실리콘 카바이드 이온 주입 및 어닐링 공정 소개

탄화규소 전력 소자의 도핑 공정에서 일반적으로 사용되는 도펀트는 n형 도핑의 경우 질소와 인, p형 도핑의 경우 알루미늄과 붕소를 포함하며 이온화 에너지와 용해도 한계는 표 1에 나와 있습니다(참고: 육각형(h) ) 및 입방(k)).

▲표 1. SiC 내 주요 도펀트의 이온화 에너지와 용해도 한계

그림 1은 SiC와 Si의 주요 도펀트의 온도에 따른 확산 계수를 보여줍니다. 실리콘의 도펀트는 더 높은 확산 계수를 나타내므로 약 1300°C에서 고온 확산 도핑이 가능합니다. 대조적으로, 탄화규소의 인, 알루미늄, 붕소 및 질소의 확산 계수는 상당히 낮으므로 합리적인 확산 속도를 위해서는 2000°C 이상의 온도가 필요합니다. 고온 확산은 전기적 성능을 저하시키는 다중 확산 결함과 마스크로서 일반적인 포토레지스트의 비호환성과 같은 다양한 문제를 야기하므로 이온 주입이 탄화 규소 도핑을 위한 유일한 선택이 됩니다.

▲그림 1. SiC와 Si의 주요 불순물 확산상수 비교

이온 주입 중에 이온은 기판의 격자 원자와 충돌하여 에너지를 잃고 이러한 원자에 에너지를 전달합니다. 이렇게 전달된 에너지는 격자 결합 에너지에서 원자를 방출하여 원자가 기판 내에서 이동하고 다른 격자 원자와 충돌하여 제거되도록 합니다. 이 과정은 자유 원자가 격자에서 다른 원자를 방출할 만큼 충분한 에너지를 갖지 못할 때까지 계속됩니다.

관련된 이온의 양이 많기 때문에 이온 주입은 기판 표면 근처에서 광범위한 격자 손상을 일으키며 손상 정도는 주입량 및 에너지와 같은 주입 매개변수와 관련됩니다. 과도한 양은 기판 표면 근처의 결정 구조를 파괴하여 무정형으로 만들 수 있습니다. 이러한 격자 손상은 단결정 구조로 복구되어야 하며 어닐링 과정에서 도펀트를 활성화해야 합니다.

고온 어닐링을 통해 원자는 열로부터 에너지를 얻어 빠른 열 운동을 겪게 됩니다. 자유 에너지가 가장 낮은 단결정 격자 내 위치로 이동하면 그곳에 정착됩니다. 따라서 기판 경계면 근처의 손상된 비정질 탄화규소와 도펀트 원자는 격자 위치에 맞춰지고 격자 에너지에 의해 구속되어 단결정 구조를 재구성합니다. 이러한 동시 격자 복구 및 도펀트 활성화는 어닐링 중에 발생합니다.

연구에서는 SiC의 도펀트 활성화 속도와 어닐링 온도 사이의 관계가 보고되었습니다(그림 2a). 이러한 맥락에서 에피택셜 층과 기판은 모두 n형이며, 질소와 인이 0.4μm 깊이로 주입되고 총 주입량은 1×10^14cm^-2입니다. 그림 2a에서 볼 수 있듯이 질소는 1400°C에서 어닐링한 후 10% 미만의 활성화율을 나타내며 1600°C에서는 90%에 도달합니다. 인의 거동도 유사하여 90% 활성화율을 위해서는 1600°C의 어닐링 온도가 필요합니다.

▲그림 2a. SiC의 다양한 어닐링 온도에서 다양한 원소의 활성화율

p형 이온 주입 공정에서는 붕소의 이상 확산 효과로 인해 일반적으로 알루미늄이 도펀트로 사용됩니다. n형 주입과 유사하게 1600°C에서 어닐링하면 알루미늄의 활성화 속도가 크게 향상됩니다. 그러나 Negoro et al. 500°C에서도 고용량 알루미늄 주입으로 시트 저항이 3000Ω/square에서 포화 상태에 도달했으며, 주입량을 더 늘려도 저항이 감소하지 않아 알루미늄이 더 이상 이온화되지 않음을 나타냅니다. 따라서 이온 주입을 사용하여 고농도로 도핑된 p형 영역을 생성하는 것은 여전히 ​​기술적 과제로 남아 있습니다.

▲그림 2b. SiC의 다양한 원소의 활성화율과 투여량 사이의 관계

도펀트의 깊이와 농도는 이온 주입의 중요한 요소로, 장치의 후속 전기적 성능에 직접적인 영향을 미치므로 엄격하게 제어해야 합니다. 2차 이온 질량 분석기(SIMS)를 활용하여 주입 후 도펀트의 깊이와 농도를 측정할 수 있습니다.**