Вовед во процесот на имплантација и жарење на силициум карбид јони

Во процесите на допинг на уредите за напојување со силициум карбид, најчесто користените допанти вклучуваат азот и фосфор за допинг од n-тип и алуминиум и бор за допинг од типот p, со нивните енергии на јонизација и граници на растворливост претставени во Табела 1 (забелешка: хексагонални (h ) и кубни (к)).

▲ Табела 1. Енергии на јонизација и граници на растворливост на главните допанти во SiC

Слика 1 ги илустрира коефициентите на дифузија зависни од температурата на главните допанти во SiC и Si. Допантите во силициум покажуваат повисоки коефициенти на дифузија, овозможувајќи дифузен допинг со висока температура околу 1300°C. Спротивно на тоа, коефициентите на дифузија на фосфор, алуминиум, бор и азот во силициум карбид се значително пониски, поради што се потребни температури над 2000°C за разумни стапки на дифузија. Дифузијата на висока температура воведува различни проблеми, како што се повеќекратни дефекти на дифузијата што ги деградираат електричните перформанси и некомпатибилноста на обичните фоторезисти како маски, што ја прави имплантација на јони единствен избор за допинг со силициум карбид.

▲Слика 1. Компаративни дифузни константи на главните допанти во SiC и Si

За време на имплантација на јони, јоните губат енергија преку судири со решетки атоми на подлогата, пренесувајќи енергија на овие атоми. Оваа префрлена енергија ги ослободува атомите од нивната енергија за врзување на решетката, овозможувајќи им да се движат во подлогата и да се судрат со други атоми на решетка, отстранувајќи ги. Овој процес продолжува се додека ниеден слободен атом нема доволно енергија да ги ослободи другите од решетката.

Поради огромното количество вклучени јони, имплантацијата на јони предизвикува големо оштетување на решетката во близина на површината на подлогата, при што степенот на оштетување е поврзан со параметрите за имплантација како што се дозата и енергијата. Прекумерните дози може да ја уништат кристалната структура во близина на површината на подлогата, претворајќи ја во аморфна. Ова оштетување на решетката мора да се поправи на еднокристална структура и да ги активира допантите за време на процесот на жарење.

Греењето на висока температура им овозможува на атомите да добијат енергија од топлина, подложени на брзо термичко движење. Откако ќе се преселат на позиции во рамките на еднокристалната решетка со најниска слободна енергија, тие се населуваат таму. Така, оштетените аморфни силициум карбид и допантните атоми во близина на интерфејсот на подлогата ја реконструираат еднокристалната структура со тоа што се вклопуваат во позициите на решетката и се врзуваат со енергијата на решетката. Оваа симултана поправка на решетка и активирање на допант се случуваат за време на жарењето.

Истражувањето ја објави врската помеѓу стапките на активирање на допанти во SiC и температурите на жарење (Слика 2а). Во овој контекст, и епитаксијалниот слој и подлогата се n-тип, со азот и фосфор имплантирани на длабочина од 0,4μm и вкупна доза од 1×10^14 cm^-2. Како што е прикажано на слика 2а, азотот покажува стапка на активирање под 10% по жарењето на 1400°C, достигнувајќи 90% на 1600°C. Однесувањето на фосфорот е слично, бара температура на жарење од 1600°C за 90% стапка на активирање.

▲Слика 2а. Стапки на активирање на различни елементи при различни температури на жарење во SiC

За процесите на имплантација на јони од p-тип, алуминиумот генерално се користи како допант поради аномалниот ефект на дифузија на бор. Слично на имплантација од n-тип, жарењето на 1600°C значително ја подобрува стапката на активирање на алуминиумот. Сепак, истражувањето на Негоро и сор. откриле дека дури и на 500°C отпорот на листот достигнал заситеност од 3000Ω/квадрат со имплантација на алуминиум во високи дози, а зголемувањето на дозата дополнително не го намалува отпорот, што покажува дека алуминиумот повеќе не јонизира. Така, користењето на имплантација на јони за создавање на силно допирани региони од p-тип останува технолошки предизвик.

▲Слика 2б. Врска помеѓу стапките на активирање и дозата на различни елементи во SiC

Длабочината и концентрацијата на допанти се критични фактори за имплантација на јони, кои директно влијаат на последователните електрични перформанси на уредот и мора строго да се контролираат. Секундарна јонска масена спектрометрија (SIMS) може да се користи за мерење на длабочината и концентрацијата на допанти по имплантација.**