Εισαγωγή στη διαδικασία εμφύτευσης και ανόπτησης ιόντων καρβιδίου πυριτίου

Στις διαδικασίες ντόπινγκ των συσκευών ισχύος καρβιδίου του πυριτίου, τα κοινά χρησιμοποιούμενα ντόπινγκ περιλαμβάνουν άζωτο και φώσφορο για ντόπινγκ τύπου n και αλουμίνιο και βόριο για ντόπινγκ τύπου p, με τις ενέργειες ιονισμού και τα όρια διαλυτότητάς τους που παρουσιάζονται στον Πίνακα 1 (σημείωση: εξαγωνικό (h ) και κυβικά (k)).

▲ Πίνακας 1. Ενέργειες Ιοντισμού και Όρια Διαλυτότητας Κύριων Ναρκωτικών στο SiC

Το Σχήμα 1 απεικονίζει τους εξαρτώμενους από τη θερμοκρασία συντελεστές διάχυσης των κύριων προσμείξεων σε SiC και Si. Οι προσμείξεις σε πυρίτιο εμφανίζουν υψηλότερους συντελεστές διάχυσης, επιτρέποντας ντόπινγκ διάχυσης υψηλής θερμοκρασίας περίπου στους 1300°C. Αντίθετα, οι συντελεστές διάχυσης του φωσφόρου, του αλουμινίου, του βορίου και του αζώτου στο καρβίδιο του πυριτίου είναι σημαντικά χαμηλότεροι, απαιτώντας θερμοκρασίες πάνω από 2000°C για λογικούς ρυθμούς διάχυσης. Η διάχυση σε υψηλή θερμοκρασία εισάγει διάφορα ζητήματα, όπως πολλαπλά ελαττώματα διάχυσης που υποβαθμίζουν την ηλεκτρική απόδοση και την ασυμβατότητα των κοινών φωτοανθεκτικών ως μάσκες, καθιστώντας την εμφύτευση ιόντων τη μοναδική επιλογή για ντόπινγκ καρβιδίου του πυριτίου.

▲ Σχήμα 1. Συγκριτικές σταθερές διάχυσης των κύριων προσμείξεων σε SiC και Si

Κατά την εμφύτευση ιόντων, τα ιόντα χάνουν ενέργεια μέσω συγκρούσεων με άτομα πλέγματος του υποστρώματος, μεταφέροντας ενέργεια σε αυτά τα άτομα. Αυτή η μεταφερόμενη ενέργεια απελευθερώνει τα άτομα από την ενέργεια δέσμευσης του πλέγματος, επιτρέποντάς τους να κινούνται μέσα στο υπόστρωμα και να συγκρούονται με άλλα άτομα πλέγματος, αποσπώντας τα. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται έως ότου κανένα ελεύθερο άτομο δεν έχει αρκετή ενέργεια για να απελευθερώσει άλλα από το πλέγμα.

Λόγω της τεράστιας ποσότητας ιόντων που εμπλέκονται, η εμφύτευση ιόντων προκαλεί εκτεταμένη ζημιά στο πλέγμα κοντά στην επιφάνεια του υποστρώματος, με την έκταση της βλάβης να σχετίζεται με τις παραμέτρους εμφύτευσης όπως η δόση και η ενέργεια. Οι υπερβολικές δόσεις μπορούν να καταστρέψουν την κρυσταλλική δομή κοντά στην επιφάνεια του υποστρώματος, καθιστώντας την άμορφη. Αυτή η ζημιά στο πλέγμα πρέπει να επισκευαστεί σε μια μονοκρυσταλλική δομή και να ενεργοποιήσει τα πρόσμικτα κατά τη διαδικασία ανόπτησης.

Η ανόπτηση σε υψηλή θερμοκρασία επιτρέπει στα άτομα να αποκτούν ενέργεια από τη θερμότητα, υποβάλλοντας σε ταχεία θερμική κίνηση. Μόλις μετακινηθούν σε θέσεις μέσα στο μονοκρυσταλλικό πλέγμα με τη χαμηλότερη ελεύθερη ενέργεια, εγκαθίστανται εκεί. Έτσι, το κατεστραμμένο άμορφο καρβίδιο του πυριτίου και τα άτομα πρόσμιξης κοντά στη διεπιφάνεια του υποστρώματος ανασυνθέτουν τη μονοκρυσταλλική δομή προσαρμόζοντας στις θέσεις του πλέγματος και δεσμεύονται από την ενέργεια του πλέγματος. Αυτή η ταυτόχρονη επιδιόρθωση πλέγματος και ενεργοποίηση προσμίξεων συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της ανόπτησης.

Η έρευνα έχει αναφέρει τη σχέση μεταξύ των ρυθμών ενεργοποίησης των προσμείξεων σε SiC και των θερμοκρασιών ανόπτησης (Εικόνα 2α). Στο πλαίσιο αυτό, τόσο η επιταξιακή στιβάδα όσο και το υπόστρωμα είναι τύπου n, με εμφύτευση αζώτου και φωσφόρου σε βάθος 0,4μm και συνολική δόση 1×10^14 cm^-2. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2α, το άζωτο εμφανίζει ρυθμό ενεργοποίησης κάτω από 10% μετά από ανόπτηση στους 1400°C, φθάνοντας το 90% στους 1600°C. Η συμπεριφορά του φωσφόρου είναι παρόμοια, καθώς απαιτεί θερμοκρασία ανόπτησης 1600°C για ρυθμό ενεργοποίησης 90%.

▲Εικόνα 2α. Ρυθμοί ενεργοποίησης διαφορετικών στοιχείων σε διάφορες θερμοκρασίες ανόπτησης σε SiC

Για διεργασίες εμφύτευσης ιόντων τύπου p, το αλουμίνιο χρησιμοποιείται γενικά ως πρόσμιξη λόγω της ανώμαλης επίδρασης διάχυσης του βορίου. Παρόμοια με την εμφύτευση τύπου n, η ανόπτηση στους 1600°C ενισχύει σημαντικά τον ρυθμό ενεργοποίησης του αλουμινίου. Ωστόσο, η έρευνα των Negoro et al. διαπίστωσε ότι ακόμη και στους 500°C, η αντίσταση του φύλλου έφτασε σε κορεσμό στα 3000Ω/τετράγωνο με εμφύτευση αλουμινίου υψηλής δόσης και η περαιτέρω αύξηση της δόσης δεν μείωσε την αντίσταση, υποδεικνύοντας ότι το αλουμίνιο δεν ιονίζεται πλέον. Έτσι, η χρήση εμφύτευσης ιόντων για τη δημιουργία περιοχών τύπου p με έντονη πρόσμιξη παραμένει μια τεχνολογική πρόκληση.

▲Εικόνα 2β. Σχέση μεταξύ των ρυθμών ενεργοποίησης και της δόσης διαφορετικών στοιχείων στο SiC

Το βάθος και η συγκέντρωση των προσμείξεων είναι κρίσιμοι παράγοντες για την εμφύτευση ιόντων, που επηρεάζουν άμεσα την επακόλουθη ηλεκτρική απόδοση της συσκευής και πρέπει να ελέγχονται αυστηρά. Η δευτερογενής φασματομετρία μάζας ιόντων (SIMS) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση του βάθους και της συγκέντρωσης των προσμείξεων μετά την εμφύτευση.**