A szilícium-karbid-ion beültetési és izzítási folyamat bemutatása

A szilícium-karbid erőgépek adalékolási eljárásaiban az általánosan használt adalékanyagok közé tartozik az n-típusú adalékoláshoz a nitrogén és a foszfor, a p-típusú adalékoláshoz pedig az alumínium és a bór, amelyek ionizációs energiáit és oldhatósági határait az 1. táblázat tartalmazza (megjegyzés: hatszögletű (h). ) és köbös (k)).

▲ 1. táblázat: A főbb adalékanyagok ionizációs energiái és oldhatósági határai SiC-ban

Az 1. ábra szemlélteti a fő adalékanyagok hőmérsékletfüggő diffúziós együtthatóit SiC-ben és Si-ben. A szilíciumban lévő adalékanyagok magasabb diffúziós együtthatót mutatnak, ami lehetővé teszi a magas hőmérsékletű diffúziós adalékolást 1300 °C körül. Ezzel szemben a foszfor, az alumínium, a bór és a nitrogén diffúziós együtthatója a szilícium-karbidban lényegesen alacsonyabb, ezért az ésszerű diffúziós sebességhez 2000 °C feletti hőmérsékletre van szükség. A magas hőmérsékletű diffúzió különféle problémákat vet fel, például többszörös diffúziós hibákat, amelyek rontják az elektromos teljesítményt, valamint a maszkként használt általános fotorezisztek inkompatibilitását, így az ionimplantáció az egyetlen választás a szilícium-karbid adalékoláshoz.

▲ 1. ábra. Főbb adalékanyagok összehasonlító diffúziós állandói SiC-ben és Si-ben

Az ionbeültetés során az ionok energiát veszítenek a szubsztrát rácsatomjaival való ütközés következtében, energiát adva át ezeknek az atomoknak. Ez az átvitt energia felszabadítja az atomokat rácskötési energiájukból, lehetővé téve számukra, hogy mozogjanak a hordozón belül, és ütközzenek más rácsatomokkal, elmozdítva őket. Ez a folyamat addig tart, amíg egyetlen szabad atomnak sincs elegendő energiája ahhoz, hogy másokat kiszabadítson a rácsból.

Az ionok nagy mennyisége miatt az ionimplantáció kiterjedt rácskárosodást okoz a szubsztrát felületének közelében, a károsodás mértéke pedig az implantációs paraméterekhez, például az adagoláshoz és az energiához kapcsolódik. A túlzott adagok tönkretehetik a kristályszerkezetet a hordozófelület közelében, amorf állapotba téve azt. Ezt a rácssérülést egykristályos szerkezetre kell javítani, és aktiválni kell az adalékanyagokat az izzítási folyamat során.

A magas hőmérsékletű izzítás lehetővé teszi, hogy az atomok hőből nyerjenek energiát, és gyors hőmozgáson mennek keresztül. Miután az egykristályrácson belül a legalacsonyabb szabadenergiájú pozíciókra költöznek, ott letelepednek. Így a sérült amorf szilícium-karbid és adalékanyag atomok a szubsztrát határfelülete közelében rekonstruálják az egykristály szerkezetet a rácspozíciókba illeszkedve és a rács energiájával megkötve. Ez az egyidejű rácsjavítás és az adalékanyag aktiválása a lágyítás során történik.

A kutatások beszámoltak a szilícium-karbidban lévő adalékanyagok aktivációs sebessége és a lágyítási hőmérséklet közötti összefüggésről (2a. ábra). Ebben az összefüggésben mind az epitaxiális réteg, mind a szubsztrát n-típusú, a nitrogént és a foszfort 0,4 μm mélységbe ültetik be, és a teljes dózis 1 × 10 ^ 14 cm^-2. Amint az a 2a. ábrán látható, a nitrogén 10% alatti aktiválási sebességet mutat 1400 °C-on végzett lágyítás után, és 1600 °C-on eléri a 90%-ot. A foszfor viselkedése hasonló, 1600 °C-os lágyítási hőmérsékletet igényel a 90%-os aktiválási sebességhez.

▲ 2a. ábra. Különböző elemek aktiválási sebessége különböző izzítási hőmérsékleteken SiC-ben

A p-típusú ionbeültetési eljárásokhoz a bór rendellenes diffúziós hatása miatt általában alumíniumot használnak adalékanyagként. Az n-típusú beültetéshez hasonlóan az 1600°C-on végzett lágyítás jelentősen megnöveli az alumínium aktiválási sebességét. Azonban Negoro et al. azt találták, hogy a lemezellenállás még 500°C-on is elérte a telítést 3000 Ω/négyzet értéknél nagy dózisú alumínium beültetésnél, és az adagolás további növelése nem csökkentette az ellenállást, ami azt jelzi, hogy az alumínium már nem ionizál. Így továbbra is technológiai kihívás marad az ionimplantáció alkalmazása erősen adalékolt p-típusú régiók létrehozására.

▲ 2b ábra. Az aktiválási sebesség és a különböző elemek SiC-beli adagolása közötti kapcsolat

Az adalékanyagok mélysége és koncentrációja kritikus tényező az ionbeültetésben, közvetlenül befolyásolva az eszköz későbbi elektromos teljesítményét, és szigorúan ellenőrizni kell. A másodlagos ion tömegspektrometria (SIMS) használható az adalékanyagok mélységének és koncentrációjának mérésére a beültetés után.**