CONCLUSION GENERALE &RQFOXVLRQ

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1 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 postimplantation, qui dépend de l endommagement initial du cristal, ainsi que l activation électrique des dopants implantés lors du recuit post-implantation, c est-à-

2 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 ( 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 couche amorphe a été situé entre 6,56x10 14 cm -2 et 8x10 14 cm -2 dans le cas d un profil d implantation plat sur 0,45 µm. Il est possible d éviter la formation des couches

3 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 superposent avec les profils obtenus par simulation Monte-Carlo I 2 SiC 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

4 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 le bord (plus chaud) est alors estimé à 30 C pour un recuit de 1700 C et 30 min. Cette étude a été validée par la réalisation de composants de puissance en SiC. Quatre lots de plaquettes avec des diodes bipolaires protégées par JTE ont été réalisés par implantation ionique d Al pour l émetteur et sa protection JTE. L homogénéité et la reproductibilité des caractéristiques directes confirment la qualité de l implantation ionique et surtout du recuit post-implantation en configuration F4. Un meilleur comportement en polarisations directe et inverse est trouvé pour les diodes bipolaires réalisées par implantation à 300 C, ce qui confirme une meilleure

5 activation électrique des dopants implantés à température élevée, ainsi qu une meilleure qualité cristalline des couches. Les diodes bipolaires réalisées à température ambiante montrent cependant des caractéristiques assez proches de celles implantées à 300 C. Des densités de courant aussi élevées que 200 A.cm -2 ont été obtenues pour une polarisation directe de 5V. La tenue en tension augmente avec la longueur des JTE ce qui montre le rôle bénéfique de cette protection. Le comportement électrique des diodes aussi bien en direct qu en inverse, notamment en terme de tenue en tension, dépend de la taille de l émetteur. Cela montre que la qualité des substrats SiC reste à améliorer. Des tenues en tension supérieures à 2 kv ont été obtenues. On observe surtout une amélioration de la tenue en tension si le test est réalisé sous SF 6 par rapport à un test dans l air. Cela implique que pour avoir des composants de puissance haute tension en SiC et bénéficier des qualités du SiC, une étude sur la passivation et l environnement des couches SiC doit être réalisée. Actuellement la configuration de recuit post-implantation F4 est appliquée et exploitée avec succès dans la réalisation d autres dispositifs de puissance dans le cadre de différents projets conduits au laboratoire ou par ses partenaires.