Silicio karbido jonų implantavimo ir atkaitinimo proceso įvadas

Silicio karbido galios įrenginių legiravimo procesuose dažniausiai naudojami priedai yra azotas ir fosforas n-tipo legiravimui, o aliuminis ir boras p-tipo legiravimui, kurių jonizacijos energija ir tirpumo ribos pateiktos 1 lentelėje (pastaba: šešiakampis (h). ) ir kubinis (k)).

▲ 1 lentelė. Pagrindinių priedų SiC jonizacijos energija ir tirpumo ribos

1 paveiksle pavaizduoti nuo temperatūros priklausomi pagrindinių SiC ir Si priedų difuzijos koeficientai. Silicio priedai pasižymi didesniu difuzijos koeficientu, leidžiančiu difuzijos legiruoti aukštoje temperatūroje apie 1300 °C. Priešingai, fosforo, aliuminio, boro ir azoto difuzijos koeficientai silicio karbide yra žymiai mažesni, todėl norint pasiekti pagrįstą difuzijos greitį, reikia aukštesnės nei 2000 °C temperatūros. Aukštos temperatūros difuzija sukelia įvairias problemas, tokias kaip daugybiniai difuzijos defektai, pabloginantys elektrines charakteristikas ir įprastų fotorezistų, kaip kaukių, nesuderinamumą, todėl jonų implantavimas yra vienintelis silicio karbido dopingo pasirinkimas.

▲ 1 pav. Pagrindinių priedų SiC ir Si lyginamosios difuzijos konstantos

Jonų implantacijos metu jonai praranda energiją susidūrę su substrato gardelės atomais, perduodami energiją šiems atomams. Ši perduota energija išlaisvina atomus iš jų gardelės surišimo energijos, leidžiant jiems judėti substrate ir susidurti su kitais gardelės atomais, juos išstumiant. Šis procesas tęsiasi tol, kol laisvieji atomai neturi pakankamai energijos, kad išlaisvintų kitus iš gardelės.

Dėl didelio dalyvaujančių jonų kiekio jonų implantacija sukelia didelius grotelių pažeidimus šalia substrato paviršiaus, o žalos mastas yra susijęs su implantavimo parametrais, tokiais kaip dozė ir energija. Per didelės dozės gali sunaikinti kristalų struktūrą šalia substrato paviršiaus ir paversti ją amorfine. Šis grotelių pažeidimas turi būti pataisytas iki vieno kristalo struktūros ir suaktyvinti priedus atkaitinimo proceso metu.

Atkaitinimas aukštoje temperatūroje leidžia atomams gauti energijos iš šilumos, vykstant greitam šiluminiam judėjimui. Kai jie pereina į pozicijas vieno kristalo gardelėje su mažiausia laisvąja energija, jie ten apsigyvena. Taigi, pažeisti amorfinio silicio karbido ir priedo atomai, esantys šalia substrato sąsajos, atkuria vieno kristalo struktūrą, prisitaikydami prie grotelių padėties ir surišdami gardelės energiją. Šis vienu metu atliekamas grotelių taisymas ir priedo aktyvavimas vyksta atkaitinimo metu.

Tyrimai parodė ryšį tarp priedų aktyvacijos greičio SiC ir atkaitinimo temperatūros (2a pav.). Šiame kontekste tiek epitaksinis sluoksnis, tiek substratas yra n tipo, o azotas ir fosforas yra implantuoti į 0, 4 μm gylį, o bendra dozė yra 1 × 10 ^ 14 cm ^ -2. Kaip parodyta 2a paveiksle, azoto aktyvavimo greitis yra mažesnis nei 10% po atkaitinimo 1400 ° C temperatūroje, o 1600 ° C temperatūroje pasiekia 90%. Fosforo elgesys yra panašus, todėl reikia 1600 °C atkaitinimo temperatūros, kad aktyvacijos greitis būtų 90%.

▲2a pav. Įvairių elementų aktyvavimo greitis esant įvairioms atkaitinimo temperatūroms SiC

P tipo jonų implantavimo procesuose aliuminis paprastai naudojamas kaip priedas dėl boro anomalaus difuzijos efekto. Panašiai kaip n tipo implantacija, atkaitinimas 1600 ° C temperatūroje žymiai padidina aliuminio aktyvavimo greitį. Tačiau Negoro ir kt. nustatė, kad net 500 °C temperatūroje lakšto varža pasiekė 3000 Ω/kvadratinį prisotinimą su didelės dozės aliuminio implantavimu, o toliau didinant dozę atsparumas nesumažėjo, o tai rodo, kad aliuminis nebejonizuoja. Taigi, naudojant jonų implantaciją, kuriant stipriai legiruotus p tipo regionus, išlieka technologinis iššūkis.

▲ 2b pav. Ryšys tarp aktyvavimo greičio ir skirtingų elementų dozavimo SiC

Priemaišų gylis ir koncentracija yra kritiniai jonų implantavimo veiksniai, tiesiogiai įtakojantys tolesnį prietaiso elektrinį veikimą ir turi būti griežtai kontroliuojami. Antrinė jonų masės spektrometrija (SIMS) gali būti naudojama priemaišų gyliui ir koncentracijai matuoti po implantacijos.**