Silisyum Karbür İyon İmplantasyonu ve Tavlama Sürecine Giriş

Silisyum karbür güç cihazlarının doping işlemlerinde yaygın olarak kullanılan katkı maddeleri arasında n-tipi doping için nitrojen ve fosfor ve p-tipi doping için alüminyum ve bor yer alır; bunların iyonizasyon enerjileri ve çözünürlük limitleri Tablo 1'de verilmiştir (not: altıgen (h) ) ve kübik (k)).

▲Tablo 1. SiC'deki Ana Katkı Maddelerinin İyonlaşma Enerjileri ve Çözünürlük Limitleri

Şekil 1, SiC ve Si'deki ana katkı maddelerinin sıcaklığa bağlı difüzyon katsayılarını göstermektedir. Silikondaki katkı maddeleri daha yüksek difüzyon katsayıları sergiler ve bu da 1300°C civarında yüksek sıcaklıkta difüzyon katkısına izin verir. Buna karşılık, silisyum karbürdeki fosfor, alüminyum, bor ve nitrojenin difüzyon katsayıları önemli ölçüde düşüktür ve makul difüzyon hızları için 2000°C'nin üzerindeki sıcaklıkları gerektirir. Yüksek sıcaklıkta difüzyon, elektriksel performansı düşüren çoklu difüzyon kusurları ve maske olarak yaygın fotorezistlerin uyumsuzluğu gibi çeşitli sorunları ortaya çıkarır ve iyon implantasyonunu silisyum karbür katkılama için tek seçenek haline getirir.

▲Şekil 1. SiC ve Si'deki Ana Katkı Maddelerinin Karşılaştırmalı Difüzyon Sabitleri

İyon implantasyonu sırasında iyonlar, substratın kafes atomlarıyla çarpışarak enerji kaybeder ve enerjiyi bu atomlara aktarır. Aktarılan bu enerji, atomları kafes bağlama enerjisinden kurtarır, onların substrat içinde hareket etmesine ve diğer kafes atomlarıyla çarpışarak onları yerinden çıkarmasına olanak tanır. Bu süreç, hiçbir serbest atomun diğerlerini kafesten ayırmaya yetecek enerjisi kalmayıncaya kadar devam eder.

İyon implantasyonu, büyük miktarlardaki iyonlar nedeniyle, substrat yüzeyinin yakınında, dozaj ve enerji gibi implantasyon parametreleriyle ilgili hasarın boyutuyla birlikte, yoğun kafes hasarına neden olur. Aşırı dozajlar, substrat yüzeyinin yakınındaki kristal yapıyı tahrip ederek onu amorf hale getirebilir. Bu kafes hasarının tek kristalli bir yapıya onarılması ve tavlama işlemi sırasında katkı maddelerinin etkinleştirilmesi gerekir.

Yüksek sıcaklıkta tavlama, atomların hızlı termal harekete maruz kalarak ısıdan enerji kazanmasını sağlar. Tek kristal kafes içindeki en düşük serbest enerjiye sahip konumlara hareket ettiklerinde oraya yerleşirler. Böylece, alt tabaka arayüzünün yakınındaki hasarlı amorf silisyum karbür ve katkı atomları, kafes konumlarına yerleşerek ve kafes enerjisiyle bağlanarak tek kristalli yapıyı yeniden oluşturur. Bu eşzamanlı kafes onarımı ve katkı maddesi aktivasyonu tavlama sırasında meydana gelir.

Araştırma, SiC'deki katkı maddelerinin aktivasyon oranları ile tavlama sıcaklıkları arasındaki ilişkiyi bildirmiştir (Şekil 2a). Bu bağlamda, hem epitaksiyel katman hem de substrat n tipi olup, nitrojen ve fosfor 0,4μm derinliğe ve toplam 1x10^14 cm^-2 dozaja implante edilir. Şekil 2a'da gösterildiği gibi nitrojen, 1400°C'de tavlama sonrasında %10'un altında bir aktivasyon oranı sergiler ve 1600°C'de %90'a ulaşır. Fosforun davranışı benzerdir ve %90 aktivasyon oranı için 1600°C'lik bir tavlama sıcaklığı gerektirir.

▲Şekil 2a. SiC'de Farklı Elementlerin Çeşitli Tavlama Sıcaklıklarında Aktivasyon Oranları

P-tipi iyon implantasyon proseslerinde borun anormal difüzyon etkisi nedeniyle katkı maddesi olarak genellikle alüminyum kullanılır. N-tipi implantasyona benzer şekilde, 1600°C'de tavlama, alüminyumun aktivasyon oranını önemli ölçüde artırır. Ancak Negoro ve ark. 500°C'de bile yüksek dozda alüminyum implantasyonuyla tabaka direncinin 3000Ω/kare doygunluğa ulaştığını ve dozajın arttırılmasının direnci daha da azaltmadığını, bunun da alüminyumun artık iyonlaşmadığını gösterdiğini buldu. Bu nedenle, ağır katkılı p-tipi bölgeler oluşturmak için iyon implantasyonunun kullanılması teknolojik bir zorluk olmaya devam etmektedir.

▲Şekil 2b. SiC'deki Farklı Elementlerin Aktivasyon Oranları ve Dozajı Arasındaki İlişki

Katkı maddelerinin derinliği ve konsantrasyonu, iyon implantasyonunda kritik faktörlerdir ve cihazın sonraki elektriksel performansını doğrudan etkiler ve sıkı bir şekilde kontrol edilmelidir. İmplantasyon sonrası katkı maddelerinin derinliğini ve konsantrasyonunu ölçmek için İkincil İyon Kütle Spektrometresi (SIMS) kullanılabilir.**