Panimula sa Silicon Carbide Ion Implantation and Annealing Process

Sa mga proseso ng doping ng mga silicon carbide power device, ang karaniwang ginagamit na mga dopant ay kinabibilangan ng nitrogen at phosphorus para sa n-type na doping, at aluminum at boron para sa p-type na doping, kasama ang kanilang mga ionization energies at mga limitasyon sa solubility na ipinakita sa Talahanayan 1 (tandaan: hexagonal (h ) at kubiko (k)).

▲Talahanayan 1. Mga Ionization Energies at Solubility Limits ng Major Dopants sa SiC

Ang Figure 1 ay naglalarawan ng mga coefficient ng pagsasabog na umaasa sa temperatura ng mga pangunahing dopant sa SiC at Si. Ang mga dopant sa silicon ay nagpapakita ng mas mataas na diffusion coefficient, na nagbibigay-daan para sa high-temperature diffusion doping sa paligid ng 1300°C. Sa kaibahan, ang mga diffusion coefficient ng phosphorus, aluminum, boron, at nitrogen sa silicon carbide ay makabuluhang mas mababa, na nangangailangan ng mga temperatura sa itaas 2000°C para sa makatwirang mga rate ng diffusion. Ang high-temperature diffusion ay nagpapakilala ng iba't ibang isyu, tulad ng maraming diffusion na depekto na nagpapababa sa pagganap ng kuryente at ang hindi pagkakatugma ng mga karaniwang photoresist bilang mga maskara, na ginagawang ang ion implantation ang tanging pagpipilian para sa silicon carbide doping.

▲Figure 1. Comparative Diffusion Constants ng Major Dopants sa SiC at Si

Sa panahon ng pagtatanim ng ion, nawawalan ng enerhiya ang mga ion sa pamamagitan ng mga banggaan sa mga atomo ng sala-sala ng substrate, na naglilipat ng enerhiya sa mga atomo na ito. Ang inilipat na enerhiya na ito ay naglalabas ng mga atomo mula sa kanilang lattice binding energy, na nagpapahintulot sa kanila na lumipat sa loob ng substrate at bumangga sa iba pang mga lattice atoms, na nag-aalis sa kanila. Ang prosesong ito ay nagpapatuloy hanggang sa walang mga libreng atom na may sapat na enerhiya upang palabasin ang iba mula sa sala-sala.

Dahil sa napakalaking dami ng mga ion na kasangkot, ang ion implantation ay nagdudulot ng malawak na pinsala sa sala-sala malapit sa ibabaw ng substrate, na may lawak ng pinsala na nauugnay sa mga parameter ng pagtatanim tulad ng dosis at enerhiya. Ang labis na dosis ay maaaring sirain ang kristal na istraktura malapit sa ibabaw ng substrate, na nagiging amorphous. Ang pinsala sa sala-sala na ito ay dapat ayusin sa isang solong kristal na istraktura at i-activate ang mga dopant sa panahon ng proseso ng pagsusubo.

Ang high-temperature annealing ay nagbibigay-daan sa mga atom na makakuha ng enerhiya mula sa init, na sumasailalim sa mabilis na thermal motion. Sa sandaling lumipat sila sa mga posisyon sa loob ng single-crystal lattice na may pinakamababang libreng enerhiya, doon sila tumira. Kaya, ang nasira na amorphous silicon carbide at dopant atoms na malapit sa substrate interface ay muling buuin ang single-crystal na istraktura sa pamamagitan ng pag-angkop sa mga posisyon ng sala-sala at nakagapos ng enerhiya ng sala-sala. Ang sabay-sabay na pagsasaayos ng sala-sala at pag-activate ng dopant ay nangyayari sa panahon ng pagsusubo.

Iniulat ng pananaliksik ang kaugnayan sa pagitan ng mga rate ng pag-activate ng mga dopant sa SiC at mga temperatura ng pagsusubo (Larawan 2a). Sa kontekstong ito, ang parehong epitaxial layer at substrate ay n-type, na may nitrogen at phosphorus na itinanim sa lalim na 0.4μm at isang kabuuang dosis na 1 × 10 ^ 14 cm ^ -2. Tulad ng ipinapakita sa Figure 2a, ang nitrogen ay nagpapakita ng isang activation rate sa ibaba 10% pagkatapos ng pagsusubo sa 1400 ° C, na umaabot sa 90% sa 1600 ° C. Ang pag-uugali ng phosphorus ay magkatulad, na nangangailangan ng annealing temperature na 1600°C para sa 90% activation rate.

▲Larawan 2a. Mga Rate ng Pag-activate ng Iba't ibang Elemento sa Iba't Ibang Temperatura ng Pagsusupil sa SiC

Para sa mga p-type na proseso ng pagtatanim ng ion, ang aluminyo ay karaniwang ginagamit bilang dopant dahil sa maanomalyang epekto ng pagsasabog ng boron. Katulad ng n-type na implantation, ang pagsusubo sa 1600°C ay makabuluhang pinapataas ang activation rate ng aluminum. Gayunpaman, ang pananaliksik ni Negoro et al. natagpuan na kahit na sa 500 ° C, ang sheet resistance ay umabot sa saturation sa 3000Ω/square na may mataas na dosis na aluminum implantation, at ang pagtaas ng dosis ay hindi nakabawas sa resistensya, na nagpapahiwatig na ang aluminyo ay hindi na nag-ionize. Kaya, ang paggamit ng ion implantation upang lumikha ng mabigat na doped p-type na mga rehiyon ay nananatiling isang teknolohikal na hamon.

▲Larawan 2b. Relasyon sa Pagitan ng Mga Rate ng Pag-activate at Dosis ng Iba't ibang Elemento sa SiC

Ang lalim at konsentrasyon ng mga dopant ay mga kritikal na salik sa pagtatanim ng ion, direktang nakakaapekto sa kasunod na pagganap ng kuryente ng device at dapat na mahigpit na kontrolin. Maaaring gamitin ang Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) upang sukatin ang lalim at konsentrasyon ng mga dopant pagkatapos ng pagtatanim.**