Einführung in den Siliziumkarbid-Ionenimplantations- und Temperprozess

Bei den Dotierungsprozessen von Siliziumkarbid-Leistungsbauelementen gehören zu den üblicherweise verwendeten Dotierstoffen Stickstoff und Phosphor für die n-Typ-Dotierung sowie Aluminium und Bor für die p-Typ-Dotierung. Ihre Ionisierungsenergien und Löslichkeitsgrenzen sind in Tabelle 1 aufgeführt (Anmerkung: hexagonal (h ) und kubisch (k)).

▲Tabelle 1. Ionisierungsenergien und Löslichkeitsgrenzen der wichtigsten Dotierstoffe in SiC

Abbildung 1 zeigt die temperaturabhängigen Diffusionskoeffizienten der wichtigsten Dotierstoffe in SiC und Si. Dotierstoffe in Silizium weisen höhere Diffusionskoeffizienten auf, was eine Hochtemperaturdiffusionsdotierung um 1300 °C ermöglicht. Im Gegensatz dazu sind die Diffusionskoeffizienten von Phosphor, Aluminium, Bor und Stickstoff in Siliziumkarbid deutlich niedriger, sodass für angemessene Diffusionsraten Temperaturen über 2000 °C erforderlich sind. Die Hochtemperaturdiffusion bringt verschiedene Probleme mit sich, wie z. B. mehrere Diffusionsdefekte, die die elektrische Leistung verschlechtern, und die Inkompatibilität gängiger Fotolacke als Masken, was die Ionenimplantation zur einzigen Wahl für die Siliziumkarbiddotierung macht.

▲Abbildung 1. Vergleichende Diffusionskonstanten der Hauptdotierstoffe in SiC und Si

Bei der Ionenimplantation verlieren Ionen durch Kollisionen mit Gitteratomen des Substrats Energie und übertragen Energie auf diese Atome. Diese übertragene Energie befreit die Atome von ihrer Gitterbindungsenergie, sodass sie sich innerhalb des Substrats bewegen und mit anderen Gitteratomen kollidieren und diese lösen können. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis kein freies Atom mehr über genügend Energie verfügt, um andere aus dem Gitter zu lösen.

Aufgrund der enormen Menge an beteiligten Ionen verursacht die Ionenimplantation umfangreiche Gitterschäden in der Nähe der Substratoberfläche, wobei das Ausmaß der Schäden von den Implantationsparametern wie Dosierung und Energie abhängt. Zu hohe Dosierungen können die Kristallstruktur nahe der Substratoberfläche zerstören und sie amorph machen. Diese Gitterschäden müssen an einer Einkristallstruktur repariert werden und die Dotierstoffe während des Ausheilprozesses aktivieren.

Durch das Hochtemperaturglühen können Atome Energie aus Wärme gewinnen und sich dabei einer schnellen thermischen Bewegung unterziehen. Sobald sie innerhalb des Einkristallgitters Positionen mit der niedrigsten freien Energie erreichen, setzen sie sich dort ab. Somit rekonstruieren die beschädigten amorphen Siliziumkarbid- und Dotierstoffatome in der Nähe der Substratgrenzfläche die Einkristallstruktur, indem sie sich in die Gitterpositionen einfügen und durch die Gitterenergie gebunden werden. Diese gleichzeitige Gitterreparatur und Dotierstoffaktivierung erfolgt während des Temperns.

Untersuchungen haben über den Zusammenhang zwischen den Aktivierungsraten von Dotierstoffen in SiC und den Glühtemperaturen berichtet (Abbildung 2a). In diesem Zusammenhang sind sowohl die Epitaxieschicht als auch das Substrat vom n-Typ, wobei Stickstoff und Phosphor bis zu einer Tiefe von 0,4 μm und einer Gesamtdosis von 1×10^14 cm^-2 implantiert sind. Wie in Abbildung 2a dargestellt, weist Stickstoff nach dem Glühen bei 1400 °C eine Aktivierungsrate von unter 10 % auf und erreicht 90 % bei 1600 °C. Das Verhalten von Phosphor ist ähnlich und erfordert eine Glühtemperatur von 1600 °C für eine Aktivierungsrate von 90 %.

▲Abbildung 2a. Aktivierungsraten verschiedener Elemente bei verschiedenen Glühtemperaturen in SiC

Bei p-Typ-Ionenimplantationsprozessen wird aufgrund des anomalen Diffusionseffekts von Bor im Allgemeinen Aluminium als Dotierstoff verwendet. Ähnlich wie bei der n-Typ-Implantation erhöht das Glühen bei 1600 °C die Aktivierungsrate von Aluminium deutlich. Untersuchungen von Negoro et al. fanden heraus, dass selbst bei 500 °C der Schichtwiderstand bei hochdosierter Aluminiumimplantation die Sättigung bei 3000 Ω/Quadrat erreichte und eine weitere Erhöhung der Dosierung den Widerstand nicht verringerte, was darauf hindeutet, dass Aluminium nicht mehr ionisiert. Daher bleibt die Verwendung von Ionenimplantation zur Erzeugung stark dotierter p-Typ-Regionen eine technologische Herausforderung.

▲Abbildung 2b. Zusammenhang zwischen Aktivierungsraten und Dosierung verschiedener Elemente in SiC

Die Tiefe und Konzentration der Dotierstoffe sind kritische Faktoren bei der Ionenimplantation, die sich direkt auf die spätere elektrische Leistung des Geräts auswirken und streng kontrolliert werden müssen. Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) kann verwendet werden, um die Tiefe und Konzentration von Dotierstoffen nach der Implantation zu messen.**