Johdatus piikarbidi-ionien istutus- ja hehkutusprosessiin

Piikarbiditeholaitteiden seostusprosesseissa yleisesti käytettyjä seostusaineita ovat typpi ja fosfori n-tyypin seostuksessa sekä alumiini ja boori p-tyypin seostuksessa, joiden ionisaatioenergiat ja liukoisuusrajat on esitetty taulukossa 1 (huom: kuusikulmainen (h) ) ja kuutio (k)).

▲ Taulukko 1. Pääasiallisten lisäaineiden ionisaatioenergiat ja liukoisuusrajat piikarbidissa

Kuva 1 havainnollistaa tärkeimpien piikarbidin ja piikin lisäaineiden lämpötilasta riippuvat diffuusiokertoimet. Piin seostusaineilla on korkeammat diffuusiokertoimet, mikä mahdollistaa diffuusioseostuksen korkeassa lämpötilassa noin 1300 °C:ssa. Sitä vastoin fosforin, alumiinin, boorin ja typen diffuusiokertoimet piikarbidissa ovat huomattavasti alhaisemmat, mikä edellyttää yli 2000 °C:n lämpötiloja kohtuullisten diffuusionopeuksien saavuttamiseksi. Korkean lämpötilan diffuusio tuo mukanaan erilaisia ​​ongelmia, kuten useita diffuusiovirheitä, jotka heikentävät sähköistä suorituskykyä ja yleisten fotoresistien yhteensopimattomuutta maskeina, mikä tekee ioni-implantaatiosta ainoan valinnan piikarbidin seostukseen.

▲Kuva 1. Tärkeimpien seostusaineiden vertailevat diffuusiovakiot piikarbidissa ja silissä

Ioni-istutuksen aikana ionit menettävät energiaa törmäyksissä substraatin hilaatomien kanssa siirtäen energiaa näihin atomeihin. Tämä siirretty energia vapauttaa atomit niiden hilan sitoutumisenergiasta, jolloin ne voivat liikkua substraatissa ja törmätä muihin hilaatomeihin ja irrottaa ne. Tämä prosessi jatkuu, kunnes yhdelläkään vapaalla atomilla ei ole tarpeeksi energiaa vapauttaakseen muita hilasta.

Suuresta ionimäärästä johtuen ioni-istutus aiheuttaa laajan hilavaurion lähellä substraatin pintaa, ja vaurion laajuus liittyy implantaatioparametreihin, kuten annostukseen ja energiaan. Liialliset annokset voivat tuhota kiderakenteen lähellä substraatin pintaa ja muuttaa sen amorfiseksi. Tämä hilavaurio on korjattava yksikiderakenteeksi ja aktivoitava seostusaineet hehkutusprosessin aikana.

Korkean lämpötilan hehkutus antaa atomeille mahdollisuuden saada energiaa lämmöstä nopean lämpöliikkeen läpi. Kun he siirtyvät paikkoihin yksikidehilassa, joilla on alhaisin vapaaenergia, ne asettuvat sinne. Siten vaurioituneet amorfinen piikarbidi ja lisäaineatomit lähellä substraattirajapintaa rekonstruoivat yksikiderakenteen sovittamalla hila-asemiin ja sitoutumalla hilaenergiaan. Tämä samanaikainen hilan korjaus ja seostusaineen aktivointi tapahtuu hehkutuksen aikana.

Tutkimukset ovat raportoineet piikarbidissa olevien lisäaineiden aktivaationopeuksien ja hehkutuslämpötilojen välisen suhteen (kuva 2a). Tässä yhteydessä sekä epitaksiaalinen kerros että substraatti ovat n-tyyppisiä, ja typpeä ja fosforia on istutettu 0,4 μm:n syvyyteen ja kokonaisannostus on 1 × 10^14 cm^-2. Kuten kuviossa 2a on esitetty, typen aktivaationopeus on alle 10 % lämpökäsittelyn jälkeen 1400°C:ssa ja saavuttaa 90 % 1600°C:ssa. Fosforin käyttäytyminen on samanlainen, ja se vaatii 1600 °C:n hehkutuslämpötilan 90 %:n aktivointinopeuden saavuttamiseksi.

▲Kuva 2a. Eri elementtien aktivointinopeudet erilaisissa piikarbidin hehkutuslämpötiloissa

P-tyypin ioni-istutusprosesseissa seostusaineena käytetään yleensä alumiinia boorin epänormaalin diffuusiovaikutuksen vuoksi. Samoin kuin n-tyypin implantaatio, hehkutus 1600 °C:ssa parantaa merkittävästi alumiinin aktivaationopeutta. Kuitenkin Negoron et al. havaitsivat, että jopa 500 °C:ssa levyn vastus saavutti kyllästymisen arvolla 3000 Ω/neliö korkean annoksen alumiini-istutuksella, eikä annoksen lisääminen edelleen vähentänyt vastusta, mikä osoittaa, että alumiini ei enää ionisoi. Siten ioni-implantaation käyttö voimakkaasti seostettujen p-tyypin alueiden luomiseen on edelleen teknologinen haaste.

▲Kuva 2b. Aktivointinopeuksien ja SiC:n eri elementtien annostelun välinen suhde

Lisäaineiden syvyys ja pitoisuus ovat kriittisiä tekijöitä ioni-istutuksissa, jotka vaikuttavat suoraan laitteen myöhempään sähköiseen suorituskykyyn, ja niitä on valvottava tiukasti. Toissijaista ionimassaspektrometriaa (SIMS) voidaan käyttää mittaamaan lisäaineiden syvyyttä ja pitoisuutta istutuksen jälkeen.**