Introduksjon til silisiumkarbidionimplantasjons- og glødingsprosessen

I dopingprosessene til silisiumkarbidkraftenheter inkluderer vanlige dopingsmidler nitrogen og fosfor for n-type doping, og aluminium og bor for p-type doping, med deres ioniseringsenergier og løselighetsgrenser presentert i tabell 1 (merk: sekskantet (h) ) og kubikk (k)).

▲Tabell 1. Ioniseringsenergier og løselighetsgrenser for hoveddopanter i SiC

Figur 1 illustrerer de temperaturavhengige diffusjonskoeffisientene til hoveddopanter i SiC og Si. Dopingmidler i silisium viser høyere diffusjonskoeffisienter, noe som muliggjør høytemperaturdiffusjonsdoping rundt 1300 °C. I motsetning til dette er diffusjonskoeffisientene for fosfor, aluminium, bor og nitrogen i silisiumkarbid betydelig lavere, noe som krever temperaturer over 2000°C for rimelige diffusjonshastigheter. Høytemperaturdiffusjon introduserer ulike problemer, for eksempel flere diffusjonsdefekter som forringer elektrisk ytelse og inkompatibiliteten til vanlige fotoresister som masker, noe som gjør ioneimplantasjon til det eneste valget for silisiumkarbiddoping.

▲Figur 1. Sammenlignende diffusjonskonstanter for hoveddopanter i SiC og Si

Under ioneimplantasjon mister ioner energi gjennom kollisjoner med gitteratomer i underlaget, og overfører energi til disse atomene. Denne overførte energien frigjør atomene fra gitterbindingsenergien deres, slik at de kan bevege seg i underlaget og kollidere med andre gitteratomer og løsne dem. Denne prosessen fortsetter til ingen frie atomer har tilstrekkelig energi til å frigjøre andre fra gitteret.

På grunn av den enorme mengden ioner som er involvert, forårsaker ioneimplantasjon omfattende gitterskader nær substratoverflaten, med omfanget av skade relatert til implantasjonsparametrene som dosering og energi. For store doser kan ødelegge krystallstrukturen nær substratoverflaten og gjøre den amorf. Denne gitterskaden må repareres til en enkeltkrystallstruktur og aktivere dopstoffene under glødingsprosessen.

Høytemperaturgløding lar atomer få energi fra varme, og gjennomgår rask termisk bevegelse. Når de beveger seg til posisjoner innenfor enkeltkrystallgitteret med den laveste frie energien, slår de seg ned der. Dermed rekonstruerer de skadede amorfe silisiumkarbid- og dopingatomene nær substratgrensesnittet enkeltkrystallstrukturen ved å passe inn i gitterposisjonene og være bundet av gitterenergi. Denne samtidige gitterreparasjonen og dopemiddelaktiveringen skjer under utglødning.

Forskning har rapportert forholdet mellom aktiveringshastighetene til dopingmidler i SiC og annealingstemperaturer (figur 2a). I denne sammenhengen er både epitaksiallaget og substratet n-type, med nitrogen og fosfor implantert til en dybde på 0,4μm og en totaldosering på 1×10^14 cm^-2. Som vist i figur 2a, viser nitrogen en aktiveringshastighet på under 10 % etter utglødning ved 1400 °C, og når 90 % ved 1600 °C. Oppførselen til fosfor er lik, og krever en glødetemperatur på 1600 °C for en aktiveringshastighet på 90 %.

▲Figur 2a. Aktiveringshastigheter for forskjellige elementer ved forskjellige glødetemperaturer i SiC

For p-type ioneimplantasjonsprosesser brukes aluminium generelt som dopingmiddel på grunn av bors unormale diffusjonseffekt. I likhet med implantering av n-type øker utglødning ved 1600 °C aluminiums aktiveringshastighet betydelig. Imidlertid har forskning av Negoro et al. fant at selv ved 500°C nådde arkmotstanden metning ved 3000Ω/kvadrat med høydose-aluminiumimplantasjon, og å øke dosen ytterligere reduserte ikke motstanden, noe som indikerer at aluminium ikke lenger ioniserer. Dermed er det fortsatt en teknologisk utfordring å bruke ioneimplantasjon for å lage sterkt dopede p-type regioner.

▲Figur 2b. Forholdet mellom aktiveringshastigheter og dosering av forskjellige elementer i SiC

Dybden og konsentrasjonen av dopingmidler er kritiske faktorer ved ioneimplantasjon, som direkte påvirker den påfølgende elektriske ytelsen til enheten og må kontrolleres strengt. Sekundær ionmassespektrometri (SIMS) kan brukes til å måle dybden og konsentrasjonen av dopingmidler etter implantasjon.**