सिलिकॉन कार्बाइड आयन प्रत्यारोपण और एनीलिंग प्रक्रिया का परिचय

सिलिकॉन कार्बाइड बिजली उपकरणों की डोपिंग प्रक्रियाओं में, आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले डोपेंट में एन-टाइप डोपिंग के लिए नाइट्रोजन और फास्फोरस, और पी-टाइप डोपिंग के लिए एल्यूमीनियम और बोरॉन शामिल होते हैं, उनकी आयनीकरण ऊर्जा और घुलनशीलता सीमा तालिका 1 में प्रस्तुत की गई है (नोट: हेक्सागोनल (एच) ) और घन (k)).

▲तालिका 1. SiC में प्रमुख डोपेंट की आयनीकरण ऊर्जा और घुलनशीलता सीमाएँ

चित्र 1 SiC और Si में प्रमुख डोपेंट के तापमान-निर्भर प्रसार गुणांक को दर्शाता है। सिलिकॉन में डोपेंट उच्च प्रसार गुणांक प्रदर्शित करते हैं, जिससे 1300 डिग्री सेल्सियस के आसपास उच्च तापमान प्रसार डोपिंग की अनुमति मिलती है। इसके विपरीत, सिलिकॉन कार्बाइड में फास्फोरस, एल्यूमीनियम, बोरान और नाइट्रोजन के प्रसार गुणांक काफी कम हैं, जिससे उचित प्रसार दर के लिए 2000 डिग्री सेल्सियस से ऊपर तापमान की आवश्यकता होती है। उच्च तापमान प्रसार विभिन्न मुद्दों का परिचय देता है, जैसे कि कई प्रसार दोष विद्युत प्रदर्शन को ख़राब करते हैं और मास्क के रूप में सामान्य फोटोरिस्टिस्ट की असंगति, आयन प्रत्यारोपण को सिलिकॉन कार्बाइड डोपिंग के लिए एकमात्र विकल्प बनाते हैं।

▲ चित्र 1. SiC और Si में प्रमुख डोपेंट के तुलनात्मक प्रसार स्थिरांक

आयन आरोपण के दौरान, सब्सट्रेट के जाली परमाणुओं के साथ टकराव के माध्यम से आयन ऊर्जा खो देते हैं, जिससे ऊर्जा इन परमाणुओं में स्थानांतरित हो जाती है। यह स्थानांतरित ऊर्जा परमाणुओं को उनकी जाली बंधनकारी ऊर्जा से मुक्त करती है, जिससे वे सब्सट्रेट के भीतर चले जाते हैं और अन्य जाली परमाणुओं से टकराते हैं, जिससे वे विस्थापित हो जाते हैं। यह प्रक्रिया तब तक जारी रहती है जब तक कि किसी भी मुक्त परमाणु के पास दूसरों को जाली से मुक्त करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा न हो।

बड़ी मात्रा में शामिल आयनों के कारण, आयन आरोपण सब्सट्रेट सतह के पास व्यापक जाली क्षति का कारण बनता है, क्षति की सीमा खुराक और ऊर्जा जैसे आरोपण मापदंडों से संबंधित होती है। अत्यधिक खुराक सब्सट्रेट सतह के पास क्रिस्टल संरचना को नष्ट कर सकती है, जिससे यह अनाकार हो सकती है। इस जाली क्षति की मरम्मत एकल-क्रिस्टल संरचना में की जानी चाहिए और एनीलिंग प्रक्रिया के दौरान डोपेंट को सक्रिय किया जाना चाहिए।

उच्च तापमान एनीलिंग परमाणुओं को तीव्र तापीय गति से गुजरते हुए गर्मी से ऊर्जा प्राप्त करने की अनुमति देता है। एक बार जब वे सबसे कम मुक्त ऊर्जा के साथ एकल-क्रिस्टल जाली के भीतर स्थिति में चले जाते हैं, तो वे वहां बस जाते हैं। इस प्रकार, सब्सट्रेट इंटरफ़ेस के पास क्षतिग्रस्त अनाकार सिलिकॉन कार्बाइड और डोपेंट परमाणु जाली की स्थिति में फिट होकर और जाली ऊर्जा से बंधे होकर एकल-क्रिस्टल संरचना का पुनर्निर्माण करते हैं। यह एक साथ जाली की मरम्मत और डोपेंट सक्रियण एनीलिंग के दौरान होता है।

अनुसंधान ने SiC में डोपेंट की सक्रियता दर और एनीलिंग तापमान (चित्रा 2 ए) के बीच संबंध की सूचना दी है। इस संदर्भ में, एपिटैक्सियल परत और सब्सट्रेट दोनों एन-प्रकार के हैं, जिसमें नाइट्रोजन और फास्फोरस को 0.4μm की गहराई तक प्रत्यारोपित किया जाता है और कुल खुराक 1×10^14 सेमी^-2 होती है। जैसा कि चित्र 2ए में दिखाया गया है, नाइट्रोजन 1400 डिग्री सेल्सियस पर एनीलिंग के बाद 10% से कम सक्रियण दर प्रदर्शित करता है, जो 1600 डिग्री सेल्सियस पर 90% तक पहुंच जाता है। फॉस्फोरस का व्यवहार समान है, 90% सक्रियण दर के लिए 1600 डिग्री सेल्सियस के एनीलिंग तापमान की आवश्यकता होती है।

▲चित्र 2ए. SiC में विभिन्न एनीलिंग तापमान पर विभिन्न तत्वों की सक्रियण दरें

पी-प्रकार आयन आरोपण प्रक्रियाओं के लिए, बोरॉन के असामान्य प्रसार प्रभाव के कारण एल्यूमीनियम का उपयोग आमतौर पर डोपेंट के रूप में किया जाता है। एन-टाइप इम्प्लांटेशन के समान, 1600 डिग्री सेल्सियस पर एनीलिंग एल्यूमीनियम की सक्रियण दर को काफी बढ़ा देता है। हालाँकि, नेगोरो एट अल द्वारा शोध। पाया गया कि 500 ​​डिग्री सेल्सियस पर भी, शीट प्रतिरोध उच्च खुराक एल्यूमीनियम आरोपण के साथ 3000Ω/वर्ग पर संतृप्ति तक पहुंच गया, और खुराक बढ़ाने से प्रतिरोध कम नहीं हुआ, यह दर्शाता है कि एल्यूमीनियम अब आयनित नहीं होता है। इस प्रकार, भारी डोप्ड पी-प्रकार क्षेत्रों को बनाने के लिए आयन आरोपण का उपयोग करना एक तकनीकी चुनौती बनी हुई है।

▲चित्र 2बी. SiC में सक्रियण दर और विभिन्न तत्वों की खुराक के बीच संबंध

डोपेंट की गहराई और सांद्रता आयन प्रत्यारोपण में महत्वपूर्ण कारक हैं, जो सीधे डिवाइस के बाद के विद्युत प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं और इसे सख्ती से नियंत्रित किया जाना चाहिए। प्रत्यारोपण के बाद डोपेंट की गहराई और एकाग्रता को मापने के लिए सेकेंडरी आयन मास स्पेक्ट्रोमेट्री (SIMS) का उपयोग किया जा सकता है।**