مقدمه ای بر فرآیند کاشت و بازپخت یون کاربید سیلیکون

در فرآیندهای دوپینگ دستگاه‌های قدرت کاربید سیلیکون، ناخالص‌های متداول مورد استفاده شامل نیتروژن و فسفر برای دوپینگ نوع n و آلومینیوم و بور برای دوپینگ نوع p، با انرژی‌های یونیزاسیون و محدودیت‌های حلالیت ارائه شده در جدول 1 (توجه داشته باشید: شش ضلعی (h) ) و مکعب (k)).

▲ جدول 1. انرژی های یونیزاسیون و حدود حلالیت مواد ناخالص اصلی در SiC

شکل 1 ضرایب انتشار وابسته به دما مواد ناخالص اصلی در SiC و Si را نشان می دهد. مواد ناخالص در سیلیکون ضرایب انتشار بالاتری را نشان می‌دهند که امکان دوپینگ انتشار در دمای بالا در حدود 1300 درجه سانتیگراد را فراهم می‌کند. در مقابل، ضرایب انتشار فسفر، آلومینیوم، بور و نیتروژن در کاربید سیلیکون به طور قابل توجهی پایین‌تر است و برای سرعت انتشار معقول، دمای بالاتر از 2000 درجه سانتی‌گراد را ضروری می‌سازد. انتشار در دمای بالا مسائل مختلفی را مطرح می‌کند، مانند نقص‌های انتشار متعدد که عملکرد الکتریکی را کاهش می‌دهد و ناسازگاری مقاوم‌های نوری معمولی به عنوان ماسک، و کاشت یون را تنها انتخاب برای دوپینگ کاربید سیلیکون می‌کند.

▲شکل 1. ثابت های انتشار مقایسه ای ناخالصی های اصلی در SiC و Si

در حین کاشت یون، یون ها از طریق برخورد با اتم های شبکه زیرلایه، انرژی خود را از دست می دهند و انرژی را به این اتم ها منتقل می کنند. این انرژی منتقل شده اتم ها را از انرژی اتصال شبکه آزاد می کند و به آنها اجازه می دهد تا در داخل بستر حرکت کنند و با اتم های شبکه دیگر برخورد کنند و آنها را از جای خود خارج کنند. این فرآیند تا زمانی ادامه می‌یابد که هیچ اتم آزاد انرژی کافی برای رها کردن اتم‌های دیگر از شبکه نداشته باشد.

با توجه به مقدار زیاد یون‌های درگیر، کاشت یون باعث آسیب شبکه‌ای گسترده در نزدیکی سطح بستر می‌شود که میزان آسیب مربوط به پارامترهای کاشت مانند دوز و انرژی است. دوزهای بیش از حد می تواند ساختار کریستالی نزدیک سطح بستر را از بین ببرد و آن را بی شکل کند. این آسیب شبکه باید به یک ساختار تک کریستالی ترمیم شود و مواد ناخالص در طول فرآیند آنیلینگ فعال شوند.

بازپخت در دمای بالا به اتم‌ها اجازه می‌دهد تا انرژی خود را از گرما بدست آورند و تحت حرکت حرارتی سریع قرار گیرند. هنگامی که آنها به موقعیت هایی در داخل شبکه تک کریستالی با کمترین انرژی آزاد حرکت می کنند، در آنجا مستقر می شوند. بنابراین، کاربید سیلیکون آمورف آسیب دیده و اتم های ناخالص در نزدیکی سطح مشترک لایه، ساختار تک بلوری را با قرار گرفتن در موقعیت های شبکه و محدود شدن توسط انرژی شبکه بازسازی می کنند. این ترمیم همزمان شبکه و فعال سازی ناخالصی در طول بازپخت رخ می دهد.

تحقیقات رابطه بین نرخ فعال سازی مواد ناخالص در SiC و دمای بازپخت را گزارش کرده است (شکل 2a). در این زمینه، هر دو لایه اپیتاکسیال و بستر از نوع n هستند، با نیتروژن و فسفر کاشته شده در عمق 0.4μm و دوز کلی 1×10^14cm^-2. همانطور که در شکل 2 الف نشان داده شده است، نیتروژن پس از بازپخت در دمای 1400 درجه سانتیگراد، نرخ فعال سازی زیر 10 درصد را نشان می دهد و در دمای 1600 درجه سانتیگراد به 90 درصد می رسد. رفتار فسفر مشابه است، به دمای بازپخت 1600 درجه سانتیگراد برای نرخ فعال سازی 90 درصد نیاز دارد.

▲شکل 2a. نرخ فعال سازی عناصر مختلف در دماهای بازپخت مختلف در SiC

برای فرآیندهای کاشت یون نوع p، آلومینیوم به طور کلی به عنوان ماده ناخالص به دلیل اثر انتشار غیرعادی بور استفاده می شود. همانند کاشت نوع n، بازپخت در دمای 1600 درجه سانتی گراد به طور قابل توجهی سرعت فعال سازی آلومینیوم را افزایش می دهد. با این حال، تحقیقات Negoro و همکاران. دریافت که حتی در دمای 500 درجه سانتیگراد، مقاومت ورق در 3000Ω/مربع با کاشت آلومینیوم با دوز بالا به اشباع رسید و افزایش دوز بیشتر مقاومت را کاهش نداد، که نشان می‌دهد آلومینیوم دیگر یونیزه نمی‌شود. بنابراین، استفاده از کاشت یون برای ایجاد نواحی با دوپینگ شدید نوع p همچنان یک چالش تکنولوژیکی است.

▲شکل 2b. رابطه بین نرخ فعال سازی و دوز عناصر مختلف در SiC

عمق و غلظت مواد ناخالص فاکتورهای حیاتی در کاشت یون هستند که مستقیماً بر عملکرد الکتریکی بعدی دستگاه تأثیر می‌گذارند و باید به شدت کنترل شوند. طیف سنجی جرمی یون ثانویه (SIMS) را می توان برای اندازه گیری عمق و غلظت مواد ناخالص پس از کاشت استفاده کرد.**