Введение в процесс ионной имплантации и отжига карбида кремния

В процессах легирования силовых устройств из карбида кремния обычно используемые легирующие присадки включают азот и фосфор для легирования n-типа, а также алюминий и бор для легирования p-типа, энергии ионизации которых и пределы растворимости представлены в таблице 1 (примечание: гексагональные (h ) и кубический (к)).

▲Таблица 1. Энергии ионизации и пределы растворимости основных легирующих добавок в SiC

На рис. 1 показаны температурно-зависимые коэффициенты диффузии основных легирующих примесей в SiC и Si. Примеси в кремнии имеют более высокие коэффициенты диффузии, что позволяет осуществлять высокотемпературное диффузионное легирование около 1300°C. Напротив, коэффициенты диффузии фосфора, алюминия, бора и азота в карбиде кремния значительно ниже, что требует температуры выше 2000 ° C для разумной скорости диффузии. Высокотемпературная диффузия создает различные проблемы, такие как множественные диффузионные дефекты, ухудшающие электрические характеристики, и несовместимость обычных фоторезистов в качестве масок, что делает ионную имплантацию единственным выбором для легирования карбида кремния.

▲Рис. 1. Сравнительные константы диффузии основных легирующих примесей в SiC и Si.

При ионной имплантации ионы теряют энергию за счет столкновений с атомами решетки подложки, передавая энергию этим атомам. Эта переданная энергия освобождает атомы от их энергии связи в решетке, позволяя им двигаться внутри подложки и сталкиваться с другими атомами решетки, смещая их. Этот процесс продолжается до тех пор, пока ни у одного из свободных атомов не будет достаточно энергии, чтобы высвободить другие из решетки.

Из-за огромного количества вовлеченных ионов ионная имплантация вызывает обширное повреждение решетки вблизи поверхности подложки, причем степень повреждения зависит от параметров имплантации, таких как дозировка и энергия. Чрезмерные дозировки могут разрушить кристаллическую структуру вблизи поверхности подложки, сделав ее аморфной. Это повреждение решетки необходимо восстановить до монокристаллической структуры и активировать легирующие примеси в процессе отжига.

Высокотемпературный отжиг позволяет атомам получать энергию за счет тепла, подвергаясь быстрому тепловому движению. Как только они перемещаются в позиции внутри монокристаллической решетки с наименьшей свободной энергией, они там и оседают. Таким образом, поврежденные атомы аморфного карбида кремния и легирующей примеси вблизи границы раздела подложки восстанавливают монокристаллическую структуру, встраиваясь в позиции решетки и связываясь энергией решетки. Это одновременное восстановление решетки и активация легирующей примеси происходят во время отжига.

Исследования показали взаимосвязь между скоростью активации легирующих примесей в SiC и температурой отжига (рис. 2а). В этом контексте и эпитаксиальный слой, и подложка относятся к n-типу, с азотом и фосфором, имплантированными на глубину 0,4 мкм и общей дозой 1×10^14 см^-2. Как показано на рисунке 2а, азот демонстрирует степень активации ниже 10% после отжига при 1400°C и достигает 90% при 1600°C. Поведение фосфора аналогично: для степени активации 90% требуется температура отжига 1600°C.

▲Рисунок 2а. Скорость активации различных элементов при различных температурах отжига в SiC

В процессах имплантации ионов p-типа в качестве легирующей добавки обычно используется алюминий из-за аномального диффузионного эффекта бора. Подобно имплантации n-типа, отжиг при 1600°C значительно увеличивает скорость активации алюминия. Однако исследования Negoro et al. обнаружили, что даже при 500°C сопротивление листа достигло насыщения при 3000 Ом/квадрат при имплантации высокой дозы алюминия, а дальнейшее увеличение дозировки не привело к снижению сопротивления, что указывает на то, что алюминий больше не ионизируется. Таким образом, использование ионной имплантации для создания сильно легированных областей p-типа остается технологической задачей.

▲Рисунок 2б. Связь между скоростью активации и дозировкой различных элементов в SiC

Глубина и концентрация легирующих примесей являются критическими факторами при ионной имплантации, напрямую влияющими на последующие электрические характеристики устройства, и должны строго контролироваться. Масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС) может использоваться для измерения глубины и концентрации легирующих примесей после имплантации.**