Untersuchung von Ausheilverfahren für Aluminium-implantierte Schichten in 4H-Siliciumcarbid

Investigation of Annealing Techniques for Aluminum Implanted Layers in 4H-Silicon Carbide

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-6532
  • Thema dieser Dissertation ist die Entwicklung eines Ausheilverfahrens für Aluminium-implantierte Schichten in 4H-Siliciumcarbid mit minimaler Oberflächendegradation und gleichzeitig hohem Aktivierungsgrad der implantierten Spezies. Da die notwendigen Ausheiltemperaturen für Aluminium-implantierte Schichten im Bereich von 1700°C liegen, wurden zu Beginn zwei prinzipiell unterschiedliche Ausheilverfahren hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Oberflächendegradation der Proben untersucht. In einem speziell entwickelten hochtemperaturtauglichen Vertikalofen konnte durch gezielte Zugabe von Silan während dem Ausheilvorgang der Silicium-Partialdruck eingestellt werden. Dadurch konnte eineThema dieser Dissertation ist die Entwicklung eines Ausheilverfahrens für Aluminium-implantierte Schichten in 4H-Siliciumcarbid mit minimaler Oberflächendegradation und gleichzeitig hohem Aktivierungsgrad der implantierten Spezies. Da die notwendigen Ausheiltemperaturen für Aluminium-implantierte Schichten im Bereich von 1700°C liegen, wurden zu Beginn zwei prinzipiell unterschiedliche Ausheilverfahren hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Oberflächendegradation der Proben untersucht. In einem speziell entwickelten hochtemperaturtauglichen Vertikalofen konnte durch gezielte Zugabe von Silan während dem Ausheilvorgang der Silicium-Partialdruck eingestellt werden. Dadurch konnte eine Verminderung der Oberflächendegradation erreicht werden. Eine weitere Reduzierung der Oberflächendegradation, insbesondere bei einer Implantations-Dosis von 1,2E15cm-2, wurde durch Implantation bei Temperaturen bis 1000°C realisiert. Die Oberflächenrauhigkeit konnte dadurch um 40% auf 12nm reduziert werden. Als alternatives Ausheilverfahren wurde ein Lampensystem untersucht. Die Probe wurde dazu in einen geschlossenen Tiegel gelegt. Da während dem Ausheilvorgang Material des Tiegels verdampft, konnte die die Probe umgebende Atmosphäre durch die Materialwahl des Tiegels eingestellt werden. Die geringsten Oberflächenrauhigkeiten wurden bei Verwendung eines Siliciumcarbid-beschichteten Graphit-Tiegels erzielt und lagen für eine Implantations-Dosis von 1,2E1015cm-2 bei 5nm. Zur elektrischen Charakterisierung wurde ein Modell zur Analyse des spezifischen Widerstandes entwickelt. Dieses basiert auf der Neutralitätsgleichung zur Berechnung der freien Ladungsträgerdichte und einem weiterentwickelten Thomas-Caughey Modell für die Beweglichkeit. Damit ließen sich sowohl der Aktivierungsgrad als auch der Kompensationsgrad durch temperaturabhängige Widerstandsmessungen bestimmen. Bei gleicher Ausheiltemperatur ist im Ofensystem sowohl der Aktivierungsgrad größer als auch der Kompensationsgrad geringer als im Lampensystem. Dies liegt an der längeren Ausheildauer von 30min für das Ofensystem, verglichen mit Zeiten zwischen 20s bis 5min für das Lampensystem. Für Ausheiltemperaturen von 1700°C für 30min konnte vollständige Aktivierung bei einem Kompensationsgrad von 33% erreicht werden. Durch Implantationen bei Temperaturen bis 1000°C wurde eine weitere Reduzierung des Kompensationsgrads auf 24% verwirklicht.show moreshow less
  • This thesis discusses annealing techniques for aluminum implanted layers in 4H-silicon carbide. The purpose is to minimize the surface degradation and to maximize the degree of activation for the implanted atoms. Annealing temperatures necessary for aluminum implanted layers are about 1700°C. Therefore, surface degradation was examined for two different annealing systems. First, a special developed vertical furnace was used with the possibility to add silane during annealing in order to control the silicon partial pressure. The result was a reduced surface degradation. Further reduction of the surface degradation was possible by using implantation temperatures up to 1000°C. A decrease in theThis thesis discusses annealing techniques for aluminum implanted layers in 4H-silicon carbide. The purpose is to minimize the surface degradation and to maximize the degree of activation for the implanted atoms. Annealing temperatures necessary for aluminum implanted layers are about 1700°C. Therefore, surface degradation was examined for two different annealing systems. First, a special developed vertical furnace was used with the possibility to add silane during annealing in order to control the silicon partial pressure. The result was a reduced surface degradation. Further reduction of the surface degradation was possible by using implantation temperatures up to 1000°C. A decrease in the surface roughness of about 40% down to 12nm was achieved for an implantation dose of 1.2E15cm-2. The second annealing system investigated was a lamp heated furnace. The sample was put into a box system during annealing. Due to evaporation of box material during annealing, a controlled annealing atmosphere could be achieved by using an appropriate box material. The lowest surface roughness was obtained by annealing in a silicon carbide coated graphite box. An implantation dose of 1.2E15cm-2 resulted in a surface roughness of 5nm. For electrical characterization, a model for calculating resistivity was developed. The base of this model was the neutrality equation for calculating free carrier concentrations and an improved Thomas-Caughey model for mobility determination. Using this model, the degree of activation and the compensation ratio were calculated based on temperature dependent resistivity measurements. The activation degree is larger and the compensation ratio is smaller for annealing in the vertical furnace compared to the lamp system for the same annealing temperature. This is due to the longer annealing time of 30min instead of times between 20s and 5min. Annealing at 1700°C for 30min resulted in a 100% activation and a compensation ratio of 33%. By using implantation at elevated temperatures up to 1000°C, a further reduction of the compensation ratio down to 24% was achieved.show moreshow less

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Metadaten
Author:Martin Rambach
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-6532
Advisor:Heiner Ryssel
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2007
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2007/05/18
Release Date:2007/07/10
Tag:Aktivierung; Kompensation; Oberflächenrauhigkeit; Oberflächentopographie; p-typ
annealing; doping; p-type; silicon carbide
SWD-Keyword:Siliciumcarbid; Ausheilung; Dotierung; Implantation; Aluminium; Halbleiteroberfläche
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
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