炭化ケイ素イオン注入およびアニーリングプロセスの紹介

炭化ケイ素パワーデバイスのドーピングプロセスでは、一般的に使用されるドーパントには、n 型ドーピングの場合は窒素とリン、p 型ドーピングの場合はアルミニウムとホウ素が含まれます。そのイオン化エネルギーと溶解度の限界は表 1 に示されています (注: 六方晶系 (h) ) と立方体 (k))。

▲表 1. SiC の主なドーパントのイオン化エネルギーと溶解限界

図 1 は、SiC および Si の主なドーパントの温度依存性拡散係数を示しています。シリコン内のドーパントはより高い拡散係数を示し、約 1300°C の高温拡散ドーピングが可能になります。対照的に、炭化ケイ素中のリン、アルミニウム、ホウ素、窒素の拡散係数は大幅に低く、妥当な拡散速度を得るには 2000°C 以上の温度が必要です。高温拡散は、電気的性能を低下させる複数の拡散欠陥や、マスクとしての一般的なフォトレジストの不適合性など、さまざまな問題を引き起こすため、炭化ケイ素のドーピングにはイオン注入が唯一の選択肢となります。

▲図 1. SiC と Si の主なドーパントの拡散定数の比較

イオン注入中、イオンは基板の格子原子との衝突によってエネルギーを失い、これらの原子にエネルギーを伝達します。この伝達されたエネルギーは原子を格子結合エネルギーから解放し、原子が基板内で移動して他の格子原子と衝突し、原子を移動させることができます。このプロセスは、自由原子が他の原子を格子から解放するのに十分なエネルギーを持たなくなるまで続きます。

大量のイオンが関与するため、イオン注入では基板表面付近に広範囲の格子損傷が発生しますが、その損傷の程度はドーズ量やエネルギーなどの注入パラメータに関連します。過剰な投与量は基板表面近くの結晶構造を破壊し、非晶質化する可能性があります。この格子損傷は単結晶構造に修復され、アニーリングプロセス中にドーパントを活性化する必要があります。

高温アニーリングにより、原子は熱からエネルギーを獲得し、急速な熱運動を起こします。単結晶格子内の自由エネルギーが最も低い位置に移動すると、そこに落ち着きます。したがって、基板界面近くの損傷した非晶質炭化ケイ素およびドーパント原子は、格子位置に適合し、格子エネルギーによって束縛されることによって単結晶構造を再構築する。この同時の格子修復とドーパントの活性化は、アニーリング中に発生します。

研究では、SiC のドーパントの活性化率とアニーリング温度の関係が報告されています (図 2a)。これに関連して、エピタキシャル層と基板は両方ともn型で、窒素とリンが深さ0.4μm、総ドーズ量1×10^14cm^-2で注入されています。図2aに示すように、1400℃でのアニール後の窒素の活性化率は10%未満であり、1600℃では90%に達します。リンの挙動も同様で、90% の活性化率を得るには 1600°C のアニーリング温度が必要です。

▲図2a。 SiC のさまざまなアニーリング温度におけるさまざまな元素の活性化率

p型イオン注入プロセスでは、ホウ素の異常拡散効果により、一般にアルミニウムがドーパントとして使用されます。 n 型注入と同様に、1600°C でのアニールによりアルミニウムの活性化率が大幅に向上します。しかし、根来らの研究では、は、500℃でも、高用量のアルミニウム注入ではシート抵抗が3000Ω/平方で飽和に達し、さらに注入量を増やしても抵抗が低下しないことを発見しました。これは、アルミニウムがもはやイオン化しないことを示しています。したがって、イオン注入を使用して高濃度にドープされた p 型領域を作成することは、依然として技術的な課題です。

▲図2b。 SiC のさまざまな元素の活性化率と投与量の関係

ドーパントの深さと濃度はイオン注入における重要な要素であり、その後のデバイスの電気的性能に直接影響を与えるため、厳密に制御する必要があります。二次イオン質量分析法 (SIMS) を利用して、注入後のドーパントの深さと濃度を測定できます。**