ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับกระบวนการปลูกฝังและหลอมไอออนซิลิคอนคาร์ไบด์

ในกระบวนการเติมของอุปกรณ์ให้พลังงานซิลิคอนคาร์ไบด์ สารเจือปนที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ไนโตรเจนและฟอสฟอรัสสำหรับการเติมชนิด n และอะลูมิเนียมและโบรอนสำหรับการเติมชนิด p โดยมีพลังงานไอออไนเซชันและขีดจำกัดความสามารถในการละลายแสดงไว้ในตารางที่ 1 (หมายเหตุ: หกเหลี่ยม (h ) และลูกบาศก์ (k))

▲ตารางที่ 1 พลังงานไอออไนเซชันและขีดจำกัดความสามารถในการละลายของสารเจือปนหลักใน SiC

รูปที่ 1 แสดงค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของสารเจือปนหลักใน SiC และ Si สารเจือปนในซิลิคอนมีค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายที่สูงกว่า ทำให้สามารถเติมสารเจือปนการแพร่กระจายที่อุณหภูมิสูงได้ประมาณ 1300°C ในทางตรงกันข้าม ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายของฟอสฟอรัส อลูมิเนียม โบรอน และไนโตรเจนในซิลิคอนคาร์ไบด์มีค่าต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งทำให้อุณหภูมิสูงกว่า 2000°C เพื่อให้มีอัตราการแพร่ที่เหมาะสม การแพร่กระจายที่อุณหภูมิสูงทำให้เกิดปัญหาต่างๆ เช่น ข้อบกพร่องในการแพร่กระจายหลายครั้งที่ทำให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าลดลง และความไม่เข้ากันของสารต้านทานแสงทั่วไปในฐานะหน้ากาก ทำให้การฝังไอออนเป็นทางเลือกเดียวสำหรับการเติมซิลิคอนคาร์ไบด์

▲รูปที่ 1 ค่าคงที่การแพร่กระจายเชิงเปรียบเทียบของสารเจือปนหลักใน SiC และ Si

ในระหว่างการฝังไอออน ไอออนจะสูญเสียพลังงานเนื่องจากการชนกับอะตอมขัดแตะของสารตั้งต้น และถ่ายโอนพลังงานไปยังอะตอมเหล่านี้ พลังงานที่ถูกถ่ายโอนนี้จะปล่อยอะตอมออกจากพลังงานการจับตัวของโครงตาข่าย ปล่อยให้พวกมันเคลื่อนที่ภายในสารตั้งต้นและชนกับอะตอมของโครงตาข่ายอื่น ๆ ทำให้พวกมันหลุดออกไป กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปจนกระทั่งไม่มีอะตอมอิสระใดมีพลังงานเพียงพอที่จะปลดปล่อยอะตอมอื่นออกจากโครงตาข่าย

เนื่องจากมีไอออนจำนวนมากที่เกี่ยวข้อง การฝังไอออนทำให้เกิดความเสียหายเป็นวงกว้างใกล้กับพื้นผิวของพื้นผิว โดยมีขอบเขตของความเสียหายที่เกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์การฝัง เช่น ปริมาณและพลังงาน ปริมาณที่มากเกินไปสามารถทำลายโครงสร้างผลึกที่อยู่ใกล้พื้นผิวของสารตั้งต้น และทำให้กลายเป็นอสัณฐาน ความเสียหายของโครงตาข่ายนี้จะต้องได้รับการซ่อมแซมให้เป็นโครงสร้างผลึกเดี่ยวและกระตุ้นสารเจือปนในระหว่างกระบวนการหลอม

การหลอมที่อุณหภูมิสูงช่วยให้อะตอมได้รับพลังงานจากความร้อน โดยเกิดการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนอย่างรวดเร็ว เมื่อพวกเขาย้ายไปยังตำแหน่งภายในโครงตาข่ายผลึกเดี่ยวที่มีพลังงานอิสระต่ำที่สุด พวกมันก็จะปักหลักอยู่ที่นั่น ดังนั้น ซิลิคอนคาร์ไบด์อสัณฐานและอะตอมของสารเจือปนที่เสียหายใกล้กับส่วนต่อประสานของสารตั้งต้นจึงสร้างโครงสร้างผลึกเดี่ยวขึ้นมาใหม่โดยปรับให้เข้ากับตำแหน่งขัดแตะและถูกผูกมัดด้วยพลังงานขัดแตะ การซ่อมแซมโครงตาข่ายและการเปิดใช้งานสารเจือปนพร้อมกันนี้เกิดขึ้นในระหว่างการหลอม

การวิจัยได้รายงานความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการกระตุ้นของสารเจือปนใน SiC และอุณหภูมิการหลอม (รูปที่ 2a) ในบริบทนี้ ทั้งชั้นอีพิแทกเซียลและซับสเตรตเป็นประเภท n โดยมีไนโตรเจนและฟอสฟอรัสฝังอยู่ที่ความลึก 0.4μm และปริมาณรวม 1×10^14 cm^-2 ดังที่แสดงในรูปที่ 2a ไนโตรเจนแสดงอัตราการกระตุ้นต่ำกว่า 10% หลังจากการหลอมที่ 1400°C ถึง 90% ที่ 1600°C พฤติกรรมของฟอสฟอรัสจะคล้ายกัน โดยต้องใช้อุณหภูมิการหลอมที่ 1,600°C เพื่อให้อัตราการกระตุ้น 90%

▲รูปที่ 2ก อัตราการเปิดใช้งานขององค์ประกอบต่างๆ ที่อุณหภูมิการหลอมต่างๆ ใน ​​SiC

สำหรับกระบวนการฝังไอออนชนิด p โดยทั่วไปจะใช้อะลูมิเนียมเป็นสารเจือปนเนื่องจากผลการแพร่กระจายที่ผิดปกติของโบรอน เช่นเดียวกับการฝังแบบ n การหลอมที่อุณหภูมิ 1600°C จะช่วยเพิ่มอัตราการกระตุ้นการทำงานของอะลูมิเนียมได้อย่างมาก อย่างไรก็ตาม การวิจัยโดย Negoro และคณะ พบว่าแม้ที่อุณหภูมิ 500°C ความต้านทานของแผ่นก็มีความอิ่มตัวที่ 3000Ω/สี่เหลี่ยมจัตุรัสด้วยการฝังอะลูมิเนียมขนาดสูง และการเพิ่มปริมาณอีกไม่ได้ทำให้ความต้านทานลดลง บ่งชี้ว่าอะลูมิเนียมไม่แตกตัวเป็นไอออนอีกต่อไป ดังนั้นการใช้การฝังไอออนเพื่อสร้างบริเวณ p-type ที่เจือปนอย่างหนักยังคงเป็นความท้าทายทางเทคโนโลยี

▲รูปที่ 2ข. ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราการเปิดใช้งานและปริมาณขององค์ประกอบต่างๆ ใน ​​SiC

ความลึกและความเข้มข้นของสารเจือปนเป็นปัจจัยสำคัญในการปลูกฝังไอออน ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่ตามมาของอุปกรณ์ และต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด สามารถใช้เครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวลไอออนทุติยภูมิ (SIMS) เพื่อวัดความลึกและความเข้มข้นของสารเจือปนหลังการปลูกถ่าย-