Modélisation de l'implantation ionique dans α-SiC et application à la conception de composants de puissance
par Erwan Morvan
Thèse de doctorat en Génie électrique
Sous la direction de Jean-Pierre Chante.
Soutenue en 1999
à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec CEGELY - Centre de génie électrique de Lyon (Rhône) (laboratoire) .
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Résumé
L'implantation ionique: est une étape technologique fondamentale pour la fabrication de composants électroniques en carbure de Silicium (SiC), C'est actuellement la seule technique de dopage sélectif pour ce semi-conducteur car l'incorporation de dopants par diffusion thermique nécessite des températures très élevées, incompatibles avec les autres étapes technologiques. L'implantation permet de modifier les propriétés physiques, électriques et optiques du SiC. La précision de la dose et de l'énergie d'implantation permet de bien contrôler la distribution des impuretés introduites. L'utilisation d'implantations multiples à doses et énergies variables permet d'obtenir une grande variété de profils d'impuretés. Afin de mieux comprendre et d'optimiser le procédé d'implantation dans le SiC cristallin et afin d'orienter la recherche, il est très intéressant de modéliser les phénomènes physiques mis en jeu et de simuler les trajectoires des ions implantés. Une étude générale de la modélisation et de la simulation de l'implantation ionique a été réalisée. A partir de cette étude, un simulateur d'implantation ionique dans SiC monocristallin a été développé (6H, 4H, JC). Ce simulateur est basé sur la méthode de Montecarlo dans l'approximation des collisions binaires. Des procédures de tabulation interpolation ont été mises en œuvre pour accélérer les simulations. Après validation à l'aide de profils expérimentaux (SIMS), le simulateur a été utilisé pour étudier les profils d'implantations multiples, le phénomène de canalisation, la dispersion latérale des impuretés, les défauts créés par l'implantation et les déplacements de stœchiométrie. En combinant les résultats expérimentaux publiés et les simulations, des conditions d'implantation (angles d'implantation, doses et énergies d'implantations multiples) ont été déterminées dans le but de fabriquer des zones actives de composants de puissance (émetteurs de diodes bipolaires, source/drain de MOSFET). Pour reconstruire le cristal endommagé par l'implantation et activer les dopants implantés, des recuits à haute température sont nécessaires. L'activation de Al implanté à haute énergie a été évaluée par mesure capacitive et celle de N par mesure TLM. Des diodes bipolaires p•nn• (Al) et des MOSFETs latéraux (N) ont été fabriquées et caractérisés.
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Titre traduit
= Ion Implantation Modeling in α-SiC and its applications to Power devices design
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Résumé
Ion implantation is a fundamental technique for the fabrication of electronic devices in Silicon Carbide (SiC). This is the only technique allowing selective doping of this semiconductor because dopant incorporation by thermal diffusion requires very high temperatures which are not compatible with the other technological steps. Physical, electrical and optical properties of SiC can be modified by the use of ion implantation. The fluence and energy accuracies allow a good control of implanted impurity distribution. Virtually any kind of impurity profile can be obtained by the use of multiple implantations with varying fluences and energies. In order to better understand and to optimise the implantation process and as guidance to investigation, it is very useful to model the physical phenomena involved and to simulate the implanted ion trajectories. A global study on modeling and simulation of ion implantation has been carried out. From this study, an ion implantation simulator for SiC single-crystals has been developed (6H, 4H, 3C). This simulator is based on the Montecarlo method in the binary collision approximation. Tabulation-interpolation routines have been developed in order to increase the simulation speed. The simulator has been validated with experimental dopant profiles (SIMS). Afterwards, it has been used to investigate the multiple implants profiles, the. Channeling phenomenon, the lateral dispersion of ions, the defects generated by the implantation process and the stochiometric disturbances. By combining published experimental results and simulation results, optimal implantation conditions have been determiaed (beam angles, r1uences and energies of multiple implants) for the fabrication of the active areas of power devices (bipolar diodes emitter and MOSFET source/drain). High temperature annealing has to be performed in order to recrystallise the SiC wh. Ich has been damaged by the implantation process and in order to incorporate implanted do pants. Activation of Al implanted at high energy has been evaluated by capacitance-voltage measurements and activation of N has been measured by me TLM method. P•nn • (Al) bi-polar diodes and lateral MOSFETs (N) have been fabricated and characterised
