Introduktion till kiselkarbidjonimplantation och glödgningsprocessen

I dopningsprocesserna för kraftenheter av kiselkarbid inkluderar vanliga dopningsmedel kväve och fosfor för dopning av n-typ, och aluminium och bor för dopning av p-typ, med deras joniseringsenergier och löslighetsgränser presenterade i Tabell 1 (notera: hexagonal (h) ) och kubisk (k)).

▲Tabell 1. Joniseringsenergier och löslighetsgränser för viktiga dopämnen i SiC

Figur 1 illustrerar de temperaturberoende diffusionskoefficienterna för viktiga dopämnen i SiC och Si. Dopningsmedel i kisel uppvisar högre diffusionskoefficienter, vilket möjliggör diffusionsdopning vid hög temperatur runt 1300°C. Däremot är diffusionskoefficienterna för fosfor, aluminium, bor och kväve i kiselkarbid betydligt lägre, vilket kräver temperaturer över 2000°C för rimliga diffusionshastigheter. Högtemperaturdiffusion introducerar olika problem, såsom multipla diffusionsdefekter som försämrar elektrisk prestanda och inkompatibiliteten hos vanliga fotoresister som masker, vilket gör jonimplantation till det enda valet för kiselkarbiddopning.

▲Figur 1. Jämförande diffusionskonstanter för huvuddopanter i SiC och Si

Under jonimplantation förlorar joner energi genom kollisioner med gitteratomer i substratet och överför energi till dessa atomer. Denna överförda energi frigör atomerna från deras gitterbindande energi, vilket gör att de kan röra sig inuti substratet och kollidera med andra gitteratomer och lossa dem. Denna process fortsätter tills inga fria atomer har tillräcklig energi för att frigöra andra från gittret.

På grund av den enorma mängden joner som är involverade orsakar jonimplantation omfattande gallerskada nära substratytan, med omfattningen av skadan relaterad till implantationsparametrarna såsom dosering och energi. Överdrivna doser kan förstöra kristallstrukturen nära substratytan och göra den amorf. Denna gallerskada måste repareras till en enkristallstruktur och aktivera dopämnena under glödgningsprocessen.

Högtemperaturglödgning tillåter atomer att få energi från värme och genomgår snabb termisk rörelse. När de väl flyttar till positioner inom enkristallgittret med den lägsta fria energin, bosätter de sig där. Således rekonstruerar de skadade amorfa kiselkarbid- och dopningsatomerna nära substratgränsytan enkelkristallstrukturen genom att passa in i gitterpositionerna och bindas av gitterenergi. Denna samtidiga gitterreparation och dopningsmedelsaktivering sker under glödgning.

Forskning har rapporterat förhållandet mellan aktiveringshastigheterna för dopämnen i SiC och glödgningstemperaturer (Figur 2a). I detta sammanhang är både det epitaxiella skiktet och substratet av n-typ, med kväve och fosfor implanterat till ett djup av 0,4μm och en total dos på 1×10^14 cm^-2. Som visas i figur 2a uppvisar kväve en aktiveringshastighet under 10 % efter glödgning vid 1400°C, och når 90 % vid 1600°C. Fosfors beteende är liknande, vilket kräver en glödgningstemperatur på 1600°C för en aktiveringshastighet på 90 %.

▲Figur 2a. Aktiveringshastigheter för olika element vid olika glödgningstemperaturer i SiC

För jonimplantationsprocesser av p-typ används aluminium vanligtvis som dopningsmedel på grund av bors anomala diffusionseffekt. I likhet med implantation av n-typ ökar glödgning vid 1600°C avsevärt aluminiums aktiveringshastighet. Men forskning av Negoro et al. fann att även vid 500°C nådde arkresistansen mättnad vid 3000Ω/kvadrat med högdosaluminiumimplantation, och att öka dosen ytterligare minskade inte motståndet, vilket indikerar att aluminium inte längre joniserar. Att använda jonimplantation för att skapa kraftigt dopade områden av p-typ förblir således en teknisk utmaning.

▲Figur 2b. Förhållandet mellan aktiveringshastigheter och dosering av olika element i SiC

Djupet och koncentrationen av dopämnen är kritiska faktorer vid jonimplantation, som direkt påverkar enhetens efterföljande elektriska prestanda och måste kontrolleras strikt. Sekundär jonmasspektrometri (SIMS) kan användas för att mäta djupet och koncentrationen av dopämnen efter implantation.**