Introduction au processus d'implantation et de recuit d'ions de carbure de silicium

Dans les processus de dopage des dispositifs électriques en carbure de silicium, les dopants couramment utilisés comprennent l'azote et le phosphore pour le dopage de type n, et l'aluminium et le bore pour le dopage de type p, avec leurs énergies d'ionisation et leurs limites de solubilité présentées dans le tableau 1 (remarque : hexagonal (h ) et cubique (k)).

▲Tableau 1. Énergies d'ionisation et limites de solubilité des principaux dopants dans le SiC

La figure 1 illustre les coefficients de diffusion dépendants de la température des principaux dopants dans SiC et Si. Les dopants en silicium présentent des coefficients de diffusion plus élevés, permettant un dopage par diffusion à haute température autour de 1 300 °C. En revanche, les coefficients de diffusion du phosphore, de l'aluminium, du bore et de l'azote dans le carbure de silicium sont nettement inférieurs, ce qui nécessite des températures supérieures à 2 000 °C pour des taux de diffusion raisonnables. La diffusion à haute température introduit divers problèmes, tels que de multiples défauts de diffusion dégradant les performances électriques et l'incompatibilité des photorésists courants comme masques, faisant de l'implantation ionique le seul choix pour le dopage au carbure de silicium.

▲Figure 1. Constantes de diffusion comparatives des dopants majeurs dans SiC et Si

Lors de l'implantation ionique, les ions perdent de l'énergie à cause des collisions avec les atomes du réseau du substrat, transférant ainsi de l'énergie à ces atomes. Cette énergie transférée libère les atomes de leur énergie de liaison au réseau, leur permettant de se déplacer dans le substrat et d'entrer en collision avec d'autres atomes du réseau, les délogeant. Ce processus se poursuit jusqu'à ce qu'aucun atome libre n'ait suffisamment d'énergie pour en libérer d'autres du réseau.

En raison de la quantité massive d'ions impliqués, l'implantation ionique provoque des dommages importants au réseau près de la surface du substrat, l'étendue des dommages étant liée aux paramètres d'implantation tels que le dosage et l'énergie. Des doses excessives peuvent détruire la structure cristalline près de la surface du substrat, la rendant amorphe. Ces dommages au réseau doivent être réparés sur une structure monocristalline et activer les dopants pendant le processus de recuit.

Le recuit à haute température permet aux atomes de gagner de l’énergie grâce à la chaleur, en subissant un mouvement thermique rapide. Une fois qu'ils se déplacent vers des positions dans le réseau monocristallin avec l'énergie libre la plus faible, ils s'y installent. Ainsi, le carbure de silicium amorphe endommagé et les atomes dopants proches de l'interface du substrat reconstruisent la structure monocristalline en s'adaptant aux positions du réseau et en étant liés par l'énergie du réseau. Cette réparation simultanée du réseau et cette activation du dopant se produisent pendant le recuit.

Des recherches ont mis en évidence la relation entre les taux d'activation des dopants dans le SiC et les températures de recuit (Figure 2a). Dans ce contexte, la couche épitaxiale et le substrat sont de type n, avec de l'azote et du phosphore implantés à une profondeur de 0,4 µm et un dosage total de 1×10^14 cm^-2. Comme le montre la figure 2a, l'azote présente un taux d'activation inférieur à 10 % après recuit à 1 400 °C, atteignant 90 % à 1 600 °C. Le comportement du phosphore est similaire, nécessitant une température de recuit de 1600°C pour un taux d'activation de 90%.

▲Figure 2a. Taux d'activation de différents éléments à différentes températures de recuit dans le SiC

Pour les processus d’implantation d’ions de type p, l’aluminium est généralement utilisé comme dopant en raison de l’effet de diffusion anormal du bore. Semblable à l’implantation de type N, le recuit à 1 600 °C améliore considérablement le taux d’activation de l’aluminium. Cependant, les recherches de Negoro et al. ont constaté que même à 500 °C, la résistance de la feuille atteignait une saturation à 3 000 Ω/carré avec une implantation d'aluminium à haute dose, et qu'une augmentation supplémentaire du dosage ne réduisait pas la résistance, ce qui indique que l'aluminium ne s'ionise plus. Ainsi, utiliser l’implantation ionique pour créer des régions de type p fortement dopées reste un défi technologique.

▲Figure 2b. Relation entre les taux d'activation et le dosage des différents éléments du SiC

La profondeur et la concentration des dopants sont des facteurs critiques dans l’implantation ionique, affectant directement les performances électriques ultérieures du dispositif et doivent être strictement contrôlées. La spectrométrie de masse des ions secondaires (SIMS) peut être utilisée pour mesurer la profondeur et la concentration des dopants après l'implantation.**