CC BY
9УДК 621.315.592
1 2 3 3 3
Г.К. Сафаралиев , Б. А. Билалов , Р.В. Рыжук , Н.И. Каргин , A.C. Гусев , Г.ДКарда-шова2, М.Э. Исмаилов2, М.К. Курбанов1
Влияние энергии и дозы имплантации на напряжение пробоя карбидокремниевых
/7-и-структур
Дагестанский государственный технический университет; [email protected] 3НИЯУМИФИ, г. Москва
В статье проведен анализ величин оптимальных энергий и дозы ионной имплантации для создания карбидокремниевых р-п-структур с напряжением пробоя, близким к максимальному значению. Показано, что для формирования р-п-структур с напряжением пробоя, близким к максимальному значению на пластинах n-6H-SiC с ND ~ 2-1017 см-3, необходимо эти пластины легировать бором энергией Е = 80 ± 5 кэВ и дозой D = (1 -г- 3)-1016 ион/см2 .
Ключевые слова: карбид кремния (SiC), ионное легирование (ИЛ), р-п-структура, напряжение пробоя, вольт-амперные характеристики (ВАХ).
The article analyzes the optimal values of the energy and dose of ion implantation for creation SiC p-n-structures with a breakdown voltage, close to the maximum value. It is shown that to form a p-n-structures with a breakdown voltage close to the maximum value on the plates of n-6H-SiC with the ND ~ 2 • 1017 cm"3 these plates must be doped with boron energy E = 80 ± 5 keV and a dose of Z) = (l-3)- 1016 ions/cm2.
Keywords: silicon carbide (SiC), ionic alloying (IA), p-n structure, breakdown voltage, voltampere characteristic (VAC).
Введение
В настоящее время одним из перспективных материалов для высокотемпературной, радиационно стойкой и силовой электроники является карбид кремния (SiC). Определенные преимущества при создании тонких слоев на основе SiC имеет метод ионной имплантации, поскольку он позволяет создавать концентрацию легирующей примеси, превышающую предел ее растворимости, осуществлять прецизионный контроль вводимой примеси, локально воздействовать на заданную область. Однако при ионном легировании карбида кремния возникают устойчивые к отжигам дефекты, количество которых в общем случае прямо пропорционально энергии и дозе имплантации [1]. Поэтому при разработке технологических процессов создания ионно-легированных (ИЛ) р-п-структур на основе карбида кремния важно рассчитать оптимальные режимы имплантации, позволяющие формировать приборные структуры по заданному параметру, в частности по величине напряжения пробоя.
Задачей данной работы являлось определение оптимальных энергии и дозы ионной имплантации для создания карбидокремниевых /^-//-структур с напряжением пробоя, близким к максимальному значению.
Энергия и доза имплантации
Известно, что увеличение пробивного напряжения электронных приборов достигается путем уменьшения концентрации примеси в базовой области и последующим выбором параметров р-п-перехода. Так, при увеличении энергии и дозы имплантации ширина области пространственного заряда (ОПЗ) и потенциальный барьер возрастают,
1
следовательно, напряжение пробоя увеличивается. Однако чем выше энергия имплантации, тем глубже располагается внедренная примесь, то есть концентрация в приповерхностном слое уменьшается. При некотором значении энергии концентрация внедренной примеси в приповерхностном слое становится меньше концентрации исходной примеси в этой области, следовательно, дальнейшее увеличение энергии приведет к инверсии носителей заряда в приповерхностном слое пластины, т. е. ширина ОПЗ больше не увеличится. Поэтому можно считать, что это максимальное значение энергии имплантации и соответствующей ей дозы, при которых еще не наступает инверсия носителей заряда в приповерхностном слое, и они являются оптимальными для формирования ИЛ /»-«-структур по величине напряжения пробоя.
Для проведения исследований использовались пластины карбида кремния, полученные методом Лели. Контроль концентрации легирующей примеси был проведен методом исследований спектров поглощения. В результате было установлено, что кон*-» 17 —3 и
центрация донорной примеси азота составляла Nd — 2-10 см .В качестве акцепторной примеси для создания /»-«-переходов был выбран бор, поскольку энергия его активации в карбиде кремния несколько выше, чем у алюминия, следовательно, ионно-легированные бором слои будут иметь большие значения напряжения пробоя за счет большего сопротивления.
Моделирование распределения имплантированной примеси бора в объеме карбида кремния проводилось с использованием программного пакета TRIM 2008 для 10000 ионов в диапазоне энергий Е = 10 100 кэВ с шагом Д Е = 10 кэВ. В результате проведенных расчетов была построена зависимость концентрации акцепторной примеси бора в приповерхностном слое пластины от энергии ее имплантации (рис. 1).
К о
<D
и £
X
<D
Я X о
Энергия, кэВ
Рис. 1. Зависимость концентрации имплантированной примеси бора в приповерхностном слое 81С пластины от энергии имплантации
Видно, что концентрация внедренной примеси бора в приповерхностном слое, соответствующая энергиям более 80 кэВ, принимает значения, меньшие концентрации донорной примеси Ыа < Мл Доза имплантации, соответствующая энергии Е = 80 кэВ, составила/) = (1 -^3)-1016 ион/см2. Коэффициент активации бора был принят равным 5 % [2].
На основе проведенных расчетов распределения внедренной примеси бора были
определены концентрации носителей заряда в имплантированной р-области:
□ / Е^ \
где Na - концентрация внедренной акцепторной примеси бора, рассчитанная в программе TRIM 2008, Nd - концентрация донорной примеси, Еа = 0,35 эВ - энергия активации примеси бора, g = 4 - фактор вырождения, к - постоянная Больцмана, Т — темпе-
15 3/2 „ и
ратура, Nv = 4,8-10 Т - плотность состояний в валентной зоне [3]. Далее была определена ширина ОПЗ р-п-перехода:
W = Х„ — Хр,
где х„ и хр - граничные значения ширины ОПЗ, в которых напряженность поля стремится к нулю:
. qN(x)
E(x)=Y}
-w.
sen
где Щх) - эффективная концентрация носителей заряда, в - диэлектрическая проницаемость, £о - диэлектрическая постоянная. При расчете напряженности поля (см. рис. 2) было учтено, что максимальное значение электрического поля в карбиде кремния достигает значения Емах = 3 -106 В/см [4].
мкм
Рис. 2. Распределение напряженности электрического поля в области р-п-перехода ионно-легированных структур
При энергиях Е < 80 кэВ кривые напряженности сместятся влево - в сторону поверхности пластины, то есть ОПЗ р-п-перехода уменьшится. При энергиях Е > 80 кэВ ОПЗ р-п-перехода сместится вправо - вглубь пластины, то есть напряжение пробоя не изменится (рис. 2). Поэтому было установлено, что оптимальной энергией имплантации для формирования р-п-структур на пластине п-бНБЮ с N0 ~ 2-1017 см-3 является Е = 80 ± 5 кэВ и доза Б = (1^-3)-1016 ион/см2. Величина напряжения пробоя р-п-перехода, определенная из выражения
Unpo6=Y.E(x)w
составила значение U ~ 200 В.
x
X
Вольт-амперные характеристики
Ионное легирование серии образцов п-бНБЮ с N0 ~ 2-1017 см-3 было проведено бором энергией Е = 80 кэВ и дозой И = 2-1016 ион/см2. Обратная сторона пластин (п-область) была легирована азотом дозой I) = 1015 ион/см2 и двумя энергиями Е = 30 кэВ + 80 кэВ с целью увеличения концентрации донорной примеси для форми-
рования низкоомного омического контакта. Термообработка образцов проводилась при температуре 1750 °С в течение 25 с. Ni/Ti омический контакт к n-области был нанесен по всей поверхности. Диаметры Ti/Al контактов к р-области составили: 100, 150, 200, 300, 400, 500 мкм. Термообработка контактов проведена при температуре 1100 °С в течение 45 секунд.
На рисунке 3 представлены результаты исследований вольт-амперных характеристик (ВАХ) ионно-легированных SiC р-п-структур.
Зависимость вольт-амперных характеристик экспериментальных образцов от величины диаметра контакта связана, видимо, с растеканием по поверхности. ВАХ ИЛ структур при прямом смещении имели «излом», соответствующий напряжению U = 2 В. Очевидно, происходило изменение механизмов токопрохождения [5]. Вольт-амперные характеристики имели слабую крутизну, что связано как с малым значением концентрации электронов и дырок в п- и/-областях ИЛ структур, так и с генерационно-рекомбинационным механизмами токопрохождения [5].
Пробой наступал при смещениях U ~ 200 В, что достаточно удовлетворительно совпало с расчетными данными. Некоторое отклонение экспериментальных значений напряжения пробоя образцов (для 100 мкм контакта) от теоретических расчетов связано с повышенным сопротивлением ионно-легированного бором слоя.
ю" ________________________________________________________________________
10'
< 1 о;
101° 10"1Í
10^ ю7
<
10°
10,о
0 40 80 120 160 200 и, В
б)
Рис. 3. ВАХ ионно-легированных /»-«-структур на 8¡С: а) - при прямом смещении, б) - при обратном смещении
и. в
Заключение
В работе проанализирована возможность определения оптимальных энергии и дозы ионной имплантации для создания карбидокремниевых р-п-сгруктур с напряжением пробоя, близким к максимальному значению. На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что для формирования /^-//-структур с напряжением пробоя, близким к максимальному значению на пластинах n-6H-SiC с Nd ~ 2-10 см~ , необходимо эти пластины легировать бором энергией Е = 80 ± 5 кэВ и дозой I) = (1 - 3)-1016 ион/см2. Увеличение энергии и дозы имплантации для данных пластин не приведет к уменьшению напряжения пробоя, однако произойдет увеличение количества радиационных дефектов, вносимых легированием, следовательно, возрастут токи утечки и, кроме того, инжекционная составляющая тока будет смещена в сторону больших напряжений.
В заключение следует отметить, что, благодаря особенностям ионной имплантации, этот метод в настоящее время активно используется при создании охранных колец в карбидокремниевых приборах с целью увеличения их пробивного напряжения [6, 7]. В большинстве работ, посвященных этой проблеме, основное внимание уделено расположению и толщине этих колец, при этом выбор энергии и дозы ионной имплантации не всегда очевиден. Поэтому полученные результаты работы могут быть использованы при создании охранных колец в технологии карбидокремниевых приборов в части выбора оптимальных энергий и дозы ионной имплантации.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Гетероструктурная СВЧ-электроника и физика широкозонных полупроводников НИЯУ МИФИ» (в рамках ГК M 16.552.11.7005 от 29.04.2011 г., Договора M 13.G36.31.0005 от 22.10.2010 г., ГК 16.513.11.3103 от 03.10.2011 г.), МНИЛ «Твердотельной электроники» ДГУ (врамках ГК № Р1010) и НОЦ «Материаловедение и новые технологии полупроводниковых материалов» ДГТУ (в рамках ГК № 16.740.11.0385 и ГК № 14.740.11.0595), а также при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (госконтракт № П1010 от 27.05.2010 г.)
Литература
1. Куликов Д.В., Трушин Ю.В., Рыбин П.В., Харламов B.C. Физическая модель эволюции дефектной системы карбида кремния с учетом внутренних полей упругих напряжений при имплантации ионами А1+ и N+ и последующем отжиге // Журнал технической физики. - 1999. - Т. 69. - Вып. 10. - С. 43-50.
2. Гудков В.А., Крысов Г.А., Макаров В.В. Влияние поверхностной диссоциации на свойства ионно-имплантированных р-слоев карбида кремния // Физика и техника полупроводников. - 1986 - Т. 20 - Вып. 1. - С. 170-172.
3. Интернет-ресурс: http://www.ioffe.m/SVA/NSM/Semicond/SiC/index.html
4. Стрелъчук A.M. Механизмы тока и процессы рекомбинации носителей заряда в SiC р-п-структурах: дис. ... канд. физ.-мат. наук. - СПб, 1992. - 244 с.
5. Рыжук Р.В., Каргин Н.И, Билалов Б.А., Гудков В.А. Влияние режимов формирования и эксплуатации на свойства ионно-легированных карбидокремниевых диодных структур // Известия высших учебных заведений. Электроника. - М.: Изд. МИЭТ. -2009. - № 5 (79). - С. 7-14.
6. Silicon Carbide, Vol. 2: Power Devices and Sensors / Edited by Peter Friedrichs, Tsu-nenobu Kimoto, Lothar Ley and Gerhard Pensl. Weinheim: Wiley-VCH Verlag Gmbh & Co. KGaA, 2010. - P. 500.
7. Иванов П.А., Грехов ИВ., Ильинская НД. и др. Высоковольтные (1800 В) пла-нарные />-и-переходы на основе 4H-SiC с плавающими охранными кольцами // Физика и техника полупроводников. - 2009. - Т. 43. - Вып. 4. - С. 527-530.
Поступила в редакцию 27.05.2012 г.
