Sissejuhatus ränikarbiidi ioonide istutamise ja lõõmutamise protsessi

Ränikarbiidi jõuseadmete dopinguprotsessides kasutatakse tavaliselt lisanditeks n-tüüpi dopinguks lämmastikku ja fosforit ning p-tüüpi dopinguks alumiiniumi ja boori, mille ionisatsioonienergia ja lahustuvuse piirid on toodud tabelis 1 (märkus: kuusnurkne (h). ) ja kuup (k)).

▲ Tabel 1. Peamiste lisandite ionisatsioonienergiad ja lahustuvuse piirid ränidioksiidis

Joonis 1 illustreerib peamiste lisandite temperatuurist sõltuvaid difusioonikoefitsiente SiC ja Si-s. Ränis sisalduvatel doantidel on kõrgem difusioonikoefitsient, mis võimaldab difusiooni dopingut kõrgel temperatuuril umbes 1300 °C juures. Seevastu ränikarbiidis on fosfori, alumiiniumi, boori ja lämmastiku difusioonikoefitsiendid oluliselt madalamad, mistõttu on mõistliku difusioonikiiruse jaoks vaja temperatuure üle 2000 °C. Kõrge temperatuuriga difusioon toob kaasa mitmesuguseid probleeme, nagu mitmed difusioonidefektid, mis halvendavad elektrilist jõudlust, ja tavaliste fotoresistide kui maskide kokkusobimatus, mistõttu ioonide implanteerimine on ränikarbiidi dopingu jaoks ainus valik.

▲Joonis 1. Peamiste lisandite võrdlevad difusioonikonstandid SiC ja Si

Ioonide implanteerimise ajal kaotavad ioonid energiat põrkudes substraadi võreaatomitega, kandes energiat nendele aatomitele. See ülekantud energia vabastab aatomid nende võre sidumisenergiast, võimaldades neil substraadis liikuda ja põrkuda teiste võre aatomitega, nihutades neid. See protsess jätkub seni, kuni ühelgi vabal aatomil pole piisavalt energiat, et vabastada teised võrest.

Suure hulga kaasatud ioonide tõttu põhjustab ioonide implanteerimine substraadi pinna lähedal ulatuslikke võrekahjustusi, mille kahjustuse ulatus on seotud implantatsiooniparameetritega, nagu annus ja energia. Ülemäärased annused võivad hävitada substraadi pinna lähedal asuva kristallstruktuuri, muutes selle amorfseks. See võrekahjustus tuleb parandada ühekristallstruktuuriks ja aktiveerida lisandid lõõmutamisprotsessi ajal.

Kõrgtemperatuuriline lõõmutamine võimaldab aatomitel saada soojusest energiat, läbides kiire termilise liikumise. Kui nad liiguvad madalaima vabaenergiaga üksikkristallvõre positsioonidesse, asuvad nad seal elama. Seega rekonstrueerivad substraadi liidese lähedal olevad kahjustatud amorfse ränikarbiidi ja lisandite aatomid ühekristallstruktuuri, sobitudes võre positsioonidesse ja olles seotud võre energiaga. See samaaegne võre parandamine ja lisandi aktiveerimine toimub lõõmutamise ajal.

Uuringud on teatanud seostest SiC-s sisalduvate lisandite aktiveerimiskiiruste ja lõõmutamistemperatuuride vahel (joonis 2a). Selles kontekstis on nii epitaksiaalne kiht kui ka substraat n-tüüpi, lämmastik ja fosfor on implanteeritud 0, 4 μm sügavusele ja koguannus 1 × 10 ^ 14 cm ^ -2. Nagu on näidatud joonisel fig 2a, on lämmastiku aktivatsioonimäär pärast 1400 °C juures lõõmutamist alla 10%, ulatudes 90%ni 1600 °C juures. Fosfori käitumine on sarnane, 90% aktiveerimiskiiruse jaoks on vaja lõõmutamistemperatuuri 1600 ° C.

▲Joonis 2a. Erinevate elementide aktiveerimismäärad erinevatel lõõmutamistemperatuuridel SiC-s

P-tüüpi ioonide implanteerimisprotsessides kasutatakse boori anomaalse difusiooniefekti tõttu lisandina tavaliselt alumiiniumi. Sarnaselt n-tüüpi implantatsiooniga suurendab lõõmutamine 1600 °C juures oluliselt alumiiniumi aktivatsioonikiirust. Kuid Negoro et al. leidis, et isegi 500 °C juures saavutas lehe takistus küllastumise kiirusega 3000 Ω/ruut suure annuse alumiiniumimplantatsiooniga ja annuse edasine suurendamine ei vähendanud takistust, mis näitab, et alumiinium enam ei ioniseeri. Seega jääb ioonide implanteerimise kasutamine tugevalt legeeritud p-tüüpi piirkondade loomiseks tehnoloogiliseks väljakutseks.

▲Joonis 2b. SiC-i aktiveerimismäärade ja erinevate elementide doseerimise vaheline seos

Lisandite sügavus ja kontsentratsioon on ioonide implanteerimisel kriitilised tegurid, mis mõjutavad otseselt seadme edasist elektrilist jõudlust ning neid tuleb rangelt kontrollida. Sekundaarset ioonmassispektromeetriat (SIMS) saab kasutada lisandite sügavuse ja kontsentratsiooni mõõtmiseks pärast implanteerimist.**