مقدمة لعملية زرع وتليين أيون كربيد السيليكون

في عمليات المنشطات لأجهزة الطاقة من كربيد السيليكون، تشمل المنشطات شائعة الاستخدام النيتروجين والفوسفور لتنشيط النوع n، والألومنيوم والبورون لتنشيط النوع p، مع طاقات التأين وحدود الذوبان الموضحة في الجدول 1 (ملاحظة: سداسية (ح) ) ومكعب (ك)).

▲الجدول 1. طاقات التأين وحدود الذوبان للمنشطات الرئيسية في SiC

يوضح الشكل 1 معاملات الانتشار المعتمدة على درجة الحرارة للمنشطات الرئيسية في SiC وSi. تظهر المنشطات في السيليكون معاملات انتشار أعلى، مما يسمح بانتشار المنشطات في درجات الحرارة العالية حوالي 1300 درجة مئوية. في المقابل، فإن معاملات انتشار الفوسفور والألمنيوم والبورون والنيتروجين في كربيد السيليكون أقل بكثير، مما يستلزم درجات حرارة أعلى من 2000 درجة مئوية لمعدلات انتشار معقولة. يقدم الانتشار في درجات الحرارة المرتفعة مشكلات مختلفة، مثل عيوب الانتشار المتعددة التي تؤدي إلى تدهور الأداء الكهربائي وعدم توافق مقاومات الضوء الشائعة كأقنعة، مما يجعل زرع الأيونات هو الخيار الوحيد لتنشيط كربيد السيليكون.

▲ الشكل 1. ثوابت الانتشار المقارنة للمنشطات الرئيسية في SiC وSi

أثناء زرع الأيونات، تفقد الأيونات الطاقة من خلال الاصطدامات مع ذرات الشبكة في الركيزة، وتنقل الطاقة إلى هذه الذرات. تحرر هذه الطاقة المنقولة الذرات من طاقة الارتباط الشبكي، مما يسمح لها بالتحرك داخل الركيزة والاصطدام بذرات الشبكة الأخرى، مما يؤدي إلى إزاحتها. تستمر هذه العملية حتى لا تمتلك أي ذرات حرة طاقة كافية لتحرير ذرات أخرى من الشبكة.

نظرًا للكمية الهائلة من الأيونات المعنية، يؤدي زرع الأيونات إلى تلف شبكي واسع النطاق بالقرب من سطح الركيزة، مع مدى الضرر المتعلق بمعلمات الزرع مثل الجرعة والطاقة. الجرعات المفرطة يمكن أن تدمر البنية البلورية بالقرب من سطح الركيزة، وتحولها إلى شكل غير متبلور. يجب إصلاح تلف الشبكة هذا إلى هيكل أحادي البلورة وتنشيط المنشطات أثناء عملية التلدين.

يسمح التلدين بدرجة حرارة عالية للذرات باكتساب الطاقة من الحرارة، وتخضع لحركة حرارية سريعة. بمجرد انتقالهم إلى مواقع داخل الشبكة أحادية البلورة ذات الطاقة الحرة الأقل، يستقرون هناك. وهكذا، فإن كربيد السيليكون غير المتبلور التالف والذرات المشابهة بالقرب من واجهة الركيزة تعيد بناء بنية البلورة المفردة من خلال تركيبها في مواضع الشبكة والارتباط بالطاقة الشبكية. يحدث هذا الإصلاح المتزامن للشبكة وتفعيل المنشطات أثناء التلدين.

أبلغت الأبحاث عن العلاقة بين معدلات تنشيط المنشطات في SiC ودرجات حرارة التلدين (الشكل 2 أ). في هذا السياق، تكون كل من الطبقة الفوقية والركيزة من النوع n، مع زرع النيتروجين والفوسفور على عمق 0.4 ميكرومتر وبجرعة إجمالية قدرها 1×10^14 سم^-2. كما هو مبين في الشكل 2أ، يظهر النيتروجين معدل تنشيط أقل من 10% بعد التلدين عند 1400 درجة مئوية، ويصل إلى 90% عند 1600 درجة مئوية. سلوك الفوسفور مشابه، ويتطلب درجة حرارة التلدين 1600 درجة مئوية بمعدل تنشيط 90٪.

▲الشكل 2أ. معدلات التنشيط لعناصر مختلفة عند درجات حرارة التلدين المختلفة في SiC

بالنسبة لعمليات زرع الأيونات من النوع p، يُستخدم الألومنيوم بشكل عام كمادة إشابة بسبب تأثير الانتشار الشاذ للبورون. على غرار عملية الزرع من النوع n، فإن التلدين عند 1600 درجة مئوية يعزز بشكل كبير معدل تنشيط الألومنيوم. ومع ذلك، فإن البحث الذي أجراه نيجورو وآخرون. وجد أنه حتى عند 500 درجة مئوية، وصلت مقاومة الصفائح إلى التشبع عند 3000 أوم/مربع باستخدام جرعة عالية من الألومنيوم، ولم تؤدي زيادة الجرعة إلى تقليل المقاومة، مما يشير إلى أن الألومنيوم لم يعد يتأين. وبالتالي، فإن استخدام زرع الأيونات لإنشاء مناطق من النوع p مخدرة بشدة يظل تحديًا تكنولوجيًا.

▲الشكل 2ب. العلاقة بين معدلات التنشيط وجرعة العناصر المختلفة في SiC

يعد عمق وتركيز المنشطات من العوامل الحاسمة في زرع الأيونات، مما يؤثر بشكل مباشر على الأداء الكهربائي اللاحق للجهاز ويجب التحكم فيه بشكل صارم. يمكن استخدام مقياس الطيف الكتلي الأيوني الثانوي (SIMS) لقياس عمق وتركيز المنشطات بعد الزرع.**