Giới thiệu về quy trình cấy và ủ ion silicon cacbua

Trong quá trình pha tạp của các thiết bị năng lượng cacbua silic, các chất pha tạp thường được sử dụng bao gồm nitơ và phốt pho cho pha tạp loại n, nhôm và boron cho pha tạp loại p, với năng lượng ion hóa và giới hạn độ hòa tan của chúng được trình bày trong Bảng 1 (lưu ý: hình lục giác (h) ) và khối (k)).

▲Bảng 1. Năng lượng ion hóa và giới hạn độ hòa tan của các tạp chất chính trong SiC

Hình 1 minh họa các hệ số khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ của các chất tạp chất chính trong SiC và Si. Chất pha tạp trong silicon thể hiện hệ số khuếch tán cao hơn, cho phép pha tạp khuếch tán ở nhiệt độ cao khoảng 1300°C. Ngược lại, hệ số khuếch tán của phốt pho, nhôm, bo và nitơ trong cacbua silic thấp hơn đáng kể, đòi hỏi nhiệt độ trên 2000°C để có tốc độ khuếch tán hợp lý. Khuếch tán ở nhiệt độ cao gây ra nhiều vấn đề khác nhau, chẳng hạn như nhiều khiếm khuyết khuếch tán làm giảm hiệu suất điện và tính không tương thích của các chất quang dẫn thông thường làm mặt nạ, khiến việc cấy ion trở thành lựa chọn duy nhất cho pha tạp silicon cacbua.

▲ Hình 1. Hằng số khuếch tán so sánh của các tạp chất chính trong SiC và Si

Trong quá trình cấy ion, các ion bị mất năng lượng do va chạm với các nguyên tử mạng của chất nền, truyền năng lượng cho các nguyên tử này. Năng lượng được truyền này giải phóng các nguyên tử khỏi năng lượng liên kết mạng của chúng, cho phép chúng di chuyển bên trong chất nền và va chạm với các nguyên tử mạng khác, đánh bật chúng. Quá trình này tiếp tục cho đến khi không còn nguyên tử tự do nào có đủ năng lượng để giải phóng những nguyên tử khác khỏi mạng.

Do có số lượng lớn các ion tham gia, việc cấy ion gây ra tổn thương mạng tinh thể trên diện rộng gần bề mặt chất nền, với mức độ thiệt hại liên quan đến các thông số cấy ghép như liều lượng và năng lượng. Liều lượng quá mức có thể phá hủy cấu trúc tinh thể gần bề mặt chất nền, biến nó thành vô định hình. Thiệt hại mạng tinh thể này phải được sửa chữa thành cấu trúc đơn tinh thể và kích hoạt các chất tạp chất trong quá trình ủ.

Ủ ở nhiệt độ cao cho phép các nguyên tử thu được năng lượng từ nhiệt, trải qua chuyển động nhiệt nhanh. Khi chúng di chuyển đến các vị trí trong mạng tinh thể đơn có năng lượng tự do thấp nhất, chúng sẽ ổn định ở đó. Do đó, các nguyên tử cacbua silic và tạp chất vô định hình bị hư hỏng gần bề mặt phân cách của chất nền sẽ tái tạo lại cấu trúc đơn tinh thể bằng cách khớp vào các vị trí mạng và bị ràng buộc bởi năng lượng mạng. Việc sửa chữa mạng tinh thể đồng thời và kích hoạt dopant này xảy ra trong quá trình ủ.

Nghiên cứu đã báo cáo mối quan hệ giữa tốc độ kích hoạt của chất tạp chất trong SiC và nhiệt độ ủ (Hình 2a). Trong bối cảnh này, cả lớp epiticular và chất nền đều thuộc loại n, với nitơ và phốt pho được cấy vào độ sâu 0,4μm và tổng liều lượng là 1×10^14 cm^-2. Như được hiển thị trong Hình 2a, nitơ thể hiện tỷ lệ kích hoạt dưới 10% sau khi ủ ở 1400°C, đạt 90% ở 1600°C. Hoạt động của phốt pho cũng tương tự, đòi hỏi nhiệt độ ủ là 1600°C để đạt tỷ lệ kích hoạt 90%.

▲ Hình 2a. Tốc độ kích hoạt của các nguyên tố khác nhau ở nhiệt độ ủ khác nhau trong SiC

Đối với các quá trình cấy ion loại p, nhôm thường được sử dụng làm chất pha tạp do hiệu ứng khuếch tán dị thường của boron. Tương tự như cấy ghép loại n, ủ ở 1600°C giúp tăng cường đáng kể tốc độ kích hoạt của nhôm. Tuy nhiên, nghiên cứu của Negoro et al. nhận thấy rằng ngay cả ở nhiệt độ 500°C, điện trở của tấm đạt mức bão hòa ở mức 3000Ω/vuông khi cấy nhôm liều cao và việc tăng thêm liều lượng cũng không làm giảm điện trở, cho thấy rằng nhôm không còn bị ion hóa nữa. Do đó, việc sử dụng phương pháp cấy ion để tạo ra các vùng loại p pha tạp nặng vẫn là một thách thức về mặt công nghệ.

▲ Hình 2b. Mối quan hệ giữa tốc độ kích hoạt và liều lượng của các nguyên tố khác nhau trong SiC

Độ sâu và nồng độ của chất tạp chất là những yếu tố quan trọng trong quá trình cấy ion, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất điện tiếp theo của thiết bị và phải được kiểm soát chặt chẽ. Phương pháp quang phổ khối ion thứ cấp (SIMS) có thể được sử dụng để đo độ sâu và nồng độ của chất dẫn xuất sau cấy ghép.**