Etude du dopage par implantation ionique d'aluminium dans le carbure de silicium pour la réalisation

Feav - Lazar , Mihai Bogdan

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&RQFOXVLRQ
CONCLUSION GENERALE
L’implantation ionique est une méthode indispensable pour la réalisation de
dopages localisés dans le carbure de silicium. Elle est nécessaire par exemple pour la
création de jonctions par inversion de type en surface pour les structures planar ou en
profondeur pour les couches enterrées, la protection des jonctions par extensions
latérales (JTE), la réalisation d’anneaux de garde et de ‘stop channel’, l’amélioration
des contacts ohmiques par dopage à forte dose, l’isolation des structures… Le recuit
post implantation joue un rôle décisif pour cette étape technologique et c’est l’un des
points clés à maîtriser afin de permettre le développement des composants de
puissance en carbure de silicium.
Les propriétés physiques du SiC impliquent un dopage par implantation et un
recuit post-implantation délicats, surtout pour la réalisation des couches de type p. La
structure cristalline du SiC hexagonal (4H et 6H) offre une multitude d’axes de
canalisation par rapport au faisceau ionique incident. L’optimisation du profil
d’impuretés implantées passe par la compréhension des phénomènes liés à
l’implantation ionique en général, et en ayant une approche plus spécifique pour le
SiC, matériau composé, semiconducteur à large bande interdite et très rigide. Cette
étape comprend la maîtrise des principaux points suivants : la génération des défauts
pendant la phase d’implantation ionique, leur évolution, leur accumulation et la
formation de zones amorphes, la guérison de ces défauts par le recuit post-
implantation, qui dépend de l’endommagement initial du cristal, ainsi que
l’activation électrique des dopants implantés lors du recuit post implantation, c’est à-
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(WXGH GX 'RSDJH SDU ,PSODQWDWLRQ ,RQLTXH G¶$OXPLQLXP GDQV OH
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7KqVH ,QVD GH /\RQ &(*(/<&RQFOXVLRQ
dire leur migration en sites substitutionnels dans lesquels ils seront susceptibles
d’engendrer par ionisation des porteurs.
L’étude de la réalisation de couches de type p dans le SiC s’est portée sur
l’implantation d’aluminium, le dopant le mieux adapté, notamment du point de vue
de son énergie d’ionisation qui est la plus faible (mais cependant importante), de la
migration naturelle en site substitutionnel avec un caractère accepteur et de la
maîtrise du profil d’impuretés pendant le recuit (une importante diffusion pendant le
recuit est observée pour le bore, le béryllium).
L’activation électrique des dopants dans le SiC nécessite des températures de
recuit post implantation élevées (1500-1800°C) ce qui provoque une dégradation
importante de la surface pendant le recuit, par une évaporation de Si qui peut
entraîner en présence de forts gradients thermiques une sublimation du SiC. On peut
ainsi perdre une partie, voire la totalité de la couche implantée. Une géométrie
spéciale de la chambre de recuit est nécessaire, notamment en ce qui concerne la
nature des pièces présentes dans la chambre de recuit (suscepteur, couvercle,
support…) afin de créer une surpression de Si et C pendant le recuit.
L’analyse des couches réalisées par implantation Al et recuit post-implantation a
conduit à une nouvelle configuration de la chambre de recuit du four JIPELEC du
CEGELY, nommée F4, qui permet notamment d’éviter la gravure non intentionnelle
ou le dépôt d’une couche de SiC en surface.
Les mesures physico-chimiques ont permis d’analyser l’influence des conditions
d’implantation Al et de recuit post implantation sur la qualité volumique ainsi que la
surface des couches formées.
L’endommagement volumique provoqué par l’implantation ionique, la formation
des couches amorphes ainsi que la recristallisation ont été analysées par RBS/C. Pour
des implantations Al réalisées à température ambiante, le seuil de formation d’une
14 2 14 2couche amorphe a été situé entre 6,56x10 cm et 8x10 cm dans le cas d’un profil
d’implantation plat sur 0,45 μm. Il est possible d’éviter la formation des couches
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amorphes en implantant à température élevée. En estimant l’endommagement
résiduel après recuit post-implantation en configuration F4 par mesures RBS/C, on
constate que le matériau retrouve un état cristallin quasi parfait dans le cas où on
évite la formation d’une couche amorphe : implantations à température ambiante
avec des concentrations d’impuretés inférieures au seuil d’amorphisation ou des
implantations à haute température pour des concentrations plus élevées. On trouve
une superposition des spectres RBS/C des échantillons de SiC vierges (non
implantés) et de ceux des échantillons recuits F4. Dans le cas où une couche amorphe
est formée par implantation ionique, l’endommagement résiduel suite au recuit est
d’autant plus important que la couche est endommagée, c’est-à dire que la couche
amorphe est épaisse en profondeur.
Les profils d’impuretés implantées mesurés par SIMS avant et après recuit se
2superposent avec les profils obtenus par simulation Monte Carlo SiIC dans le cas où
on ne génère pas une couche amorphe, ce qui montre que le recuit post implantation
en configuration F4 préserve les dopants implantés sans gravure ou dépôt de couche
SiC en surface. La formation d’une couche amorphe détermine une redistribution des
dopants en volume et en surface. Cette redistribution est d’autant plus prononcée que
l’endommagement est important, i.e. que la couche amorphe est plus épaisse en
profondeur.
La qualité de la surface après recuit a été analysée par des mesures XPS et de
rugosité (AFM et profilomètre). Un rapport stœchiométrique proche de 1 a été trouvé
dès les premières couches atomiques par mesures XPS. La rugosité augmente avec la
température et le temps de recuit, elle devient critique vis à vis de l’état de surface
pour des températures et des temps de recuit supérieurs à 1700°C et 30 min. Elle
augmente également avec la dose d’implantation dans le cas de formation de couches
amorphes.
Les analyses électriques des couches implantées montrent une diminution de la
résistance carrée des couches implantées avec le temps et la température de recuit.
Dans le cas des couches implantées à température ambiante, la variation est linéaire
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en fonction de la température de recuit, en gardant la durée constante. On estime que
cette activation est quasi complète pour des conditions de recuit post implantation de
1800°C, 30 min. Les résistances carrées des couches sont plus faibles dans le cas du
SiC 4H dû à une énergie d’ionisation plus faible. Des résistances carrées plus faibles
sont également obtenues pour les couches implantées à 300°C par rapport à celles
implantées à température ambiante, en ayant une meilleure activation électrique pour
des couches implantées à température élevée.
La haute température nécessaire pour avoir une activation quasi complète
suppose un compromis à trouver entre la qualité de surface (la rugosité) et
l’activation des dopants, en fonction des exigences demandées par le dispositif
semiconducteur SiC à réaliser. A ce sujet on remarque une dispersion des paramètres
électriques pour SiC-4H et pour SiC 6H publiés dans la littérature tels que : la masse
effective des trous, les énergies d’ionisation de l’Al, la mobilité des porteurs, et plus
spécialement la variation de ces derniers avec la concentration de dopants.
La réalisation technologique de motifs de test de la résistance carrée placés
régulièrement à la surface de la plaquette a permis de trouver une variation linéaire
de la résistance carrée avec la distance de la structure test au centre de la plaquette.
La corrélation de ces résultats avec la variation linéaire des résistances carrées en
fonction de la température de recuit nous a permis de déduire une variation linéaire
de la température à la surface du suscepteur. L’écart de température entre le centre et