Silikon karbid ionunun implantasiyası və yumşaldılması prosesinə giriş

Silikon karbid güc cihazlarının dopinq proseslərində ümumi istifadə edilən əlavə maddələrə Cədvəl 1-də təqdim olunan ionlaşma enerjiləri və həll olma hədləri ilə n-tipli dopinq üçün azot və fosfor, p-tipi dopinq üçün alüminium və bor daxildir (qeyd: altıbucaqlı (h) ) və kub (k)).

▲Cədvəl 1. SiC-də əsas qatqı maddələrinin ionlaşma enerjiləri və həll olma hədləri

Şəkil 1 SiC və Si-də əsas əlavə maddələrin temperaturdan asılı diffuziya əmsallarını göstərir. Silikondakı qatqı maddələri daha yüksək diffuziya əmsalları nümayiş etdirir, bu da 1300°C ətrafında yüksək temperaturda diffuziya qatqısına imkan verir. Bunun əksinə olaraq, silikon karbiddə fosfor, alüminium, bor və azotun diffuziya əmsalları əhəmiyyətli dərəcədə aşağıdır və ağlabatan diffuziya dərəcələri üçün 2000°C-dən yuxarı temperatur tələb olunur. Yüksək temperaturlu diffuziya elektrik performansını aşağı salan çoxsaylı diffuziya qüsurları və maska ​​kimi ümumi fotorezistlərin uyğunsuzluğu kimi müxtəlif problemlər yaradır və ion implantasiyasını silisium karbid dopinqi üçün yeganə seçim edir.

▲Şəkil 1. SiC və Si-də əsas qatqı maddələrinin müqayisəli diffuziya sabitləri

İon implantasiyası zamanı ionlar substratın qəfəs atomları ilə toqquşma nəticəsində enerji itirərək enerjini bu atomlara ötürür. Bu ötürülən enerji atomları qəfəslə bağlanma enerjisindən azad edir, onlara substrat daxilində hərəkət etməyə və digər qəfəs atomları ilə toqquşmağa imkan verir, onları yerindən çıxarır. Bu proses heç bir sərbəst atomun başqalarını qəfəsdən azad etmək üçün kifayət qədər enerjisi qalmayana qədər davam edir.

İştirak edən ionların böyük miqdarına görə, ion implantasiyası, doza və enerji kimi implantasiya parametrləri ilə əlaqəli zədələnmə dərəcəsi ilə substrat səthinin yaxınlığında geniş şəbəkə zədələnməsinə səbəb olur. Həddindən artıq dozalar substrat səthinin yaxınlığında kristal quruluşu məhv edərək onu amorf hala gətirə bilər. Bu qəfəs zədəsi tək kristallı quruluşa düzəldilməlidir və tavlama prosesi zamanı əlavə maddələri aktivləşdirməlidir.

Yüksək temperaturda tavlama atomlara sürətli istilik hərəkəti keçirərək istilikdən enerji əldə etməyə imkan verir. Onlar ən aşağı sərbəst enerji ilə tək kristal qəfəs daxilində mövqelərə keçdikdən sonra orada məskunlaşırlar. Beləliklə, zədələnmiş amorf silisium karbid və substratın interfeysinə yaxın aşqar atomları qəfəs mövqelərinə uyğunlaşaraq və şəbəkə enerjisi ilə bağlanaraq monokristal strukturunu yenidən qurur. Bu eyni vaxtda qəfəs təmiri və əlavə aktivləşdirmə tavlama zamanı baş verir.

Tədqiqat SiC-də əlavə maddələrin aktivləşmə dərəcələri ilə yumşalma temperaturları arasındakı əlaqəni bildirdi (Şəkil 2a). Bu kontekstdə həm epitaksial təbəqə, həm də substrat n-tiplidir, azot və fosfor 0,4μm dərinliyə implantasiya edilmiş və ümumi dozası 1×10^14 sm^-2. Şəkil 2a-da göstərildiyi kimi, azot 1400°C-də tavlandıqdan sonra 10%-dən aşağı aktivləşmə dərəcəsi nümayiş etdirir, 1600°C-də isə 90%-ə çatır. Fosforun davranışı oxşardır, 90% aktivləşmə dərəcəsi üçün 1600 ° C yumşalma temperaturu tələb olunur.

▲Şəkil 2a. SiC-də müxtəlif yumşalma temperaturlarında müxtəlif elementlərin aktivləşmə dərəcələri

P-tipli ion implantasiya prosesləri üçün borun anomal diffuziya effektinə görə alüminium ümumiyyətlə qatqılaşdırıcı kimi istifadə olunur. N-tipli implantasiyaya bənzər, 1600°C-də tavlama alüminiumun aktivləşmə sürətini əhəmiyyətli dərəcədə artırır. Bununla belə, Neqoro et al. 500°C-də belə vərəq müqavimətinin yüksək dozalı alüminium implantasiyası ilə 3000Ω/kvadrat doyma səviyyəsinə çatdığını və dozanın daha da artırılmasının müqaviməti azaltmadığını, alüminiumun artıq ionlaşmadığını göstərir. Beləliklə, ağır qatqılı p-tipli bölgələr yaratmaq üçün ion implantasiyasından istifadə texnoloji problem olaraq qalır.

▲Şəkil 2b. SiC-də müxtəlif elementlərin aktivləşdirmə dərəcələri və dozaları arasında əlaqə

Dopantların dərinliyi və konsentrasiyası ion implantasiyasında kritik amillərdir, cihazın sonrakı elektrik göstəricilərinə birbaşa təsir göstərir və ciddi şəkildə nəzarət edilməlidir. İkincil İon Kütləvi Spektrometriya (SIMS) implantasiyadan sonra əlavə maddələrin dərinliyini və konsentrasiyasını ölçmək üçün istifadə edilə bilər.**