Introduzione al processo di impianto ionico e ricottura del carburo di silicio

Nei processi di drogaggio dei dispositivi di potenza al carburo di silicio, i droganti comunemente usati includono azoto e fosforo per il drogaggio di tipo n e alluminio e boro per il drogaggio di tipo p, con le loro energie di ionizzazione e limiti di solubilità presentati nella Tabella 1 (nota: esagonale (h ) e cubico (k)).

▲Tabella 1. Energie di ionizzazione e limiti di solubilità dei principali droganti nel SiC

La Figura 1 illustra i coefficienti di diffusione dipendenti dalla temperatura dei principali droganti in SiC e Si. I droganti nel silicio presentano coefficienti di diffusione più elevati, consentendo il drogaggio per diffusione ad alta temperatura intorno a 1300°C. Al contrario, i coefficienti di diffusione di fosforo, alluminio, boro e azoto nel carburo di silicio sono significativamente più bassi, richiedendo temperature superiori a 2000°C per velocità di diffusione ragionevoli. La diffusione ad alta temperatura introduce vari problemi, come molteplici difetti di diffusione che degradano le prestazioni elettriche e l'incompatibilità dei comuni fotoresist come maschere, rendendo l'impianto ionico l'unica scelta per il drogaggio del carburo di silicio.

▲Figura 1. Costanti di diffusione comparativa dei principali droganti in SiC e Si

Durante l'impianto ionico, gli ioni perdono energia attraverso le collisioni con gli atomi reticolari del substrato, trasferendo energia a questi atomi. Questa energia trasferita libera gli atomi dalla loro energia di legame al reticolo, consentendo loro di muoversi all'interno del substrato e scontrarsi con altri atomi del reticolo, spostandoli. Questo processo continua finché nessun atomo libero ha energia sufficiente per liberarne altri dal reticolo.

A causa dell'enorme quantità di ioni coinvolti, l'impianto ionico provoca estesi danni al reticolo vicino alla superficie del substrato, con l'entità del danno correlata ai parametri di impianto come dosaggio ed energia. Dosaggi eccessivi possono distruggere la struttura cristallina vicino alla superficie del substrato, rendendolo amorfo. Questo danno reticolare deve essere riparato su una struttura monocristallina e attivare i droganti durante il processo di ricottura.

La ricottura ad alta temperatura consente agli atomi di ottenere energia dal calore, subendo un rapido movimento termico. Una volta che si spostano nelle posizioni all’interno del reticolo monocristallino con l’energia libera più bassa, si stabiliscono lì. Pertanto, il carburo di silicio amorfo danneggiato e gli atomi droganti vicino all'interfaccia del substrato ricostruiscono la struttura monocristallina adattandosi alle posizioni del reticolo ed essendo vincolati dall'energia reticolare. Questa riparazione simultanea del reticolo e l'attivazione del drogante si verificano durante la ricottura.

La ricerca ha riportato la relazione tra i tassi di attivazione dei droganti nel SiC e le temperature di ricottura (Figura 2a). In questo contesto, sia lo strato epitassiale che il substrato sono di tipo n, con azoto e fosforo impiantati a una profondità di 0,4μm e un dosaggio totale di 1×10^14 cm^-2. Come mostrato nella Figura 2a, l'azoto mostra un tasso di attivazione inferiore al 10% dopo la ricottura a 1400°C, raggiungendo il 90% a 1600°C. Il comportamento del fosforo è simile, richiedendo una temperatura di ricottura di 1600°C per un tasso di attivazione del 90%.

▲Figura 2a. Tassi di attivazione di diversi elementi a varie temperature di ricottura nel SiC

Per i processi di impiantazione ionica di tipo p, l’alluminio viene generalmente utilizzato come drogante a causa dell’effetto di diffusione anomalo del boro. Similmente all’impianto di tipo n, la ricottura a 1600°C aumenta significativamente il tasso di attivazione dell’alluminio. Tuttavia, la ricerca di Negoro et al. hanno scoperto che anche a 500°C, la resistenza del foglio raggiungeva la saturazione a 3000Ω/quadrato con impianto di alluminio ad alta dose, e aumentando ulteriormente il dosaggio non si riduceva la resistenza, indicando che l'alluminio non si ionizza più. Pertanto, l’utilizzo dell’impianto ionico per creare regioni di tipo p fortemente drogate rimane una sfida tecnologica.

▲Figura 2b. Relazione tra velocità di attivazione e dosaggio di diversi elementi nel SiC

La profondità e la concentrazione dei droganti sono fattori critici nell'impianto ionico, poiché influenzano direttamente le successive prestazioni elettriche del dispositivo e devono essere rigorosamente controllate. La spettrometria di massa ionica secondaria (SIMS) può essere utilizzata per misurare la profondità e la concentrazione dei droganti dopo l'impianto.**