Introduktion til siliciumcarbidionimplantation og udglødningsprocessen

I dopingprocesserne af siliciumcarbidkraftenheder omfatter almindeligt anvendte dopingmidler nitrogen og fosfor til n-type doping og aluminium og bor til p-type doping, med deres ioniseringsenergier og opløselighedsgrænser vist i tabel 1 (bemærk: hexagonal (h) ) og kubisk (k)).

▲Tabel 1. Ioniseringsenergier og opløselighedsgrænser for vigtige doteringsmidler i SiC

Figur 1 illustrerer de temperaturafhængige diffusionskoefficienter for større doteringsmidler i SiC og Si. Doteringsmidler i silicium udviser højere diffusionskoefficienter, hvilket giver mulighed for diffusionsdoping ved høj temperatur omkring 1300°C. I modsætning hertil er diffusionskoefficienterne for fosfor, aluminium, bor og nitrogen i siliciumcarbid betydeligt lavere, hvilket nødvendiggør temperaturer over 2000°C for rimelige diffusionshastigheder. Højtemperaturdiffusion introducerer forskellige problemer, såsom multiple diffusionsdefekter, der forringer den elektriske ydeevne og inkompatibiliteten af ​​almindelige fotoresists som masker, hvilket gør ionimplantation til det eneste valg til siliciumcarbiddoping.

▲Figur 1. Sammenlignende diffusionskonstanter af større dopanter i SiC og Si

Under ionimplantation mister ioner energi gennem kollisioner med gitteratomer i substratet, der overfører energi til disse atomer. Denne overførte energi frigiver atomerne fra deres gitterbindingsenergi, så de kan bevæge sig inden i substratet og kollidere med andre gitteratomer og løsne dem. Denne proces fortsætter, indtil ingen frie atomer har tilstrækkelig energi til at frigøre andre fra gitteret.

På grund af den massive mængde af ioner, der er involveret, forårsager ionimplantation omfattende gitterskader nær substratoverfladen, med omfanget af skade relateret til implantationsparametrene såsom dosering og energi. For store doser kan ødelægge krystalstrukturen nær substratoverfladen og gøre den amorf. Denne gitterskade skal repareres til en enkeltkrystalstruktur og aktivere dopingstofferne under annealingsprocessen.

Højtemperaturudglødning gør det muligt for atomer at få energi fra varme og gennemgår hurtig termisk bevægelse. Når de flytter til positioner inden for enkeltkrystalgitteret med den laveste frie energi, slår de sig ned der. Således rekonstruerer de beskadigede amorfe siliciumcarbid- og dopingatomer nær substratgrænsefladen enkeltkrystalstrukturen ved at passe ind i gitterpositionerne og være bundet af gitterenergi. Denne samtidige gitterreparation og doteringsmiddelaktivering forekommer under annealing.

Forskning har rapporteret forholdet mellem aktiveringshastighederne for dopingmidler i SiC og annealingstemperaturer (figur 2a). I denne sammenhæng er både epitaksiallaget og substratet n-type, med nitrogen og fosfor implanteret til en dybde på 0,4μm og en total dosis på 1×10^14 cm^-2. Som vist i figur 2a udviser nitrogen en aktiveringshastighed på under 10% efter annealing ved 1400°C, og når 90% ved 1600°C. Fosfors adfærd er ens, og kræver en udglødningstemperatur på 1600°C for en aktiveringshastighed på 90%.

▲Figur 2a. Aktiveringshastigheder af forskellige elementer ved forskellige udglødningstemperaturer i SiC

Til p-type ionimplantationsprocesser bruges aluminium generelt som dopingmiddel på grund af bors anomale diffusionseffekt. I lighed med n-type implantation øger udglødning ved 1600°C betydeligt aluminiums aktiveringshastighed. Men forskning af Negoro et al. fandt, at selv ved 500°C nåede plademodstanden mætning ved 3000Ω/kvadrat med højdosis-aluminiumimplantation, og forøgelse af doseringen yderligere reducerede ikke modstanden, hvilket indikerer, at aluminium ikke længere ioniserer. Derfor er det fortsat en teknologisk udfordring at bruge ionimplantation til at skabe stærkt dopede p-type områder.

▲Figur 2b. Forholdet mellem aktiveringshastigheder og dosering af forskellige elementer i SiC

Dybden og koncentrationen af ​​dopingstoffer er kritiske faktorer ved ionimplantation, som direkte påvirker enhedens efterfølgende elektriske ydeevne og skal kontrolleres nøje. Sekundær ionmassespektrometri (SIMS) kan bruges til at måle dybden og koncentrationen af ​​dopingmidler efter implantation.**