Introdução ao processo de implantação e recozimento de íons de carboneto de silício

Nos processos de dopagem de dispositivos de potência de carboneto de silício, os dopantes comumente usados ​​incluem nitrogênio e fósforo para dopagem do tipo n, e alumínio e boro para dopagem do tipo p, com suas energias de ionização e limites de solubilidade apresentados na Tabela 1 (nota: hexagonal (h ) e cúbico (k)).

▲ Tabela 1. Energias de ionização e limites de solubilidade dos principais dopantes no SiC

A Figura 1 ilustra os coeficientes de difusão dependentes da temperatura dos principais dopantes em SiC e Si. Dopantes em silício exibem coeficientes de difusão mais elevados, permitindo dopagem por difusão em alta temperatura em torno de 1300°C. Em contraste, os coeficientes de difusão de fósforo, alumínio, boro e nitrogênio no carboneto de silício são significativamente mais baixos, necessitando de temperaturas acima de 2.000°C para taxas de difusão razoáveis. A difusão em alta temperatura apresenta vários problemas, como múltiplos defeitos de difusão que degradam o desempenho elétrico e a incompatibilidade de fotorresistentes comuns como máscaras, tornando a implantação iônica a única escolha para dopagem com carboneto de silício.

▲Figura 1. Constantes de difusão comparativas dos principais dopantes em SiC e Si

Durante a implantação iônica, os íons perdem energia através de colisões com átomos da rede do substrato, transferindo energia para esses átomos. Esta energia transferida liberta os átomos da sua energia de ligação à rede, permitindo-lhes mover-se dentro do substrato e colidir com outros átomos da rede, desalojando-os. Este processo continua até que nenhum átomo livre tenha energia suficiente para libertar outros da rede.

Devido à enorme quantidade de íons envolvidos, a implantação iônica causa extensos danos à rede perto da superfície do substrato, com a extensão do dano relacionada aos parâmetros de implantação, como dosagem e energia. Dosagens excessivas podem destruir a estrutura cristalina próxima à superfície do substrato, tornando-o amorfo. Este dano na rede deve ser reparado em uma estrutura monocristalina e ativar os dopantes durante o processo de recozimento.

O recozimento em alta temperatura permite que os átomos ganhem energia a partir do calor, passando por um rápido movimento térmico. Uma vez que eles se movem para posições dentro da rede monocristalina com a energia livre mais baixa, eles se estabelecem ali. Assim, o carboneto de silício amorfo danificado e os átomos dopantes próximos à interface do substrato reconstroem a estrutura monocristalina, ajustando-se às posições da rede e sendo ligados pela energia da rede. Este reparo simultâneo da rede e ativação do dopante ocorrem durante o recozimento.

A pesquisa relatou a relação entre as taxas de ativação de dopantes no SiC e as temperaturas de recozimento (Figura 2a). Nesse contexto, tanto a camada epitaxial quanto o substrato são do tipo n, com nitrogênio e fósforo implantados a uma profundidade de 0,4μm e dosagem total de 1×10^14 cm^-2. Conforme mostrado na Figura 2a, o nitrogênio apresenta uma taxa de ativação abaixo de 10% após o recozimento a 1400°C, atingindo 90% a 1600°C. O comportamento do fósforo é semelhante, necessitando de uma temperatura de recozimento de 1600°C para uma taxa de ativação de 90%.

▲Figura 2a. Taxas de ativação de diferentes elementos em várias temperaturas de recozimento em SiC

Para processos de implantação iônica tipo p, o alumínio é geralmente usado como dopante devido ao efeito de difusão anômala do boro. Semelhante à implantação do tipo n, o recozimento a 1600°C aumenta significativamente a taxa de ativação do alumínio. No entanto, a pesquisa de Negoro et al. descobriram que mesmo a 500°C, a resistência da folha atingiu a saturação em 3000Ω/quadrado com implantação de alta dose de alumínio, e aumentar ainda mais a dosagem não reduziu a resistência, indicando que o alumínio não ioniza mais. Assim, o uso da implantação iônica para criar regiões do tipo p fortemente dopadas continua sendo um desafio tecnológico.

▲Figura 2b. Relação entre taxas de ativação e dosagem de diferentes elementos no SiC

A profundidade e concentração de dopantes são fatores críticos na implantação iônica, afetando diretamente o desempenho elétrico subsequente do dispositivo e devem ser rigorosamente controlados. A espectrometria de massa de íons secundários (SIMS) pode ser utilizada para medir a profundidade e concentração de dopantes pós-implantação.**