CHAPITRE III LA jonction p N - INSA de Lyondocinsa.insa-lyon.fr/these/1999/ottaviani/09-rapc.pdf ·...

Chapitre 3 - La jonction p+n----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

137

CHAPITRE III LA jonction p +N

I La diode 'JTE'---------------------------------------------------------------------------139

A - La structure--------------------------------------------------------------------140

B - La couche p+ et les poches p------------------------------------------------141

1. La couche p+ --------------------------------------------------------141

2. Les poches p----------------------------------------------------------142

II Les paramètres de l'implantation ionique------------------------------------------143

A - La caractérisation du matériau initial--------------------------------------144

1. L'analyse XPS--------------------------------------------------------144

2. L'analyse RBS/C-----------------------------------------------------146

3. L'analyse SIMS-------------------------------------------------------147

B - Les angles d'implantation----------------------------------------------------149

1. Balayage horizontal mécanique et balayage vertical

électrostatique----------------------------------------------------------149

2. Balayage électrostatique du faisceau ionique----------------------151

C - La température d'implantation----------------------------------------------153

1. Influence de TI sur le profil de dopants-----------------------------153

2. Influence de TI sur l'endommagement------------------------------154

D - Le sens énergétique des cinq implantations-------------------------------155

1. La canalisation--------------------------------------------------------156

2. L'endommagement---------------------------------------------------159

E - Conclusion--------------------------------------------------------------------161

III Le recuit de la jonction p +n et son activation électrique--------------------------162

A - L'influence du sens énergétique d'implantation---------------------------162

1. Le profil de dopants et la recristallisation -------------------------163

2. L'activation électrique------------------------------------------------164

B - L'influence de la température et de la durée du recuit-------------------166

1. La recristallisation----------------------------------------------------166


138

2. L'activation électrique------------------------------------------------168

C - Conclusion--------------------------------------------------------------------170

IV Conclusion du chapitre 3---------------------------------------------------------------171


139

CHAPITRE III LA jonction p +N

Ce chapitre est consacré à l'étude de la création d'une jonction p+n. C'est la jonction

principale de la diode bipolaire de puissance étudiée au Cegely, dont nous rappelons ici les

principales caractéristiques. Cette diode est protégée par des extensions latérales appelées

'JTE' (Junction Termination Extension). Nous verrons également l'influence du dopage et

de la profondeur de ces extensions sur la tenue en tension simulée du composant.

Les paramètres importants liés au procédé de l'implantation ionique pour la couche

p+ désirée seront examinés : les angles du faisceau ionique par rapport à l'échantillon, la

température d'implantation, et l'ordre énergétique suivi lors des cinq implantations

successives nécessaires. Enfin, la dernière partie sera consacrée à l'influence des

paramètres liés spécifiquement au recuit. Ces paramètres sont la température et la durée du

recuit, ce dernier étant effectué dans une configuration précise étudiée au deuxième

chapitre.

I. La diode 'JTE'

Après avoir présenté la structure de la diode 'JTE', nous donnerons les

caractéristiques des couches p+ et p devant être réalisées, c'est-à-dire leurs niveaux de

concentration et leurs profondeurs. Les raisons principales quant aux choix de ces valeurs

seront données, notamment au point de vue de la tenue en tension simulée du composant.

Nous verrons également les profils de dopants réels des couches p obtenus lors de la

réalisation des plaquettes de diodes. Une plaquette a été terminée durant ma thèse, et deux

autres attendent l'étape finale de métallisation.


140

A. La structure

La Fig. I-1 présente le schéma d'une structure p+nn+ plane de type 'JTE'.

P+ PP

N

N +

1L

$O

Fig. I-1 Schéma d'une diode bipolaire plane de type JTE

La tenue en tension VB d'une diode est fortement conditionnée par la périphérie de

sa jonction émettrice (en surface et en volume), zone où le champ électrique devient

sensiblement supérieur au champ en volume lorsqu’une tension inverse est appliquée. Les

points critiques sont notamment les angles du caisson p+, où le resserrement des

équipotentielles est très important. Ces zones de fort champ localisé entraînent un claquage

à une tension inverse plus faible que dans le cas d'une jonction plane illimitée. Il convient

donc de réduire le champ à l'endroit où émerge la jonction, c'est-à-dire établir une

protection périphérique. Cette dernière va augmenter le rayon de courbure des

équipotentielles en les redistribuant sur une grande surface latérale. A ce jour, plusieurs

techniques ont été étudiées dans ce but, telles que : les plaques de champ, les anneaux de

garde, ou la gravure des zones de fort champ.

Les structures gravées de type mesa ont été étudiées au Cegely [Lanois'97]. Nous

nous intéressons ici aux dispositifs de type planar, où la protection périphérique dite 'JTE'

est la suivante : des 'poches' du même type que la jonction principale (mais moins dopées)

sont créées autour de celle-ci afin d'étaler les équipotentielles au niveau de la surface du

dispositif [Temple'76]. Pour une tension inverse donnée, le champ électrique au niveau des

zones critiques sera alors plus faible qu'en l'absence des poches.


141

B. La couche p + et les poches p

1. La couche p+

Dans le but d'avoir un bon contact ohmique sur l'anode, et d'avoir de bonnes

caractéristiques électriques, une concentration élevée de porteurs de type p est nécessaire.

L'espèce implantée choisie sera donc préférentiellement l'aluminium, son énergie

d'ionisation étant plus faible que celle du bore. Les contraintes technologiques de

l'implanteur utilisé fixent l'énergie maximale d'implantation de Al à 300 keV, ce qui

correspond à une profondeur de jonction égale à 0,5 µm.

La Fig. I-2 montre la simulation TRIM de plusieurs implantations d'aluminium

successives conduisant à une concentration de 4 x 1019 cm-3. Cinq pics ont été jugés

suffisants pour avoir un plateau relativement constant sur la profondeur désirée.

1E+15

1E+16

1E+17

1E+18

1E+19

1E+20

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Profondeur (microns)

Con

cent

ratio

n (c

m-3

)

1E+19

1,5E+19

2E+19

2,5E+19

3E+19

3,5E+19

4E+19

4,5E+19

0 100 200 300 400 500

Profondeur (nm)

Con

cent

ratio

n (c

m-3

)

a) échelle logarithmique b) échelle linéaire

Fig. I-2 Simulation TRIM du profil de la couche p+

Le Tableau I-1 donne les énergies et les doses correspondantes. L'énergie la plus

élevée utilise un ion Al doublement ionisé. La dose totale vaut 1,75 x 1015 cm-2.

Energies (keV) 25 60 115 190 300

Doses (cm-2) 9,0 x 1013 1,9 x 1014 2,8 x 1014 3,9 x 1014 8,0 x 1014

Tableau I-1 Energies et doses des cinq pics d'implantation de Al pour la couche p+


142

2. Les poches p

Les poches de type p possèdent un niveau de dopage N0 et une profondeur W0 dont

les valeurs sont cruciales pour l'optimisation du dispositif. Des simulations ont été menées

avec le logiciel MEDICI (TMA) afin de déterminer leur influence sur la tenue en tension,

ceci dans le but d'avoir la tension de claquage la plus proche possible de la jonction plane

infinie, soit 1,55 kV pour une couche n d'épaisseur 10 µm et de concentration 5 x 1015 cm-

3. Les simulations avec les coefficients d'ionisation de Ruff ont permis d'évaluer qu’une

tension de claquage de 1420 V (correspondant à une efficacité de 92%) peut être obtenue

lorsque le produit N0 x W0 est proche de 1 x 1013 cm-2 [Ortolland'97b].

Afin d'avoir une protection périphérique utile, N0 doit être inférieur à la

concentration de la jonction principale (4 x 1019 cm-3) et W0 au moins égal à la profondeur

de cette dernière (0,5 µm). Il faut donc établir les valeurs de ces deux paramètres à partir de

la condition sur leur produit. A cause de la limitation en énergie de l'implanteur utilisé, les

poches de la plaquette entièrement conçue durant ma thèse (C0700-08) ont été réalisées par

implantation de bore pour avoir une profondeur plus importante que celle de la couche p+.

La Fig. I-3 présente la simulation TRIM de la poche implantée bore, qui correspond

à un niveau de concentration de 2 x 1017 cm-3 sur 0,7 µm. La dose implantée est donc égale

à 1,4 x 1013 cm-2. Elle est comparée au profil SIMS de l'implantation correspondante,

effectuée à 300°C.

1 E + 1 5

1 E + 1 6

1 E + 1 7

1 E + 1 8

0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,9 1

P r o fo n d e u r ( m ic r o n s )

Con

cent

ratio

n (c

m-3

)

T R I M

S I M S

Fig. I-3 Simulation TRIM et profil SIMS de la poche implantée B à 300°C

Le Tableau I-2 donne les caractéristiques des onze implantations nécessaires.


143

Energie (keV) 20 35 50 75 100

Dose (cm-2) 6,50 x 1011 7,00 x 1011 1,00 x 1012 1,20 x 1012 1,20 x 1012

130 165 200 240 280 340

1,40 x 1012 1,20 x 1012 1,35 x 1012 1,20 x 1012 1,30 x 1012 2,70 x 1012

Tableau I-2 Energies et doses des onze pics d'implantation de B pour la poche p

Les deux autres plaquettes conçues (actuellement en cours de finition) ont vu des

poches implantées en aluminium. Leurs profondeurs sont donc égales à celle de la couche

p+ : de nouvelles simulations ont été menées au laboratoire afin de déterminer la sensibilité

de la tenue en tension avec la dose dans ce cas. Il s'avère que moins la poche est profonde,

et plus la gamme de valeurs de la dose s'élargit pour avoir une tenue en tension maximale.

Les deux implantations réalisées ont ainsi été effectuées avec deux doses cumulées

relativement différentes : l'une vaut 1 x 1013 cm-2 (plaquette W0012-7) et l'autre vaut 2,8 x

1013 cm-2 (plaquette W0012-12). Dans chacun des cas, les cinq énergies d'implantation sont

les mêmes que pour la couche p+, et les doses de chaque pic sont réduites dans le même

rapport que la dose cumulée.

II. Les paramètres de l'implantation ionique

Les paramètres spécifiquement liés à l'implantation de la couche p+ sont ici étudiés,

ainsi que leurs influences sur les caractéristiques de la couche. Les angles d'implantation

sont des paramètres fondamentaux sur la forme du profil de dopants, et spécialement sur

l'extension de la queue en volume, car ils jouent surtout sur le phénomène de canalisation.

Deux cas différents seront comparés entre eux, suivant le type de balayage utilisé durant

l'implantation.

Les paramètres suivants sont étudiés dans le cas de la couche p+ et de la couche p

réalisée par implantation de Al (1013 cm-2). Nous examinerons d'abord l'influence de la


144

température d'implantation sur le profil des atomes Al et sur l'endommagement du

matériau. Les températures étudiées sont 25°C et 300°C. Enfin, nous ferons varier le sens

énergétique des cinq implantations (sens croissant ou décroissant), afin de connaître les

effets éventuels sur la canalisation et/ou l'endommagement.

Dans le but d'avoir une référence pour pouvoir comparer les analyses entre elles, le

matériau initial a préalablement été caractérisé de trois manières.

A. La caractérisation du matériau initial

Rappelons que la couche épitaxiée initiale est de type n, avec une concentration de

3,8 x 1015 cm-3 et une épaisseur de 10 µm, et que le substrat n+ est dopé à 1,5 x 1018 cm-3

sur 300 µm. La plaquette, achetée à Cree Research, est numérotée C0700-09. Après avoir

effectué une lithographie correspondant au premier masque d'alignement, nous avons fait

une gravure SF6/O2 afin d'isoler la plaquette en plusieurs champs d'étude, chacun d'eux

étant marqué d'un numéro pour faciliter les repérages. La plaquette a ensuite été découpée

suivant les chemins d'alignement, donnant 40 carrés de 5 mm de côtés.

1. L'analyse XPS

Une première analyse XPS, effectuée sur un échantillon n'ayant pas subi de

préparation particulière, donne les concentrations atomiques du Tableau II-1. On observe

une contamination surfacique de carbone libre, vérifiée sur le spectre C1s (Fig. II-1).

Si2p C1s O1s [Si / C]

surface 24,0 55,0 14,6 0,38

10 nm 48,8 47,6 3,6 1,03

Tableau II-1 Concentrations atomiques d'un échantillon vierge (analyses XPS)


145

Co

mp

tag

e é

lectr

on

iqu

e

E ne rg ie de l ia ison (eV )

1200

295 .8 275 .8291 .8 287 .8 283 .8 279 .8

C -O

C -CC -H C -S i

Fig. II-1 Signal XPS centré sur C1s de la surface de l'échantillon vierge

En surface, la proportion des liaisons C-C et/ou C-H est assez importante par

rapport à celle des liaisons C-Si. Par ailleurs, en-dehors de Si et C, nous avons également

trouvé 2,5 % d'azote, 3,9 % de fluor, et surtout 14,6 % d'oxygène. Ce dernier se lie

préférentiellement au silicium. Il est encore présent à la profondeur de 10 nm dans une

proportion non négligeable (3,6 %).

Une nouvelle analyse XPS a été menée sur cet échantillon, après lui avoir fait subir

un nettoyage CARO ( [H2O2 + H2SO4] puis HF + eau désionisée + N2 ). La Fig. II-2 montre

le spectre élémentaire obtenu. Le fluor et l'azote ne sont désormais plus détectables. La

proportion d'oxygène en surface atteint 26,8 %, probablement à cause des traces laissées

par les acides. Le nettoyage ne change pas la proportion en volume. Quant aux rapports

stoechiométriques, ils restent inchangés.

L'efficacité du CARO pour éliminer les impuretés en surface ayant été démontrée,

ce procédé sera systématiquement employé avant d'effectuer les implantations ioniques.


146

Co

mp

tag

e é

lectr

on

iqu

e

Ene rg ie de lia ison (eV)

3000

1100 0880 660 440 220

O(A

ug

er)

O(1

s)

C(1

s)

Si(

2s)

Si(

2p

)

O(2

s)

Ca

(2p

)

N(1

s)

Fig. II-2 Spectre général XPS de l'échantillon vierge nettoyé

2. L'analyse RBS/C

Le signal de l'échantillon vierge canalisé est comparé au signal aléatoire

(correspondant au matériau amorphe) sur la Fig. II-3. Les deux flèches indiquent la

présence des pics du carbone (~ 500 keV) et du silicium (~ 1150 keV).

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Energie (keV)

Inte

nsité

(U

A)

signal aléatoire

signal canalisé

Fig. II-3 Spectres RBS/C de l'échantillon vierge (aléatoire et canalisé)


147

La variation du taux de décanalisation χ (rapport signal canalisé sur signal

aléatoire) est donné sur la Fig. II-4. Il diminue régulièrement du pic C jusqu'à 900 keV,

pour se stabiliser vers une valeur de 7 % entre 900 et 1150 keV.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Energie (keV)

Tau

x de

déc

anal

isat

ion

Fig. II-4 Taux de décanalisation χ de l'échantillon vierge

3. L'analyse SIMS

L'analyse SIMS de l'échantillon vierge (après nettoyage au CARO) a été effectuée

en deux temps. Premièrement, seuls le silicium, le carbone et l'aluminium ont été détectés.

La Fig. II-5 montre une quantité relativement élevée d'atomes Al à partir de la surface

jusqu'à 0,2 µm, valant ensuite 1015 cm-3 au-delà. Cette valeur est inférieure au dopage n de

la couche épitaxiée.

La Fig. II-6 présente les courbes non calibrées des éléments suivants : carbone,

silicium, lithium (isotopes 6 et 7), azote, bore (isotopes 10 et 11). Le lithium et le bore sont

plus présents à proximité de la surface, le bore ne donnant qu'un signal très bruité au-delà

de 0,1 µm. Quant à l'azote, son signal est relativement constant, à l'exception d'un pic d'une

décade de hauteur, situé à 0,25 µm.


148

1E+14

1E+15

1E+16

1E+17

1E+18

1E+19

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1


Con

cent

ratio

n (c

m-3

)

C

Si

Al

Fig. II-5 Profils SIMS de l'échantillon vierge (C, Si, Al)

1,00E-01

1,00E+00

1,00E+01

1,00E+02

1,00E+03

1,00E+04

1,00E+05

1,00E+06

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7


Inte

nsité

(c/

s)

24 (C)

14 (Si)

7 (Li)

6 (Li)

14.01 (N)

11 (B)

10 (B)

Fig. II-6 Profils SIMS non calibrés de l'échantillon vierge (C, Si, Li, N, B))


149

B. Les angles d'implantation

Le balayage de l'échantillon pendant l'implantation ionique peut être effectué de

plusieurs manières différentes. Nous avons comparé deux modes de fonctionnement

distincts : l'un où le balayage horizontal est mécanique (translation du porte-échantillon) et

le balayage vertical électrostatique (déflexion du faisceau ionique), et l'autre où les deux

balayages sont électrostatiques. Les profils de dopants résultants sont ici discutés,

notamment sur le plan de la canalisation en volume. L'implantation correspond à la couche

p+ étudiée (cinq implantations successives avec une dose cumulée de 1,75 x 1015 cm-2), et

elle est effectuée à la température ambiante.

1. Balayage horizontal mécanique et balayage verticalélectrostatique

Fig. II-7 Positions du faisceau et du porte-échantillon avec un tilt de 7°

Le tilt de 7° est obtenu par rotation du porte-échantillon autour de l'axe du méplat

<11-20>. Le balayage mécanique se fait par translation horizontale du porte-échantillon

(perpendiculairement à la feuille). La valeur de 7° est exacte uniquement sur la ligne où le

faisceau ionique est horizontal. Tous les autres points ont des tilts différents, puisque le

faisceau balaye la surface verticalement. La hauteur du porte-échantillon est de 10 cm, et la

distance entre le point d'émission du faisceau et la cible est de 1 m : l'angle de déflexion

correspondant vaut 5,7°. Par conséquent, les bords du porte-échantillon possèdent un tilt de


150

4,15° (méplat) et de 9,85° (bord opposé). Ces différences peuvent être suffisamment

importantes pour influer sur l'effet de canalisation.

Trois échantillons ont été implantés en même temps, avec une plus faible différence

de tilt entre eux. Ils étaient situés au centre du porte-échantillon suivant une ligne verticale.

Une distance maximale de 15 mm (du bord inférieur du n°1 au bord supérieur du n°3)

correspond à une déflexion de 1°. Quel que soit le point où est effectuée l'analyse SIMS, le

tilt est donc égal à 7 ± 1°. Nous avons vu en I-B-2 (chapitre 1, p.47) une décroissance

importante du pic canalisé dans le silicium pour une différence de tilt égale à 1,2°.

La Fig. II-8 montre un effet de canalisation non négligeable, puisque dans chacun

des cas, la concentration d'atomes Al est au moins égale à 1016 cm-3 à une profondeur de

1,2 µm. L'échantillon n°3 étant placé au-dessus des deux autres, donc celui où le tilt est le

plus important, le fait qu'il donne lieu à la canalisation la plus faible semble logique.

Le pic canalisé n'est pas visible sur le n°3. Rmax est situé vers 0,88 µm sur le n°2, et

vers 1 µm pour le n°1.

1E+16

1E+17

1E+18

1E+19

1E+20

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2


Con

cent

ratio

n (c

m-3

)

1

2

3

TRIM

Fig. II-8 Profils SIMS de trois échantillons implantés avec un balayage horizontalmécanique (comparés avec la simulation TRIM)


151

2. Balayage électrostatique du faisceau ionique

La configuration est la même que sur la Fig. II-7, à cette exception près que le

balayage horizontal est effectué électrostatiquement par le faisceau ionique. Cela signifie

que l'angle de rotation change également selon la zone implantée. La Fig. II-9 montre que

l'effet de canalisation observé sur deux échantillons distants de 5 cm ne varie pas plus d'un

échantillon à l'autre que dans le cas précédent. Nous pouvons en conclure que dans notre

plage de variation du tilt, la valeur de l'angle de rotation n'est pas importante.

1E+16

1E+17

1E+18

1E+19

1E+20

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2


Con

cent

ratio

n (c

m-3

)

1

2

TRIM

Fig. II-9 Profils SIMS de deux échantillons implantés avec un balayageélectrostatique

Une comparaison entre les signaux RBS/C de ces deux échantillons est faite sur la

Fig. II-10. Les deux spectres sont quasiment confondus, et donnent une profondeur

d'amorphisation égale à 0,25 µm (cf. Fig.II-1 p.120, spectre établi avec des conditions

opératoires différentes).

Le profil de défauts est donc quasiment indépendant des angles d'implantation. Ce

résultat était prévisible, car les collisions nucléaires les plus énergétiques ont lieu entre la

surface et le pic de l'implantation la plus profonde. La canalisation ne crée que très peu de

défauts dans le matériau, les collisions électroniques étant alors prépondérantes. Par contre,

lorsque l'atome Al canalisé s'arrête, il provoque un choc nucléaire plus ou moins important

qui peut générer un défaut ponctuel.


152

On peut remarquer un léger épaulement du spectre RBS/C de l'échantillon n°1

derrière l'interface amorphe / cristal (~ 900 keV). Cet endommagement un peu plus

important que pour le n°2 peut provenir du fait que les vitesses des atomes Al sont plus

grandes dans cette zone pour l'échantillon n°1, et donc que les éventuels chocs nucléaires

provoquent plus de défauts. Si les vitesses sont plus grandes pour le n°1, c'est que les

collisions élastiques vues par les atomes Al entre la surface et la zone en question sont

moins nombreuses que pour le n°2, c'est-à-dire que la canalisation est plus importante.

Nous verrons que les défauts engendrés par la canalisation sont plus nombreux

lorsque l'implantation est procédée dans un sens énergétique croissant.

0

200

400

600

800

1000

1200

400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Energie (keV)

Inte

nsité

(U

A)

signal aléatoire

n°1

n°2

Fig. II-10 Spectres RBS/C des deux échantillons implantés avec un balayageélectrostatique

Le balayage électrostatique sera employé dans la suite de nos travaux.


153

C. la température d'implantation

L'influence de la température d'implantation TI sur le profil de dopants et sur le taux

d'endommagement est étudiée pour les couches p+ et p. Chacune d'entre elles nécessite cinq

implantations d'aluminium successives, et les doses cumulées valent respectivement : 1,75

x 1015 cm-2 et 1 x 1013 cm-2.

1. Influence de TI sur le profil de dopants

Nous pouvons constater sur la Fig. II-11 que le profil de dopants de la couche p+ est

moins canalisé en volume pour une température d'implantation de 300°C. Cet effet est à

l'opposé de celui obtenu par Rao et al., où un élargissement du profil était observé pour une

température de 850°C [Rao'95]. Il est possible que dans notre cas, TI soit trop faible pour

provoquer une diffusion thermique des atomes Al. Notons qu'une partie de la différence

entre les deux courbes résulte certainement d'angles d'implantation différents, les deux

échantillons n'étant pas placés exactement au même endroit sur le support.

1E+16

1E+17

1E+18

1E+19

1E+20

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4


Con

cent

ratio

n (c

m-3

)

p+ - 25°C

p+ - 300°C

p+ - TRIM

Fig. II-11 Profils SIMS de la couche p+ implantée à 25°C et 300°C


154

Par contre, l'élargissement du profil de dopants est indiscutable pour la couche p.

L'interstitiel de carbone est le défaut ponctuel le plus mobile dans le SiC. Il est possible

qu'à la température de 300°C, ces interstitiels diffusent dans le matériau de façon non

négligeable, s'accompagnant d'une diffusion des atomes Al. Ce fait n'est pas mis en

évidence avec la couche p+, car la diffusion thermique des interstitiels de carbone devient

alors un phénomène mineur devant la recombinaison importante des défauts créés par

l'implantation. Pour vérifier ces hypothèses, il est nécessaire d'examiner le taux

d'endommagement des échantillons implantés.

1E+15

1E+16

1E+17

1E+18

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

Profondeur (microns )

Con

cent

ratio

n (c

m-3

)

p - 25°C

p - 300°C

p - TRIM

Fig. II-12 Profils SIMS de la couche p implantée à 25°C et 300°C

2. Influence de TI sur l'endommagement

La Fig. II-13 montre le spectre RBS/C de la couche p+ implantée à 300°C, comparé

aux spectres des couches p implantées à 25°C et 300°C. Rappelons que cette même

implantation à 25°C donnait lieu à une couche totalement amorphe sur une profondeur de

0,25 µm. La recombinaison des défauts a ici été particulièrement importante, puisque le

spectre résultant est maintenant très proche de l'échantillon vierge. L'auto-recuit à 300°C

est donc très efficace pour la couche p+. Il est très probable qu'il domine la diffusion

thermique des défauts natifs pendant l'implantation, laissant inchangé le profil de dopants.

Les spectres de la couche p sont tous deux confondus, et sont même situés sous

celui du vierge. Ce résultat curieux est sans doute dû aux incertitudes de mesure. Quoi qu'il


155

en soit, une élévation de température pour l'implantation de la couche p ne peut avoir aucun

rôle sur la recristallisation. Elle provoque par contre une diffusion des défauts natifs, et

donc une diffusion des atomes Al en volume.

0

100

200

300

400

500

600

700

700 800 900 1000 1100 1200 1300

Energie (keV)

Inte

nsité

(U

A)

signal aléatoire

p+ - 300°C

vierge

p - 25°C

p - 300°C

Fig. II-13 Spectres RBS/C des couches p+ et p, comparés à l'échantillon vierge

D. Le sens énergétique des cinq implantations

Deux catégories d'échantillons ont été différemment implantées : les unes dans un

sens énergétique décroissant (D1), et les autres dans un sens croissant (I2). Cette dernière

technique est rarement pratiquée, à cause de l'effet de pulvérisation de surface qui peut

provoquer des pertes de dopants implantés à faible énergie. Mais cet effet est négligeable

pour le SiC à cause de sa dureté, et une implantation multiple peut donc être envisagée en

débutant par la plus faible énergie.

Un autre phénomène pourrait avoir une influence sur le choix de l'ordre

énergétique. Lorsque l'on commence à implanter avec les plus faibles énergies, une couche

endommagée se forme progressivement en surface. Puis, durant les implantations

suivantes, les ions plus énergétiques devront traverser cette couche avant d'atteindre le


156

cristal. Il est alors possible que des ions, qui avaient une direction initiale aléatoire par

rapport aux axes cristallographiques, soient ensuite dirigés dans une direction canalisée

suite aux divers chocs subis dans cette couche, et donc pénètrent plus profondément dans le

matériau. L'effet de canalisation serait ainsi augmenté, ce qui rendrait la technique du sens

énergétique croissant non désirable. Ce phénomène a été identifié par simulation et observé

expérimentalement dans le cas du bore implanté dans Si à travers un oxyde d'épaisseur bien

définie [Morris'95].

Les effets du sens énergétique sur la canalisation sont présentés en ce qui concerne

les créations de la couche p+ et de la couche p. Cette dernière n'étant pas endommagée par

l'implantation (cf. Fig. II-13), seuls les effets sur l'endommagement de la couche p+ sont

montrés.

1. La canalisation

La Fig. II-14 compare les profils SIMS de D1 et C2 pour la couche p+, avec les

simulations de TRIM et du logiciel du CNM. Ce dernier a été utilisé pour simuler les deux

sens énergétiques des implantations. La modélisation des défauts est dynamique, car les

concentrations des défauts ponctuels augmente progressivement avec la dose implantée.

Pour les implantations multiples, les défauts générés par une implantation affecte les

suivantes en réduisant le taux de canalisation des dopants. Cela donne lieu à des profils de

défauts différents pour des pics possédant les mêmes énergies et doses, mais avec des

séquences énergétiques inverses.

Nous observons que la canalisation est plus prononcée pour l'échantillon D1. L'effet

observé par Morris et al. n'a donc pas lieu dans notre cas. Les atomes Al implantés à faible

énergie pour C2 ont des collisions avec le cristal, et les atomes reculés conduisent à un

étalement en profondeur de la distribution de défauts. Cet étalement derrière la couche

endommagée de surface ne laisse finalement que très peu de chance aux dopants des

implantations suivantes d'être dirigés dans un canal précis.

La Fig. II-15 présente les mêmes profils SIMS, mais avec une échelle linéaire, ce

qui nous permet de déterminer plus précisément les procédés de canalisation et

d'amorphisation.


157

1E+16

1E+17

1E+18

1E+19

1E+20

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3


Con

cent

ratio

n (c

m-3

)D1

C2

CNM (D1)

CNM (C2)

TRIM

Fig. II-14 Profils SIMS de D1 et C2, comparés aux simulations CNM et TRIM -couche p+

25 60 115 190 300 Energies (keV)

1E+19

2E+19

3E+19

4E+19

5E+19

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5


Con

cent

ratio

n (c

m-3

)

D1

C2

TRIM

Fig. II-15 Profils SIMS de D1 et C2 (couche p+) , comparés à la simulation TRIM -échelle linéaire


158

De 300 keV à 25 keV, on observe pour l'échantillon D1 une croissance de la

hauteur du pic et une diminution de sa largeur. Ces variations peuvent être attribuées à

l'effet de canalisation qui diminue avec l'énergie des ions implantés. La canalisation

apparaît d'abord avec l'énergie la plus élevée, dont la dose vaut 8 x 1014 cm-2, ce qui est la

valeur d'amorphisation donnée par Chechenin et al. [Chechenin'92]. Mais le pic suivant

(190 keV) possède un maximum situé en-dessous de celui donné par TRIM, déterminé

pour un matériau amorphe. Il est donc probable que le SiC soit encore cristallin à cette

étape. La concordance entre les niveaux du profil SIMS et de la simulation TRIM n'a lieu

que pour le pic de 115 keV. L'amorphisation se produit donc à cette énergie, avec une dose

cumulée de 1,47 x 1015 cm-2. Les deux dernières implantations sont procédées dans un

matériau complètement amorphe.

A propos de l'échantillon C2, les trois premières implantations donnent des pics

dont la hauteur diminue et la largeur augmente. Mais il est difficile d'en conclure que l'effet

de canalisation prend de l'importance, car chaque pic est certainement très influencé par les

suivants (qui ont une énergie et une dose supérieures). Néanmoins, les atomes canalisés

doivent être nombreux, et ce pour deux raisons principales : d'une part, l'angle critique de

canalisation ψc est proportionnel à E-1/2 (les ions de faible énergie sont donc facilement

'piégés' dans un canal), et d'autre part, les seuls défauts présents pour le pic de 25 keV sont

les défauts natifs. Le régime de faible énergie génère principalement des collisions

nucléaires, et l'accumulation des atomes reculés peut créer des zones endommagés locales.

Ces régions s'étendent progressivement, et ont tendance à diminuer la canalisation.

L'amorphisation a sans doute lieu avec le quatrième pic (confondu avec le cinquième), avec

une dose cumulée égale à 9,5 x 1014 cm-2. L'augmentation de l'aire de ces deux derniers

pics résulte sûrement de la densité plus faible du SiC amorphe. Cet effet se voit d'ailleurs

également sur les deux pics 25 et 60 keV de l'échantillon D1.

L'effet du sens énergétique sur l'implantation de la couche p est montré sur la Fig.

II-16. L'échantillon D1 implanté à 25°C est comparé avec l'échantillon C2, implanté à 25°C

et 300°C. Nous observons que les trois profils présentent des parties canalisées quasiment

confondues. Deux conclusions principales peuvent en être tirées. D'une part, la dose

implantée est si faible que, dans le cas de C2 à 25°C, le taux de défauts générés par les

premiers pics de faible énergie n'est pas suffisant pour décanaliser les dopants suivants. La

canalisation résultante reste donc inchangée. Nous notons que le profil ne possède plus un


159

plateau de concentration plat, mais qu'une bosse est apparue, indiquant qu'il doit tout de

même exister une petite zone de défauts un peu plus importante que dans le cas de D1.

Cette observation peut servir à comprendre la seconde conclusion : contrairement aux

implantations décroissantes où le profil de la couche p s'élargissait avec TI = 300°C,

l'augmentation de la température ne provoque ici aucune différence de comportement. Il est

possible que les recombinaisons des défauts créés pendant les premiers pics de faible

énergie empêchent les atomes Al de diffuser en volume.

1E+15

1E+16

1E+17

1E+18

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9


Con

cent

ratio

n (c

m-3

)

D1 (25°C)

C2 (25°C)

C2 (300°C)

p - TRIM

Fig. II-16 Profils SIMS de D1 et C2 - couche p

2. L'endommagement

Les spectres RBS/C de D1 et C2 après implantation de la couche p+ sont donnés sur

la Fig. II-17. Alors que la profondeur de la zone amorphe vaut 0,25 µm pour D1, elle vaut

0,32 µm pour C2. Ce dernier possède une interface amorphe / cristal de longueur égale à

0,09 µm. Elle est donc un peu plus abrupte que celle de D1 qui mesure 0,20 µm.

En cas de non amorphisation, nous savons que les atomes dopants diffusent vers 0,7

x Rp pendant le recuit, car c'est le point où l'endommagement est maximal [Rao'95]. Or, la

profondeur de 0,25 µm pour D1 correspond à 0,7 x Rp [300 keV] (0,7 x 335 = 234 nm). Cela

signifie que, dans un premier temps, la première implantation à 300 keV a délimité la

couche endommagée (mais non amorphe) à 0,7 x Rp, et que cette couche est probablement


160

devenue amorphe suite aux implantations postérieures (à cause de l'accumulation de leurs

interstitiels correspondants).

L'implantation de 300 keV produit des cascades de défauts ponctuels. De plus, le

phénomène de canalisation, responsable de l'extension de la queue en volume du profil de

dopants, est également la cause de l'étalement du profil de défauts pour D1, où l'interface

amorphe / cristal est sensiblement graduelle. Les ions Al canalisés causent moins de

défauts au cristal, à cause des paramètres d'impact importants. Mais quand ces ions

atteignent le régime de faible énergie, ils produisent des défauts locaux en fin de

trajectoire.

La profondeur de 0,32 µm pour l'échantillon C2 est très proche du parcours moyen

projeté Rp à 300 keV (335 nm). L'interface est plus abrupte que pour D1, car l'implantation

de 300 keV est pratiquée dans un matériau déjà amorphisé, et peu d'ions sont alors

canalisés.

0

200

400

600

800

1000

1200

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Energie (keV)

Inte

nsité

(U

A)

signal aléatoire

D1

C2

Fig. II-17 Spectres RBS/C des échantillons D1 et C2 après implantation à 25°C


161

E. Conclusion

Plusieurs paramètres spécifiquement liés à l'implantation ionique ont été étudiés en

vue de créer la couche émettrice p+ et la poche de protection p de la diode JTE. La couche

épitaxiée initiale de type n (3,8 x 1015 cm-3 / 10 µm) a d'abord été physiquement

caractérisée. Une contamination surfacique de carbone libre, d'oxygène et de fluor a été

mise en évidence par l'analyse XPS, et un nettoyage de type CARO a suffi pour s'en

débarrasser. Le SIMS a également permis d'observer une quantité non négligeable

d'aluminium (1017 cm-3 à 0,05 µm). Enfin, l'analyse RBS/C indique un taux de

décanalisation χ de 7 % derrière le pic du silicium.

L'influence des angles d'implantation a été dégagée, selon le mode de

fonctionnement effectué. Alors que le balayage vertical reste électrostatique dans les deux

cas (déflexion du faisceau ionique), le balayage horizontal peut être mécanique ou bien

électrostatique. Le tilt de 7° est obtenu par rotation du porte-échantillon autour de l'axe

<11-20>. Cette valeur de tilt n'est donc exacte que sur la ligne où le faisceau ionique est

horizontal. Une comparaison entre les profils de dopants montre des différences au niveau

de la partie canalisée, qui restent cependant suffisamment faibles pour ne pas engendrer des

différences d'endommagement visibles en RBS. Par la suite, nous emploierons un balayage

électrostatique dans les deux directions.

Une température d'implantation TI de 300°C permet d'éviter toute amorphisation du

matériau pour la création de la couche p+, et le spectre RBS résultant est même très proche

de celui d'un échantillon vierge. Concernant la couche p, l'élévation de la température

d'implantation ne semble pas être intéressante, puisque l'endommagement est déjà

quasiment nul pour TI = 25°C, et de plus les atomes Al diffusent en volume de façon non

négligeable.

L'implantation de la couche p+ dans le sens énergétique croissant permet de réduire

l'effet de canalisation, ce qui est intéressant pour la reproductibilité du procédé. Mais la

profondeur de la zone amorphe est plus importante que pour une implantation effectuée

dans le sens décroissant (0,32 µm contre 0,25 µm). Le comportement de ces deux types de

couches p+ avec le recuit sera étudié par la suite. Notons enfin que la couche p n'est pas

affectée par le sens énergétique, si ce n'est qu'une implantation croissante à 300°C ne

provoque pas d'élargissement du profil de dopants.

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