Pengenalan kepada Proses Implantasi dan Penyepuhlindapan Ion Silikon Karbida

Dalam proses doping peranti kuasa silikon karbida, dopan yang biasa digunakan termasuk nitrogen dan fosforus untuk doping jenis-n, dan aluminium dan boron untuk doping jenis-p, dengan tenaga pengionan dan had keterlarutannya dibentangkan dalam Jadual 1 (nota: heksagon (h ) dan padu (k)).

▲Jadual 1. Tenaga Pengionan dan Had Keterlarutan Dopan Utama dalam SiC

Rajah 1 menggambarkan pekali resapan bergantung kepada suhu bagi dopan utama dalam SiC dan Si. Dopan dalam silikon mempamerkan pekali resapan yang lebih tinggi, membolehkan doping resapan suhu tinggi sekitar 1300°C. Sebaliknya, pekali resapan fosforus, aluminium, boron, dan nitrogen dalam silikon karbida adalah jauh lebih rendah, memerlukan suhu melebihi 2000°C untuk kadar resapan yang munasabah. Resapan suhu tinggi memperkenalkan pelbagai isu, seperti kecacatan resapan berbilang merendahkan prestasi elektrik dan ketidakserasian photoresist biasa sebagai topeng, menjadikan implantasi ion sebagai pilihan tunggal untuk doping silikon karbida.

▲Rajah 1. Pemalar Resapan Perbandingan Dopan Utama dalam SiC dan Si

Semasa implantasi ion, ion kehilangan tenaga melalui perlanggaran dengan atom kekisi substrat, memindahkan tenaga kepada atom ini. Tenaga yang dipindahkan ini membebaskan atom daripada tenaga pengikat kekisinya, membolehkan mereka bergerak dalam substrat dan berlanggar dengan atom kekisi lain, mencabutnya. Proses ini berterusan sehingga tiada atom bebas mempunyai tenaga yang mencukupi untuk melepaskan yang lain daripada kekisi.

Disebabkan oleh kuantiti ion yang terlibat secara besar-besaran, implantasi ion menyebabkan kerosakan kekisi yang meluas berhampiran permukaan substrat, dengan tahap kerosakan yang berkaitan dengan parameter implantasi seperti dos dan tenaga. Dos yang berlebihan boleh memusnahkan struktur kristal berhampiran permukaan substrat, menjadikannya amorf. Kerosakan kekisi ini mesti dibaiki kepada struktur kristal tunggal dan mengaktifkan dopan semasa proses penyepuhlindapan.

Penyepuhlindapan suhu tinggi membolehkan atom memperoleh tenaga daripada haba, menjalani gerakan terma yang pantas. Sebaik sahaja mereka berpindah ke kedudukan dalam kekisi kristal tunggal dengan tenaga bebas yang paling rendah, mereka menetap di sana. Oleh itu, silikon karbida amorfus dan atom dopan yang rosak berhampiran antara muka substrat membina semula struktur kristal tunggal dengan memasangkan ke dalam kedudukan kekisi dan diikat oleh tenaga kekisi. Pembaikan kekisi serentak dan pengaktifan dopan ini berlaku semasa penyepuhlindapan.

Penyelidikan telah melaporkan hubungan antara kadar pengaktifan dopan dalam SiC dan suhu penyepuhlindapan (Rajah 2a). Dalam konteks ini, kedua-dua lapisan epitaxial dan substrat adalah jenis-n, dengan nitrogen dan fosforus ditanam pada kedalaman 0.4μm dan jumlah dos 1×10^14 cm^-2. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2a, nitrogen mempamerkan kadar pengaktifan di bawah 10% selepas penyepuhlindapan pada 1400°C, mencapai 90% pada 1600°C. Kelakuan fosforus adalah serupa, memerlukan suhu penyepuhlindapan 1600°C untuk kadar pengaktifan 90%.

▲Rajah 2a. Kadar Pengaktifan Elemen Berbeza pada Pelbagai Suhu Penyepuhlindapan dalam SiC

Untuk proses implantasi ion jenis-p, aluminium biasanya digunakan sebagai dopan disebabkan oleh kesan penyebaran anomali boron. Sama seperti implantasi jenis-n, penyepuhlindapan pada 1600°C dengan ketara meningkatkan kadar pengaktifan aluminium. Walau bagaimanapun, penyelidikan oleh Negoro et al. mendapati walaupun pada 500°C, rintangan kepingan mencapai ketepuan pada 3000Ω/persegi dengan implantasi aluminium dos tinggi, dan meningkatkan dos selanjutnya tidak mengurangkan rintangan, menunjukkan bahawa aluminium tidak lagi mengion. Oleh itu, menggunakan implantasi ion untuk mencipta kawasan jenis p yang banyak didop kekal sebagai cabaran teknologi.

▲Rajah 2b. Hubungan Antara Kadar Pengaktifan dan Dos Elemen Berbeza dalam SiC

Kedalaman dan kepekatan dopan adalah faktor kritikal dalam implantasi ion, secara langsung mempengaruhi prestasi elektrik peranti seterusnya dan mesti dikawal dengan ketat. Spektrometri Jisim Ion Sekunder (SIMS) boleh digunakan untuk mengukur kedalaman dan kepekatan dopan selepas implantasi.**