Inleiding tot het implantatie- en gloeiproces van siliciumcarbide-ionen

Bij de doteringsprocessen van siliciumcarbide-energieapparaten omvatten veelgebruikte doteermiddelen stikstof en fosfor voor doping van het n-type, en aluminium en boor voor doping van het p-type, met hun ionisatie-energieën en oplosbaarheidslimieten weergegeven in Tabel 1 (opmerking: hexagonaal (h ) en kubieke (k)).

▲Tabel 1. Ionisatie-energieën en oplosbaarheidsgrenzen van belangrijke doteermiddelen in SiC

Figuur 1 illustreert de temperatuurafhankelijke diffusiecoëfficiënten van de belangrijkste doteermiddelen in SiC en Si. Doteermiddelen in silicium vertonen hogere diffusiecoëfficiënten, waardoor diffusiedotering bij hoge temperaturen rond 1300 ° C mogelijk is. Daarentegen zijn de diffusiecoëfficiënten van fosfor, aluminium, boor en stikstof in siliciumcarbide aanzienlijk lager, waardoor temperaturen boven 2000°C nodig zijn voor redelijke diffusiesnelheden. Diffusie bij hoge temperaturen brengt verschillende problemen met zich mee, zoals meerdere diffusiedefecten die de elektrische prestaties verslechteren en de incompatibiliteit van gewone fotoresists als maskers, waardoor ionenimplantatie de enige keuze is voor dotering van siliciumcarbide.

▲Figuur 1. Vergelijkende diffusieconstanten van belangrijke doteerstoffen in SiC en Si

Tijdens ionenimplantatie verliezen ionen energie door botsingen met roosteratomen van het substraat, waardoor energie naar deze atomen wordt overgedragen. Deze overgedragen energie bevrijdt de atomen van hun roosterbindende energie, waardoor ze zich binnen het substraat kunnen bewegen en met andere roosteratomen kunnen botsen, waardoor ze loskomen. Dit proces gaat door totdat er geen vrije atomen meer over voldoende energie beschikken om andere uit het rooster te bevrijden.

Vanwege de enorme hoeveelheid betrokken ionen veroorzaakt ionenimplantatie uitgebreide roosterschade nabij het substraatoppervlak, waarbij de omvang van de schade verband houdt met de implantatieparameters zoals dosering en energie. Overmatige doseringen kunnen de kristalstructuur nabij het substraatoppervlak vernietigen, waardoor deze amorf wordt. Deze roosterschade moet worden gerepareerd tot een monokristallijne structuur en de doteermiddelen tijdens het uitgloeiproces worden geactiveerd.

Door gloeien bij hoge temperaturen kunnen atomen energie uit warmte halen en snelle thermische bewegingen ondergaan. Zodra ze naar posities binnen het eenkristalrooster met de laagste vrije energie gaan, vestigen ze zich daar. Aldus reconstrueren de beschadigde amorfe siliciumcarbide- en doteringsatomen nabij het substraatgrensvlak de structuur van één kristal door in de roosterposities te passen en gebonden te zijn door roosterenergie. Dit gelijktijdige roosterherstel en doteermiddelactivering vinden plaats tijdens het uitgloeien.

Onderzoek heeft de relatie gerapporteerd tussen de activeringssnelheden van doteermiddelen in SiC en gloeitemperaturen (Figuur 2a). In deze context zijn zowel de epitaxiale laag als het substraat van het n-type, waarbij stikstof en fosfor zijn geïmplanteerd tot een diepte van 0,4 μm en een totale dosering van 1×10^14 cm^-2. Zoals getoond in figuur 2a vertoont stikstof een activeringssnelheid van minder dan 10% na uitgloeien bij 1400°C, en bereikt 90% bij 1600°C. Het gedrag van fosfor is vergelijkbaar en vereist een gloeitemperatuur van 1600°C voor een activeringspercentage van 90%.

▲Figuur 2a. Activeringssnelheden van verschillende elementen bij verschillende gloeitemperaturen in SiC

Voor p-type ionenimplantatieprocessen wordt aluminium doorgaans als doteringsmiddel gebruikt vanwege het afwijkende diffusie-effect van boor. Net als bij implantatie van het n-type verhoogt gloeien bij 1600°C de activeringssnelheid van aluminium aanzienlijk. Uit onderzoek van Negoro et al. ontdekte dat zelfs bij 500 ° C de plaatweerstand een verzadiging bereikte bij 3000 Ω/vierkant bij implantatie van hoge doses aluminium, en dat het verder verhogen van de dosering de weerstand niet verminderde, wat aangeeft dat aluminium niet langer ioniseert. Het gebruik van ionenimplantatie om zwaar gedoteerde p-type gebieden te creëren blijft dus een technologische uitdaging.

▲Figuur 2b. Relatie tussen activeringssnelheden en dosering van verschillende elementen in SiC

De diepte en concentratie van doteerstoffen zijn kritische factoren bij ionenimplantatie, die rechtstreeks van invloed zijn op de daaropvolgende elektrische prestaties van het apparaat en moeten strikt worden gecontroleerd. Secundaire ionenmassaspectrometrie (SIMS) kan worden gebruikt om de diepte en concentratie van doteermiddelen na implantatie te meten.**