సిలికాన్ కార్బైడ్ అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ మరియు అన్నేలింగ్ ప్రక్రియకు పరిచయం

సిలికాన్ కార్బైడ్ పవర్ పరికరాల డోపింగ్ ప్రక్రియలలో, సాధారణంగా ఉపయోగించే డోపాంట్‌లలో n-టైప్ డోపింగ్ కోసం నైట్రోజన్ మరియు ఫాస్పరస్ మరియు p-టైప్ డోపింగ్ కోసం అల్యూమినియం మరియు బోరాన్ ఉంటాయి, వాటి అయనీకరణ శక్తులు మరియు ద్రావణీయత పరిమితులు టేబుల్ 1లో అందించబడ్డాయి (గమనిక: షట్కోణ (h ) మరియు క్యూబిక్ (k)).

▲పట్టిక 1. SiCలోని ప్రధాన డోపాంట్ల అయనీకరణ శక్తులు మరియు ద్రావణీయత పరిమితులు

SiC మరియు Siలలోని ప్రధాన డోపాంట్ల యొక్క ఉష్ణోగ్రత-ఆధారిత వ్యాప్తి గుణకాలను మూర్తి 1 వివరిస్తుంది. సిలికాన్‌లోని డోపాంట్లు అధిక వ్యాప్తి గుణకాలను ప్రదర్శిస్తాయి, ఇది 1300 ° C చుట్టూ అధిక-ఉష్ణోగ్రత వ్యాప్తి డోపింగ్‌ను అనుమతిస్తుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, సిలికాన్ కార్బైడ్‌లోని భాస్వరం, అల్యూమినియం, బోరాన్ మరియు నత్రజని యొక్క వ్యాప్తి గుణకాలు గణనీయంగా తక్కువగా ఉంటాయి, సహేతుకమైన వ్యాప్తి రేట్లు కోసం 2000 ° C కంటే ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రతలు అవసరం. అధిక-ఉష్ణోగ్రత వ్యాప్తి వివిధ సమస్యలను పరిచయం చేస్తుంది, బహుళ వ్యాప్తి లోపాలు విద్యుత్ పనితీరును దిగజార్చడం మరియు సాధారణ ఫోటోరేసిస్ట్‌ల మాస్క్‌ల అననుకూలత, సిలికాన్ కార్బైడ్ డోపింగ్‌కు అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్‌ను ఏకైక ఎంపికగా చేస్తుంది.

▲మూర్తి 1. SiC మరియు Siలలో ప్రధాన డోపాంట్ల యొక్క తులనాత్మక వ్యాప్తి స్థిరాంకాలు

అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ సమయంలో, అయాన్లు సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క లాటిస్ అణువులతో ఢీకొనడం ద్వారా శక్తిని కోల్పోతాయి, ఈ అణువులకు శక్తిని బదిలీ చేస్తాయి. ఈ బదిలీ చేయబడిన శక్తి పరమాణువులను వాటి లాటిస్ బైండింగ్ శక్తి నుండి విడుదల చేస్తుంది, తద్వారా అవి ఉపరితలం లోపల కదలడానికి మరియు ఇతర లాటిస్ పరమాణువులతో ఢీకొని, వాటిని తొలగిస్తాయి. లాటిస్ నుండి ఇతరులను విడుదల చేయడానికి ఉచిత పరమాణువులకు తగినంత శక్తి లేనంత వరకు ఈ ప్రక్రియ కొనసాగుతుంది.

అయాన్ల భారీ పరిమాణంలో చేరి ఉండటం వల్ల, అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలం దగ్గర విస్తృతమైన లాటిస్ నష్టాన్ని కలిగిస్తుంది, మోతాదు మరియు శక్తి వంటి ఇంప్లాంటేషన్ పారామితులకు సంబంధించిన నష్టం యొక్క పరిధితో. అధిక మోతాదులు ఉపరితల ఉపరితలం దగ్గర క్రిస్టల్ నిర్మాణాన్ని నాశనం చేస్తాయి, దానిని నిరాకారంగా మారుస్తాయి. ఈ లాటిస్ డ్యామేజ్‌ని సింగిల్-క్రిస్టల్ స్ట్రక్చర్‌కు రిపేర్ చేయాలి మరియు ఎనియలింగ్ ప్రక్రియలో డోపాంట్‌లను యాక్టివేట్ చేయాలి.

అధిక-ఉష్ణోగ్రత ఎనియలింగ్ అణువులను వేడి నుండి శక్తిని పొందేందుకు అనుమతిస్తుంది, వేగవంతమైన ఉష్ణ చలనానికి గురవుతుంది. అవి అత్యల్ప ఉచిత శక్తితో సింగిల్-క్రిస్టల్ లాటిస్‌లోని స్థానాలకు మారిన తర్వాత, అవి అక్కడే స్థిరపడతాయి. అందువల్ల, ఉపరితల ఇంటర్‌ఫేస్‌కు సమీపంలో దెబ్బతిన్న నిరాకార సిలికాన్ కార్బైడ్ మరియు డోపాంట్ అణువులు లాటిస్ స్థానాల్లోకి అమర్చడం ద్వారా మరియు లాటిస్ శక్తితో కట్టుబడి ఉండటం ద్వారా సింగిల్-క్రిస్టల్ నిర్మాణాన్ని పునర్నిర్మించాయి. ఈ ఏకకాల జాలక మరమ్మత్తు మరియు డోపాంట్ యాక్టివేషన్ ఎనియలింగ్ సమయంలో సంభవిస్తాయి.

SiCలోని డోపాంట్ల యాక్టివేషన్ రేట్లు మరియు ఎనియలింగ్ ఉష్ణోగ్రతల మధ్య సంబంధాన్ని పరిశోధన నివేదించింది (మూర్తి 2a). ఈ సందర్భంలో, ఎపిటాక్సియల్ లేయర్ మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ రెండూ n-రకం, నత్రజని మరియు భాస్వరం 0.4μm లోతు వరకు అమర్చబడి ఉంటాయి మరియు మొత్తం మోతాదు 1×10^14 cm^-2. మూర్తి 2aలో చూపినట్లుగా, నైట్రోజన్ 1400°C వద్ద ఎనియలింగ్ చేసిన తర్వాత 10% కంటే తక్కువ యాక్టివేషన్ రేటును ప్రదర్శిస్తుంది, 1600°C వద్ద 90%కి చేరుకుంటుంది. భాస్వరం యొక్క ప్రవర్తన సారూప్యంగా ఉంటుంది, 90% యాక్టివేషన్ రేటు కోసం 1600 ° C యొక్క ఎనియలింగ్ ఉష్ణోగ్రత అవసరం.

▲మూర్తి 2a. SiCలోని వివిధ ఎనియలింగ్ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద వివిధ మూలకాల యొక్క క్రియాశీలత రేట్లు

p-రకం అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్ ప్రక్రియల కోసం, బోరాన్ యొక్క క్రమరహిత వ్యాప్తి ప్రభావం కారణంగా అల్యూమినియం సాధారణంగా డోపాంట్‌గా ఉపయోగించబడుతుంది. n-రకం ఇంప్లాంటేషన్ లాగానే, 1600°C వద్ద ఎనియలింగ్ చేయడం వల్ల అల్యూమినియం యాక్టివేషన్ రేటు గణనీయంగా పెరుగుతుంది. అయితే, నెగోరో మరియు ఇతరుల పరిశోధన. 500°C వద్ద కూడా, షీట్ రెసిస్టెన్స్ అధిక-మోతాదు అల్యూమినియం ఇంప్లాంటేషన్‌తో 3000Ω/చదరపు వద్ద సంతృప్తతను చేరుకుంది మరియు డోసేజ్‌ను మరింత పెంచడం వలన ప్రతిఘటన తగ్గలేదని, అల్యూమినియం ఇకపై అయనీకరణం చెందదని సూచిస్తుంది. అందువల్ల, భారీగా డోప్ చేయబడిన p-రకం ప్రాంతాలను రూపొందించడానికి అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్‌ను ఉపయోగించడం సాంకేతిక సవాలుగా మిగిలిపోయింది.

▲మూర్తి 2b. SiCలోని వివిధ మూలకాల యొక్క క్రియాశీలత రేట్లు మరియు మోతాదు మధ్య సంబంధం

డోపాంట్ల యొక్క లోతు మరియు ఏకాగ్రత అయాన్ ఇంప్లాంటేషన్‌లో కీలకమైన కారకాలు, ఇది పరికరం యొక్క తదుపరి విద్యుత్ పనితీరును నేరుగా ప్రభావితం చేస్తుంది మరియు ఖచ్చితంగా నియంత్రించబడాలి. సెకండరీ అయాన్ మాస్ స్పెక్ట్రోమెట్రీ (SIMS) ఇంప్లాంటేషన్ తర్వాత డోపాంట్ల లోతు మరియు ఏకాగ్రతను కొలవడానికి ఉపయోగించవచ్చు.**