Pengantar Proses Implantasi dan Annealing Ion Silikon Karbida

Dalam proses doping perangkat daya silikon karbida, dopan yang umum digunakan meliputi nitrogen dan fosfor untuk doping tipe-n, serta aluminium dan boron untuk doping tipe-p, dengan energi ionisasi dan batas kelarutannya disajikan pada Tabel 1 (catatan: heksagonal (h ) dan kubik (k)).

▲Tabel 1. Energi Ionisasi dan Batas Kelarutan Dopan Utama dalam SiC

Gambar 1 mengilustrasikan koefisien difusi yang bergantung pada suhu dari dopan utama dalam SiC dan Si. Dopan dalam silikon menunjukkan koefisien difusi yang lebih tinggi, memungkinkan doping difusi suhu tinggi sekitar 1300°C. Sebaliknya, koefisien difusi fosfor, aluminium, boron, dan nitrogen dalam silikon karbida jauh lebih rendah, sehingga memerlukan suhu di atas 2000°C untuk laju difusi yang wajar. Difusi suhu tinggi menimbulkan berbagai masalah, seperti cacat difusi ganda yang menurunkan kinerja listrik dan ketidakcocokan photoresist umum sebagai masker, menjadikan implantasi ion satu-satunya pilihan untuk doping silikon karbida.

▲Gambar 1. Perbandingan Konstanta Difusi Dopan Utama pada SiC dan Si

Selama implantasi ion, ion kehilangan energi melalui tumbukan dengan atom kisi substrat, mentransfer energi ke atom tersebut. Energi yang ditransfer ini melepaskan atom dari energi pengikat kisinya, memungkinkan atom bergerak di dalam substrat dan bertabrakan dengan atom kisi lainnya, sehingga melepaskannya. Proses ini berlanjut hingga tidak ada atom bebas yang memiliki cukup energi untuk melepaskan atom lain dari kisi.

Karena banyaknya ion yang terlibat, implantasi ion menyebabkan kerusakan kisi yang luas di dekat permukaan substrat, dengan tingkat kerusakan terkait dengan parameter implantasi seperti dosis dan energi. Dosis yang berlebihan dapat merusak struktur kristal di dekat permukaan substrat, menjadikannya amorf. Kerusakan kisi ini harus diperbaiki menjadi struktur kristal tunggal dan mengaktifkan dopan selama proses anil.

Anil suhu tinggi memungkinkan atom memperoleh energi dari panas, melalui gerakan termal yang cepat. Begitu mereka berpindah ke posisi dalam kisi kristal tunggal dengan energi bebas terendah, mereka menetap di sana. Dengan demikian, silikon karbida amorf yang rusak dan atom dopan di dekat antarmuka substrat merekonstruksi struktur kristal tunggal dengan menyesuaikan diri pada posisi kisi dan diikat oleh energi kisi. Perbaikan kisi dan aktivasi dopan secara simultan terjadi selama anil.

Penelitian telah melaporkan hubungan antara tingkat aktivasi dopan dalam SiC dan suhu anil (Gambar 2a). Dalam konteks ini, lapisan epitaksi dan substratnya adalah tipe-n, dengan nitrogen dan fosfor ditanamkan hingga kedalaman 0,4μm dan dosis total 1×10^14 cm^-2. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a, nitrogen menunjukkan tingkat aktivasi di bawah 10% setelah anil pada 1400°C, mencapai 90% pada 1600°C. Perilaku fosfor serupa, memerlukan suhu anil 1600°C untuk tingkat aktivasi 90%.

▲Gambar 2a. Laju Aktivasi Berbagai Unsur pada Berbagai Suhu Annealing di SiC

Untuk proses implantasi ion tipe-p, aluminium umumnya digunakan sebagai dopan karena efek difusi boron yang anomali. Mirip dengan implantasi tipe-n, anil pada suhu 1600°C secara signifikan meningkatkan laju aktivasi aluminium. Namun penelitian Negoro et al. menemukan bahwa bahkan pada suhu 500°C, resistansi lembaran mencapai saturasi pada 3000Ω/persegi dengan implantasi aluminium dosis tinggi, dan peningkatan dosis lebih lanjut tidak mengurangi resistansi, yang menunjukkan bahwa aluminium tidak lagi terionisasi. Oleh karena itu, penggunaan implantasi ion untuk menciptakan daerah tipe-p yang banyak didoping masih merupakan tantangan teknologi.

▲Gambar 2b. Hubungan Antara Tingkat Aktivasi dan Dosis Berbagai Elemen di SiC

Kedalaman dan konsentrasi dopan merupakan faktor penting dalam implantasi ion, yang secara langsung mempengaruhi kinerja listrik perangkat selanjutnya dan harus dikontrol dengan ketat. Spektrometri Massa Ion Sekunder (SIMS) dapat digunakan untuk mengukur kedalaman dan konsentrasi dopan pasca implantasi.**