustnosti jsou uvedeny v tabulce 1 (poznámka: hexagonální (h ) a krychlový (k)).

▲Tabulka 1. Ionizační energie a meze rozpustnosti hlavních příměsí v SiC

Obrázek 1 znázorňuje teplotně závislé difúzní koeficienty hlavních příměsí v SiC a Si. Dopanty v křemíku vykazují vyšší difúzní koeficienty, což umožňuje vysokoteplotní difúzní dotování kolem 1300 °C. Naproti tomu difúzní koeficienty fosforu, hliníku, boru a dusíku v karbidu křemíku jsou výrazně nižší, což vyžaduje teploty nad 2000 °C pro rozumné rychlosti difúze. Vysokoteplotní difúze přináší různé problémy, jako je mnohočetné difúzní defekty snižující elektrický výkon a nekompatibilita běžných fotorezistů jako masek, díky čemuž je implantace iontů jedinou volbou pro dopování karbidu křemíku.

▲Obrázek 1. Srovnávací difúzní konstanty hlavních dopantů v SiC a Si

Během implantace iontů ztrácejí ionty energii prostřednictvím srážek s atomy mřížky substrátu a přenášejí energii na tyto atomy. Tato přenesená energie uvolňuje atomy z jejich vazebné energie mřížky, což jim umožňuje pohybovat se v substrátu a srážet se s jinými atomy mřížky a uvolňovat je. Tento proces pokračuje, dokud žádné volné atomy nemají dostatečnou energii k uvolnění ostatních z mřížky.

Vzhledem k obrovskému množství zahrnutých iontů způsobuje implantace iontů rozsáhlé poškození mřížky v blízkosti povrchu substrátu, přičemž rozsah poškození souvisí s parametry implantace, jako je dávka a energie. Nadměrné dávky mohou zničit krystalickou strukturu v blízkosti povrchu substrátu a změnit ji na amorfní. Toto poškození mřížky musí být opraveno na monokrystalickou strukturu a aktivovat příměsi během procesu žíhání.

Vysokoteplotní žíhání umožňuje atomům získat energii z tepla a podstoupit rychlý tepelný pohyb. Jakmile se přesunou do pozic v monokrystalové mřížce s nejnižší volnou energií, usadí se tam. Poškozené atomy amorfního karbidu křemíku a dopantu v blízkosti rozhraní substrátu tedy rekonstruují monokrystalickou strukturu zapadnutím do poloh mřížky a jsou vázány energií mřížky. K této současné opravě mřížky a aktivaci dopantu dochází během žíhání.

Výzkum ukázal vztah mezi rychlostí aktivace dopantů v SiC a teplotami žíhání (obrázek 2a). V tomto kontextu jsou jak epitaxní vrstva, tak substrát typu n, s dusíkem a fosforem implantovaným do hloubky 0,4 μm a celkovou dávkou 1×10^14 cm^-2. Jak je znázorněno na obrázku 2a, dusík vykazuje rychlost aktivace pod 10 % po žíhání při 1400 °C, dosahující 90 % při 1600 °C. Chování fosforu je podobné, vyžaduje teplotu žíhání 1600 °C pro 90% míru aktivace.

▲Obrázek 2a. Rychlosti aktivace různých prvků při různých teplotách žíhání v SiC

Pro procesy implantace iontů typu p se jako dopant obecně používá hliník kvůli anomálnímu difúznímu efektu boru. Podobně jako u implantace typu n, žíhání při 1600 °C výrazně zvyšuje rychlost aktivace hliníku. Nicméně výzkum Negora et al. zjistili, že i při 500 °C dosáhl odpor plechu nasycení při 3000 Ω/čtverec při implantaci hliníku s vysokou dávkou a další zvýšení dávky nesnížilo odpor, což naznačuje, že hliník již neionizuje. Použití iontové implantace k vytvoření silně dopovaných oblastí typu p tedy zůstává technologickou výzvou.

▲Obrázek 2b. Vztah mezi rychlostí aktivace a dávkováním různých prvků v SiC

Hloubka a koncentrace dopantů jsou kritickými faktory při implantaci iontů, které přímo ovlivňují následný elektrický výkon zařízení a musí být přísně kontrolovány. Sekundární iontová hmotnostní spektrometrie (SIMS) může být použita k měření hloubky a koncentrace dopantů po implantaci.**