IT202100026678A1 - Procedimento di annealing laser assistito da rivestimento per la fabbricazione di dispositivi a semiconduttore ad ampia banda proibita - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
Sfondo
Campo Tecnico
La soluzione descritta nel presente documento riguarda in senso lato il campo dell'elettronica, in particolare il campo della tecnologia dei semiconduttori.
Panoramica dello stato dell?arte
L'uso di materiali innovativi (rispetto al convenzionale silicio) per la costruzione di dispositivi elettronici per determinate applicazioni come dispositivi di potenza, in particolare semiconduttori ad ampia banda proibita (semiconduttori ad ampia banda proibita, noti anche come semiconduttori WBG o WBGS, che sono materiali semiconduttori aventi una relativamente ampia banda proibita rispetto ai semiconduttori convenzionali come il silicio) come il carburo di silicio - SiC - e il nitruro di gallio - GaN -, porterebbero diversi vantaggi.
I dispositivi elettronici basati su semiconduttori ad ampia banda proibita, con banda proibita superiore a 2 eV (rispetto a 1,12 eV del silicio - Si) sono pi? efficienti e sono caratterizzati da piccole perdite di potenza. In particolare, l'interesse per il SiC ? attualmente in aumento a causa dell'elevato campo elettrico di rottura, della resistenza alla radiazione e della conduttivit? termica, oltre alla sua vantaggiosa ampia banda proibita. I transistor unipolari ad effetto di campo basati su contatti metalloossido-semiconduttore (i noti transistor a effetto di campo a struttura Metallo Ossido Semiconduttore o MOSFET) realizzati in SiC sono considerati il tipo ideale di dispositivo elettronico e il modo pi? efficiente per superare gli inconvenienti dei dispositivi elettronici attuali utilizzati nel contesto dell'elettronica di potenza, come i Transistor Bipolari a Gate Isolato (IGBT), prodotti in Si. Ci? consentirebbe di avere dispositivi elettronici di potenza funzionanti fino a 3000 V con una resistenza specifica nello stato di accensione simile a quella dei MOSFET in Si operanti a 300 V, caratteristica molto interessante in applicazioni che richiedono elevate velocit? di commutazione e basse perdite di commutazione.
L'impiantazione ionica ? una tecnologia di processo chiave nella fabbricazione di quasi tutti i tipi di dispositivi a semiconduttore, compresi i dispositivi basati su SiC. L'impiantazione ionica ? il (pi? comune) modo in cui i materiali semiconduttori vengono drogati con specie droganti (ad esempio boro, fosforo, arsenico) per modificare la conduttivit? elettrica del materiale semiconduttore, ottenendo regioni di materiale semiconduttore con conduttivit? di tipo n e di tipo p.
Tuttavia, lo svantaggio comune dell'impiantazione ionica ? la generazione di disordine reticolare nel reticolo del materiale semiconduttore. Tipicamente, il trattamento termico (?annealing?) post-impianto ad alta temperatura (T > 1600 ?C) viene utilizzato per attivare elettricamente le specie droganti impiantate e per recuperare la difettosit? dell'area impiantata con ioni. Durante questo trattamento termico viene recuperato il reticolo di materiale semiconduttore (es. il reticolo del 4H-SiC, che ? il politipo? del SiC, a struttura cristallina esagonale, pi? frequentemente utilizzato) che ? stato danneggiato dal processo di impiantazione ionica e una parte degli atomi impiantati ? assegnata a siti reticolari sostitutivi. La solubilit? solida estratta all'equilibrio termico gioca un ruolo significativo nella definizione dei limiti superiori della concentrazione di drogante attivato per la temperatura di trattamento termico specifica. ? sperimentalmente dimostrato che l'efficienza di attivazione elettrica migliora con l'aumento della temperatura di trattamento termico.
I processi convenzionali di trattamento termico in forno non consentono il raggiungimento di temperature adatte (cio? sufficientemente elevate) per un'efficace attivazione completa delle specie droganti, specialmente in caso di elevate concentrazioni di impianto. Inoltre, queste tecniche di trattamento termico sono responsabili della generazione di un'elevata concentrazione di difetti di punto e dei loro aggregati nell'area impiantata.
Processi di trattamento termico a temperatura compresa tra 1600 ?C e 1700 ?C per tempi che vanno da 30 minuti a 1 ora, cio? con lungo budget termico-temporale, comportano la generazione di un'elevata concentrazione di difettosit? in tutto il wafer di materiale semiconduttore. La principale categoria di difetti ? rappresentata dai difetti puntuali. I difetti puntuali in un materiale SiC includono vacanze di silicio (VSi) e vacanze di carbonio (VC). Sia VSi che VC sono elettricamente attive con diversi stati di elettroni nella banda proibita che promuovono la ricombinazione dei portatori di carica. Ad esempio, questa ? la fonte originale dei cosiddetti livelli profondi Z1/2 (EC-0.63 eV), EH6/7 (EC-1.55 eV) e HK4 (EV+1.45 eV) comunemente osservati negli strati epitassiali impiantati e trattati termicamente.
Le nuove dislocazioni sono guidate dallo stress di disadattamento (?misfit?) e dallo stress termico, diventando la forza trainante per la nucleazione o per il movimento di scivolamento della dislocazione. La prolungata permanenza alle alte temperature, quindi, induce l'insorgenza di ulteriori fenomeni di stress, dando luogo alla generazione di nuove dislocazioni e al movimento di quelle gi? esistenti. La densit? dei difetti di punto generati ? cos? elevata che spesso segregano all'interno della regione impiantata durante il trattamento termico, portando alla formazione di difetti estesi, come anelli di dislocazione ed errori di impilamento. L'area all'interno dell'impianto ? interessata da un'estesa rete di difettosit? caratterizzata da tracce di anelli nelle famiglie dei piani {-12-13} e {-24-23}.
I difetti che limitano la vita media dei portatori di carica e la loro concentrazione devono essere controllati/ridotti al minimo. Dopo indagini sperimentali si ? riscontrato che dopo trattamenti termici a 1500 ?C per lunghi tempi sono state rilevate concentrazioni di vacanze di carbonio all?equilibrio termico [VC]eq pi? basse. Questo approccio si basa sul concetto di iniettare interstiziali di carbonio Ci dalla superficie che portano alla successiva ricombinazione con VC. Sebbene questi test abbiano portato a una graduale riduzione della concentrazione di VC, ? stato notato che il processo di annichilazione di Vc va a saturazione con il tempo con conseguente riduzione dell'emissione di fotoluminescenza all?interno della banda proibita di SiC di appena il 20% circa.
I processi di trattamento termico a microonde consentono di raggiungere la temperatura di processo di 2000 ?C, tuttavia, sebbene comportino tempi di trattamento termico brevi (~30 secondi), dai dati finora noti la concentrazione di Vc ? paragonabile a quella proveniente dal trattamento termico convenzionale ad alta temperatura.
Le tecniche di trattamento termico laser consentono di raggiungere temperature pi? elevate rispetto ai processi termici convenzionali, con conseguente massimizzazione della concentrazione di drogante attivo e minore difettosit?.
In realt?, finora, ? stato ottenuto uno scarso controllo sui fenomeni di attacco della superficie e di ossidazione attiva indotti dal laser che provocano un aumento della rugosit? superficiale. Inoltre, devono essere effettuati accurati calcoli della densit? di energia del laser tenendo conto della variazione dell'indice di rifrazione e del coefficiente di assorbimento legati alla dose di impianto ed ? difficile variare i parametri del laser a seguito del grado di recupero cristallino del campione durante il trattamento termico.
US 2019341261 A1 divulga un migliorato processo di trattamento termico rapido multiciclo simmetrico per rimuovere i difetti ed attivare le impurit? droganti impiantate in un campione di semiconduttore di nitruro-III. Un campione viene posto in un?area e riscaldato ad una temperatura T1 sotto una pressione applicata P1 per un tempo t1. Mentre viene mantenuto il riscaldamento del campione, il campione viene sottoposto a una serie di irraggiamenti laser rapidi sotto una pressione applicata P2 e una temperatura di riferimento T2. Ciascuna delle radiazioni laser riscalda il campione a una temperatura Tmax superiore al suo limite di stabilit? termodinamica. Dopo un prefissato numero di impulsi di temperatura o un prefissato periodo di tempo, gli irraggiamenti laser vengono interrotti e il campione viene portato ad una temperatura T3 e mantenuto a T3 per un tempo t3 per completare il trattamento termico. Un rapido riscaldamento e raffreddamento del campione ? prodotto dall'irradiazione laser, che consente un riscaldamento e raffreddamento molto rapidi poich? il calore generato dal laser ? localizzato vicino alla superficie e viene rapidamente dissipato nella massa del materiale. Il campione pu? includere un suscettore del raggio laser, cio? un materiale che pu? essere riscaldato assorbendo una luce laser, depositato sul film bersaglio, ad esempio uno strato di tungsteno (W) depositato su un film di AlN depositato su uno strato di GaN depositato su un substrato di SiC. La potenza del laser pu? essere assorbita nello strato del suscettore laser.
JP 2012069748 divulga che un oggetto da trattare termicamente comprendente uno strato di SiC e uno strato di assorbimento formato sullo strato di SiC viene preparato. Lo strato di assorbimento dell'oggetto da trattare termicamente viene irradiato con un fascio laser e l'energia del fascio laser assorbita nello strato di assorbimento fa s? che lo strato di assorbimento generi calore. Lo strato di SiC viene riscaldato dal calore generato nello strato di assorbimento. Sulla superficie del substrato di SiC a cui ? aggiunto Al ? formato un film di carbonio avente una struttura di grafite. Sulla superficie del film di carbonio ? formato un film di silicio. Un fascio laser impulsato viene irradiato sul film di silicio del substrato. Il calore generato dal film di silicio e dal film di carbonio viene trasferito al substrato di SiC e aumenta la temperatura del substrato di SiC. Il film di silicio impedisce che il film di carbonio venga ossidato e consumato.
Riepilogo della soluzione divulgata
La Richiedente ha riscontrato che, in un processo di trattamento termico laser di una struttura a semiconduttore (in particolare, una struttura in un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita, ad esempio una struttura SiC), l'uso di uno strato di adeguato spessore di un materiale che assorbe il calore, e dotato di opportuni valori di coefficiente di estinzione ottica k e di riflettanza, ad esempio, depositato sulla superficie della struttura a semiconduttore da trattare termicamente ? in grado di assorbire totalmente la radiazione laser e di diffondere il calore negli strati sottostanti della struttura a semiconduttore durante il trattamento termico laser. Come noto, il coefficiente di estinzione ottica di un materiale caratterizza la facilit? con cui pu? essere penetrato da un fascio di luce. La riflettanza di (la superficie di) un materiale ? un indice dell'efficacia nel riflettere l'energia radiante, cio? ? la frazione di potenza elettromagnetica incidente che viene riflessa.
In particolare, opportuni valori di coefficiente di estinzione ottica k sono valori uguali a circa 0,2 o maggiori, e valori adatti di riflettanza sono valori inferiori a circa 5%.
Lo strato di materiale che assorbe il calore pu? essere uno strato di carbonio amorfo o grafite. Altri possibili materiali per lo strato di materiale termoassorbente possono essere il carburo di tantalio (TaC) o il carburo di afnio (HfC). Altri materiali idonei per lo strato di materiale termoassorbente sono il carburo di zirconio (ZrC) e il carburo di afnio (HfC). Materiali ancora adatti, sebbene meno preferiti, sono il diboruro di tantalio (TaB2), il diboruro di zirconio (ZrB2), il diboruro di afnio (HfB2).
Questo processo di trattamento termico laser consente di ottenere trattamenti termici rapidi ad alta temperatura adatti all'attivazione dei droganti e al recupero dei danni indotti dall'impianto prevenendo la consueta degradazione superficiale della struttura del semiconduttore.
Ad esempio, la Richiedente ha riscontrato che l'utilizzo di uno strato di carbonio amorfo o di grafite di spessore inferiore a 500 nm formato sulla superficie della struttura a semiconduttore consente di eseguire un trattamento termico laser su ampie regioni o su aree selezionate della struttura a semiconduttore, preservando la struttura della superficie del semiconduttore (ad esempio, la superficie del SiC) dal danneggiamento. Il carbonio amorfo e la grafite sono caratterizzati da un elevato coefficiente di assorbimento e da una riflettivit? trascurabile per cui, assorbendo la radiazione laser, questi materiali sono in grado di raggiungere temperature elevate e di riscaldare gli strati di SiC sottostanti, in particolare quelle regioni del materiale di SiC che sono state impiantate con specie droganti. Questa strategia consente di preservare la superficie della struttura del semiconduttore da fenomeni di attacco chimico e di eseguire processi di trattamento termico laser senza tenere conto dei parametri ottici del SiC impiantato.
Come verr? spiegato in maggior dettaglio nel seguito, durante le prime fasi del processo di trattamento termico laser lo strato di materiale termoassorbente scherma sostanzialmente la sottostante struttura del semiconduttore dalla radiazione laser ed ? conseguito un primo ripristino dei parametri ottici del cristallo del semiconduttore impiantato ottenuto in assenza del contatto ottico della radiazione laser con la struttura semiconduttore sottostante (o, almeno, con una debole interazione della radiazione laser con il semiconduttore sottostante).
La Richiedernte ha trovato che l'erosione progressiva dello strato di materiale termoassorbente, ad esempio lo strato di carbonio amorfo o grafite, quando esposto a radiazione laser ? utile per recuperare lentamente i parametri ottici del SiC impiantato. Di conseguenza, questo metodo consente di rendere tollerata dagli strati superficiali della struttura del semiconduttore la progressiva penetrazione ottica della radiazione laser all'interno dello strato di SiC.
La Richiedente osserva che US 2019341261 A1 prevede la possibilit? di sovrapporre stratificazioni di suscettori su cui eseguire processi di irraggiamento laser. Il documento esemplifica una stratificazione di uno strato di AlN sovrapposto ad uno strato di GaN sovrapposto ad un substrato di SiC con un ulteriore strato di Tungsteno (W) sovrapposto come strato assorbente di tutto il sistema precedentemente menzionato. La tecnica, tuttavia, ? di dubbia efficacia, in quanto le radiazioni laser CO2 e XeCl utilizzate per eseguire il trattamento termico laser rispettivamente sullo strato di GaN e nel sottostante strato di SiC, vengono ampiamente riflesse dallo strato W, compromettendone l'efficacia soprattutto nel riscaldamento sia dello strato di GaN che del substrato di SiC. La moltitudine di strati sovrapposti ostacola l'efficacia della propagazione del calore tra i diversi materiali. Inoltre, US 2019341261 A1 non tiene conto della formazione degli strati di ossido di tungsteno che potrebbero formarsi sullo strato superficiale del suscettore, influenzando l'efficacia della conduzione del calore. La Richiedente ha invece osservato che uno strato di materiale termoassorbente costituito da qualsiasi materiale scelto tra carbonio amorfo o grafite, TaC, HfC, ZrC, TaB2, ZrB2, o HfB2 ? uno strato assorbente pi? efficace nell'assorbimento e diffusione del calore grazie agli elevati coefficienti di assorbimento, temperatura di fusione pi? elevata ed elevata conducibilit? termica.
La Richiedente osserva che JP 2012069748 consiste in un sistema di trattamento termico laser basato su uno strato assorbente di carbonio avente uno spessore non inferiore a 2 volte e inferiore a 4 volte la lunghezza di penetrazione del fascio laser irradiato sullo strato di assorbimento. Di conseguenza, viene impedita la penetrazione ottica della radiazione laser nel semiconduttore da trattare termicamente. JP 2012069748 considera, inoltre, l'erosione dello strato di assorbimento come un effetto collaterale indesiderabile da evitare durante il processo di irraggiamento laser. Per evitare l'erosione dello strato assorbente ? depositato, cos?, uno strato di Si amorfo. Il processo di trattamento termico viene quindi effettuato mediante irraggiamento laser dello strato di Si sovrapposto. La Richiedente ha riscontrato che tale tecnica ? ragionevolmente debole e di dubbia efficacia. Infatti, il processo di conduzione del calore attraverso uno strato di Si indurrebbe la formazione di una fase liquida di Si a contatto con il sottostante strato di assorbimento del carbonio, portando a due possibili reazioni: 1) da un lato produce un trattamento termico insufficiente per ottenere un?efficace attivazione dei droganti impiantati (il riscaldamento della grafite soffre della mancata penetrazione ottica all'interno della grafite stessa, in quanto il laser penetra solo all'interno dello strato di Si), e 2) dall?altro lato, se irradiato ad alte energie per aumentare la frazione di drogante attivato all'interno della regione impiantata, questa tecnica pu? portare alla nucleazione di nuovo SiC amorfo superficiale e alla sua adesione sulla superficie di SiC con la frazione di C derivante dallo strato grafitico sottostante. Inoltre, JP 2012069748 esclude l'uso di radiazioni laser con lunghezze d'onda superiori alla banda proibita del semiconduttore da trattare termicamente. Contrariamente agli insegnamenti di JP 2012069748, la Richiedente ha riscontrato che l'erosione dello strato termoassorbente, invece di essere un effetto collaterale indesiderato da evitare, ? vantaggiosa per il trattamento termico di regioni di semiconduttore impiantate.
La Richiedente ha riscontrato che la progressiva erosione dello strato termoassorbente quando esposto a radiazione laser consente di ottenere un processo di trattamento termico in due fasi. In una prima fase di trattamento termico, quando le regioni a semiconduttore impiantate sono ancora affette da difettosit? a causa dei danni provocati dall'impianto di specie droganti e la loro riflettivit? ottica ? elevata, la radiazione laser viene sostanzialmente assorbita dallo strato termoassorbente ed il trattamento termico avviene essenzialmente per trasferimento di calore dallo strato termoassorbente alla superficie del semiconduttore da trattare termicamente. In questo modo si ottiene un primo recupero del cristallo semiconduttore dai danni provocati dalle specie impiantate e si recuperano anche le propriet? ottiche del semiconduttore, abbassandone il coefficiente di assorbimento ottico.
Quindi, tramite erosione progressiva dello strato termoassorbente (possibilmente fino alla sua completa ablazione dalla superficie del semiconduttore da trattare termicamente), la radiazione laser inizia a raggiungere ed entrare in contatto con il semiconduttore da trattare termicamente. Sia la penetrazione ottica della radiazione laser trasmessa attraverso il rimanente strato termoassorbente che la conduzione di calore dallo strato termoassorbente contribuiscono al riscaldamento della struttura del semiconduttore WBG (ad esempio SiC) da trattare termicamente. In questa fase, la struttura del semiconduttore da trattare termicamente presenta un coefficiente di assorbimento ottico intermedio tra quello appena successivo l'impiantazione del drogante e quello di un semiconduttore cristallino e, in tal modo, il semiconduttore ? in grado di tollerare densit? di energia pi? elevate. Questa combinazione di effetti induce un trattamento termico pi? efficace rispetto alla fase di esclusiva trasmissione del calore.
Le regioni impiantate pi? profonde del semiconduttore possono, dunque, essere trattate termicamente, rispetto alla esclusiva trasmissione di calore dallo strato assorbitore.
In accordo con un aspetto, la soluzione divulgata in questo documento fornisce un metodo per fabbricare un dispositivo elettronico, il metodo comprendendo:
- fornire uno strato di materiale semiconduttore ad ampia banda proibita avente un tipo di conduttivit?;
- impiantare specie droganti in regioni selezionate di detto strato di materiale semiconduttore ad ampia banda proibita per formare regioni impiantate di detto strato di materiale semiconduttore ad ampia banda proibita, dette regioni impiantate aventi un tipo di conduttivit? alterato rispetto al tipo di conducibilit? dello strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita, e
- trattare termicamente le regioni impiantate dello strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita.
Tale trattare termicamente comprende:
- rivestire dette regioni impiantate da trattare termicamente con uno strato di materiale termoassorbente, lo strato di materiale termoassorbente avendo uno spessore iniziale, il materiale dello strato di materiale termoassorbente avendo un coefficiente di estinzione ottica k uguale o superiore a 0,2 e una riflettanza inferiore a 5 %, e
- esporre lo strato di materiale termoassorbente ad una radiazione laser avente una densit? di energia, per trattare termicamente le regioni selezionate dello strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita.
La densit? di energia della radiazione laser ? scelta in funzione di una dose di droganti di dette regioni impiantate.
Lo spessore iniziale di detto strato di materiale termoassorbente ? scelto in base alla densit? di energia della radiazione laser in modo da essere sufficiente ad impedire che la radiazione laser raggiunga una superficie delle regioni impiantate sottostanti da trattare termicamente.
Detto esporre lo strato di materiale termoassorbente ad una radiazione laser dura per un tempo di esposizione e, durante detto tempo di esposizione, lo strato di materiale termoassorbente ? soggetto ad erosione, cosicch? durante il tempo di esposizione l'erosione dello strato di materiale termoassorbente consenta progressivamente almeno a parte della radiazione laser di raggiungere la superficie delle regioni impiantate sottostanti da trattare termicamente.
In forme di realizzazione, lo strato di materiale che assorbe il calore pu? essere uno strato di un materiale selezionato da:
carbonio amorfo;
grafite;
Carburo di Tantalio, TaC;
Carburo di Afnio, HfC;
diboruro di Tantalio, TaB2;
Carburo di Zirconio, ZrC;
diboruro di Zirconio, ZrB2;
diboruro di Afnio, HfB2.
In forme di realizzazione, lo strato di materiale che assorbe il calore pu? essere uno strato di grafite policristallina. La grafite policristallina ha una conduttivit? termica notevolmente maggiore lungo l'asse c del cristallo rispetto alla grafite cristallina. Ci? la rende favorevole nell'utilizzo di sistemi che prevedono la trasmissione del calore da una sorgente radiativa monocromatica.
Lo strato di materiale che assorbe calore pu? avere una temperatura di fusione maggiore di una temperatura di fusione del materiale semiconduttore ad ampia banda proibita.
In particolare, anche se non limitativamente, il materiale semiconduttore ad ampia banda proibita ? SiC.
In esempi di realizzazione, detta radiazione laser ? una radiazione emessa da una sorgente laser XeCl a colpi/punto ? 1000, detto strato di materiale termoassorbente ? uno strato di grafite, e uno spessore residuo Gth dello strato di materiale termoassorbente dipende da detto spessore iniziale, Ti, e da detta densit? di energia della radiazione laser, Ed, secondo l'equazione:
Gth = Ti - (287,7?Ed)
L'energia laser della radiazione laser pu? essere maggiore della banda proibita del materiale semiconduttore ad ampia banda proibita, ad esempio ultravioletto, o inferiore/uguale alla banda proibita del materiale semiconduttore ad ampia banda proibita, ad esempio visibile e infrarosso. In esempi di realizzazione, per il trattamento termico di un impianto pesante dell'ordine di 10<18 >cm<-3 >o superiore detto spessore iniziale dello strato di materiale termoassorbente ? di circa 270 nm o superiore, mentre per il trattamento termico di un impianto leggero con una concentrazione di drogante fino a un ordine di 10<17 >cm<-3 >detto strato di materiale termoassorbente ? inferiore a 270 nm.
Secondo un altro aspetto, la soluzione divulgata in questo documento fornisce un dispositivo a semiconduttore comprendente uno strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita con regioni selezionate di esso drogate con droganti che alterano un tipo di conduttivit? dello strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita, in cui il dispositivo a semiconduttore ? fabbricato mediante un metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
In forme di realizzazione esemplificative, il materiale semiconduttore ad ampia banda proibita ? SiC.
Le regioni dello strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita drogate con droganti possono avere piccole profondit? cos? come profondit? maggiori di 1?m.
In forme di realizzazione esemplificative, il dispositivo a semiconduttore pu? comprendere un MOSFET, in particolare un MOSFET di potenza, e le regioni dello strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita drogate con droganti possono includere regioni di body e regioni di source del MOSFET di potenza. Sempre a titolo di esempio, il dispositivo a semiconduttore pu? comprendere un diodo Schottky controllato da Barriera a Giunzione e le regioni dello strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita drogate con droganti possono includere regioni anodiche e regioni di Bordo di Terminazione di Giunzione del diodo Schottky controllato da Barriera a Giunzione.
Durante una prima fase del processo di trattamento termico laser, si ottiene un graduale recupero dei parametri ottici e termodinamici della regione del semiconduttore impiantata mediante diffusione del calore dallo strato di rivestimento termoassorbente. Lo strato di rivestimento termoassorbente viene progressivamente eroso man mano che l'esposizione alla radiazione laser continua, finch?, a causa dell'assottigliamento degli strati di rivestimento termoassorbenti, il contatto ottico con la radiazione laser ? tollerato dalle regioni di semiconduttore impiantate e pu? essere portato avanti il trattamento termico alle regioni impiantate pi? profonde.
Il rivestimento di strato di materiale termoassorbente realizzato con qualsiasi materiale scelto tra carbonio amorfo, grafite, TaC, HfC, ZrC, HfC, TaB2, ZrB2, o HfB2 ? in grado di assorbire la radiazione laser in poche decine di nm e di riscaldare lo strato sottostante di semiconduttore WBG (ad es. SiC) in cui sono state impiantate specie droganti.
Solitamente, per eseguire il trattamento termico laser su strati impiantati superficiali di spessore di circa 1 ?m, come gli impianti source e body nei dispositivi MOSFET di potenza in SiC, si sfruttano le lunghezze d'onda del laser UV per ottenere lunghezze di penetrazione paragonabili alla profondit? dell'impianto. Vengono utilizzate sorgenti Nd:Yag (355 nm) e laser ad eccimeri come ArF (193 nm) e XeCl (308 nm), la cui densit? di energia deve essere regolata in base al grado di amorfizzazione e alla dose di impianto.
Grazie alla previsione dello strato di rivestimento di materiale termoassorbente formato sulla struttura del semiconduttore da trattare termicamente, ? possibile eseguire trattamento termico laser impulsato o in continua sulla struttura del semiconduttore e trattamenti estremamente rapidi a temperature pi? elevate rispetto ai processi convenzionali, con rampe di riscaldamento e raffreddamento ripide fino a 10<9 >K/s. Questo regime di temperatura gioca un ruolo fondamentale nell'attivazione elettrica dei droganti impiantati in quanto porta all'aumento del limite di solubilit? solida del drogante e quindi consente una maggiore concentrazione di drogante attivato rispetto ai tradizionali processi di trattamento termico in forno.
Le rapide rampe di raffreddamento del laser sono inoltre in grado di evitare effetti di disattivazione del drogante e di prevenire la generazione termica di difetti di punto. Attraverso gli irraggiamenti sul rivestimento di strato di materiale termoassorbente ? possibile eseguire il processo di trattamento termico laser senza tenere conto della forte variazione dei parametri ottici del semiconduttore WBG (ad es. SiC) durante il recupero della cristallinit? dopo l'impiantazione ionica. Ad esempio, valori normalmente estratti del coefficiente di estinzione k mostrano una variazione da k = 1,0 per un 4H-SiC amorfo a k=1,3?10<-2 >per 4H-SiC cristallino a 308 nm. Questo comportamento determina variazioni della lunghezza di penetrazione ottica del laser da poche decine di nm ad alcuni ?m. Inoltre, ? necessario tenere conto anche della variazione transitoria del coefficiente di assorbimento del SiC durante un singolo irraggiamento, che varia di un ordine di grandezza dalla temperatura ambiente a 2000 ?C. Inoltre, poich? il SiC (0001) ha un'energia superficiale relativamente elevata, una migrazione significativa degli atomi superficiali avviene ad alta temperatura e porta alla formazione di microstep per minimizzare l'energia superficiale totale durante l'interazione laser-SiC. L'applicazione di un rivestimento di uno strato di materiale assorbente il calore previene questi problemi poich?, ad esempio, la grafite policristallina mantiene un indice di rifrazione e un coefficiente di assorbimento costanti con l'aumento della temperatura in modo che le radiazioni laser siano mantenute isocrone.
Ad esempio, quando lo strato di rivestimento di materiale che assorbe il calore ? uno strato di grafite, il processo di trattamento termico laser beneficia della temperatura di fusione dello strato di grafite di 3800 ?C e un cospicuo bilancio termico pu? essere trasferito alla sottostante struttura del semiconduttore WBG (ad esempio SiC) attraverso l'elevata conducibilit? termica della grafite (~90 W/mK) per consentire il processo di trattamento termico. In questo modo, la temperatura di trattamento termico raggiunta pu? superare quella consentita nei forni di attivazione convenzionali e quindi si possono attivare completamente elevate concentrazioni di impianto di drogante.
L'irraggiamento dello strato di rivestimento di materiale termoassorbente previene inoltre il fenomeno del raggruppamento a gradini e la formazione di aggregati prodotti dall'interazione del semiconduttore con l'ossigeno residuo nella camera, che darebbero origine ad aggregati di SiO2 nelle prime fasi del processo di trattamento termico laser. Infatti, ? stato dimostrato sperimentalmente che una superficie di SiC rivestita da uno strato di grafite trattata termicamente con laser appare liscia e preservata dai danni.
Una volta completato il trattamento, lo strato di rivestimento rimanente (se presente) di materiale che assorbe il calore pu? essere rimosso, ad esempio mediante pulizia con plasma di ossigeno a temperatura ambiente.
La soluzione descritta nel presente documento, che prevede un trattamento termico laser di regioni di materiale semiconduttore impiantate con droganti, in particolare regioni impiantate di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita come regioni di SiC, assistito da uno strato di rivestimento termoassorbente di opportuno spessore e dotato di idonei valori di coefficiente di estinzione ottica k e di riflettanza, per l'attivazione elettrica degli ioni droganti, come ad esempio il trattamento termico laser assistito da uno strato di rivestimento di carbonio amorfo o di grafite, presenta quindi numerosi vantaggi.
Un vantaggio ? la piena attivazione dei droganti impiantati raggiungendo temperature di processo pi? elevate rispetto a quelle ottenibili nei processi di trattamento termico in forno convenzionali.
Un altro vantaggio ? la diffusione del calore attraverso lo strato di rivestimento termoassorbente per mantenere intatta la superficie del semiconduttore ed evitare fenomeni di raggruppamento a gradini, ossidazione e attacco che solitamente affliggono le superfici di SiC sottoposte a trattamento termico laser.
La soluzione divulgata nel presente documento ? anche disponibile all?adozione di energie laser al di sotto della banda proibita del materiale semiconduttore (ad esempio SiC). Analogamente ai laser UV, le energie della radiazione laser al di sotto della banda proibita SiC verrebbero assorbite dallo strato di rivestimento termoassorbente sovrastante (ad es. carbonio grafitico o amorfo), che porta allo stesso meccanismo di conduzione del calore verso la struttura del semiconduttore WBG sottostante (ad es. SiC). Come conseguenza del progressivo assottigliamento per erosione dello strato di rivestimento termoassorbente, la struttura del semiconduttore WBG sottostante (ad es. SiC) ? esposta al contatto ottico con la radiazione laser e il trattamento termico dovuto all'assorbimento ottico in SiC si aggiunge alla propagazione del calore dallo strato di rivestimento termoassorbente sovrastante. Il meccanismo di assorbimento ottico delle energie della sorgente laser al di sotto della banda proibita sfrutta la presenza di difetti di impianto. In effetti, tali difetti includono vacanze di carbonio e silicio, interstiziali, coppie di Frenkel, impurit? droganti, ecc., che introducono livelli di energia nella banda proibita del SiC. La radiazione laser con energia al di sotto della banda proibita sarebbe quindi in grado di promuovere gli elettroni dalla banda di valenza ai livelli energetici dentro la banda proibita. La successiva diseccitazione dai livelli dentro la banda proibita introdotti dai difetti ? promossa da interazioni elettrone-fonone (vibrazioni reticolari) e trasferisce l'energia dagli elettroni al reticolo in tempi dell'ordine dei picosecondi e permette di riscaldare selettivamente il campione entro la regione dell'impianto e di ottenere un conseguente effetto di trattamento termico sulla struttura del semiconduttore. In questo modo viene garantita l'estensione della tecnica ad energie laser al di sotto della banda proibita ed ? possibile realizzare il processo di trattamento termico laser utilizzando sorgenti laser a lunghezza d'onda visibile e infrarossa.
Un ulteriore vantaggio ? l'isocronicit? del trattamento termico laser ottenuta poich?, a differenza del materiale semiconduttore WBG (ad esempio SiC), l'indice di rifrazione e il coefficiente di assorbimento dello strato di rivestimento ad assorbimento di calore non variano con l'aumento della temperatura.
Un ancora ulteriore vantaggio ? la minore concentrazione di Vc e di difetti estesi nello strato impiantato ed epitassiale del semiconduttore, che porta al miglioramento della vita media e della mobilit? del portatore rispetto ai trattamenti termici convenzionali.
Breve descrizione delle figure
Le caratteristiche ed i vantaggi sopra evidenziati, nonch? altre caratteristiche e vantaggi, saranno resi ancora pi? chiari dalla lettura della seguente descrizione dettagliata di forme di realizzazione esemplificative e non limitative. Per una migliore intelligibilit?, la seguente descrizione va letta facendo riferimento ai disegni allegati, nei quali:
Figg. da 1 a 15 mostrano, in sezioni schematiche, alcune fasi di un processo di fabbricazione secondo una forma di realizzazione della soluzione descritta in questo documento per la fabbricazione di un dispositivo elettronico, in particolare un MOSFET di potenza;
Fig. 16 ? un diagramma che riporta gli spessori misurati (in ordinata, nm) degli strati di rivestimento di grafite utilizzati in un processo di trattamento termico laser per l'attivazione elettrica dei droganti impiantati, quando lo strato di rivestimento ? esposto a radiazioni laser, in funzione della densit? di energia della radiazione laser (in ascissa, J/cm<2>);
Fig. 17 ? un diagramma che riporta l'intensit? misurata di un'emissione dentro la banda proibita (in ascissa, unit? arbitrarie a.u.) in funzione della lunghezza d'onda (in ordinata, nm) di una regione di semiconduttore impiantata trattata termicamente con laser rispetto a una regione di semiconduttore impiantata trattata termicamente in forno;
Fig. 18 mostra, in due immagini in sezione trasversale TEM (Microscopia Elettronica a Trasmissione), la differenza di difettosit? tra un dispositivo trattato secondo la soluzione qui divulgata (immagine a destra) e un dispositivo sottoposto a trattamento termico in forno per l'attivazione dei droganti impiantati;
Fig. 19 mostra due immagini in sezione trasversale SEM (Microscopia a Scansione Elettronica) di due campioni di materiale, entrambi irraggiati a 1000 colpi/punto a 0,6 J/cm<2>, uno sottoposto al processo di trattamento termico laser assistito da rivestimento del tipo della soluzione qui divulgata e l'altro sottoposto a trattamento termico laser senza copertura;
Fig. 20 ? un diagramma che riporta il profilo di conduzione del calore per uno strato di rivestimento di grafite assorbitore di calore;
Fig. 21 ? un diagramma che mostra l'andamento delle temperature in funzione del tempo durante un singolo colpo laser, e
Fig. 22 ? una vista schematica in sezione trasversale di un diodo Schottky controllato da Barriera a Giunzione (JBS), un altro dispositivo elettronico la cui fabbricazione pu? trarre vantaggio dalla soluzione divulgata in questo documento.
Descrizione dettagliata di forme di realizzazione esemplificative
Con riferimento alle figure allegate, le Figg. da 1 a 15 mostrano, in vista schematica in sezione, alcune fasi di un processo di fabbricazione secondo una forma di realizzazione della soluzione descritta in questo documento per la fabbricazione di un dispositivo elettronico, in particolare un MOSFET di potenza.
In Fig.1 ? mostrata la struttura di un MOSFET di potenza in costruzione in una fase in cui, su un substrato semiconduttore 105, in particolare un substrato semiconduttore ad ampia banda proibita, ancor pi? particolarmente (ma non limitativamente) un substrato SiC fortemente drogato con specie droganti di un primo tipo di contuttivit? (nell'esempio, tipo n), ? fornito uno strato epitassiale di SiC 110 drogato in modo relativamente leggero con droganti di tipo n, formato mediante crescita epitassiale. Mediante tecniche fotolitografiche convenzionali, viene realizzata una maschera di resina fotosensibile (?fotoresist?) 115 sulla superficie superiore (cio? la superficie opposta al substrato 105) dello strato epitassiale 110, depositando uno strato di fotoresist, esponendolo alla radiazione elettromagnetica attraverso una maschera, sviluppando lo strato di fotoresist esposto e asportando selettivamente lo strato di fotoresist sviluppato per lasciare la maschera di fotoresist 115 in aree di interesse selezionate.
Quindi, sempre facendo riferimento alla Fig. 1, ioni droganti 117 vengono introdotti in regioni dello strato epitassiale 110 non coperte dalla maschera di fotoresist 115, per formare le cosiddette regioni di body 120 del MOSFET di potenza. Gli ioni droganti che vengono introdotti sono di un secondo tipo di conducibilit?, opposto al primo tipo di conducibilit? (nell'esempio considerato, tipo p). Gli ioni droganti di tipo p vengono introdotti mediante impianto di drogante, in particolare un impianto di drogante a pi? fasi. Le dosi tipiche dell'impianto sono nell'intervallo 10<12>-10<13 >cm<-2>, per ottenere concentrazioni di drogante dell'ordine di 10<17 >cm<-3>.
Dopo la fase di impianto del drogante, la maschera di fotoresist 115 viene rimossa (Fig. 2).
Successivamente (Fig. 3), mediante tecniche fotolitografiche convenzionali, viene realizzata un'altra maschera di fotoresist 125 sulla superficie superiore (cio? la superficie opposta al substrato 105) dello strato epitassiale 110, depositando uno strato di fotoresist, esponendolo a radiazione elettromagnetica attraverso una maschera, sviluppando lo strato di fotoresist esposto e incidendo selettivamente via lo strato di fotoresist sviluppato per lasciare la maschera di fotoresist 125 in aree di interesse selezionate. La maschera di fotoresist 125 ricopre lo strato epitassiale 100 in regioni comprese tra le regioni di body 120 e si estende, in parte, sui bordi delle regioni di body 120 stesse.
Sempre facendo riferimento alla Fig.3, ioni droganti 127 vengono introdotti in regioni dello strato epitassiale 110 non coperte dalla maschera di fotoresist 125, per formare, all'interno delle regioni di body 120, regioni di source 130 del MOSFET di potenza. Gli ioni droganti che vengono introdotti sono del primo tipo di conducibilit? (nell'esempio considerato, tipo n). Gli ioni droganti di tipo n vengono introdotti mediante impianto di drogante, in particolare un impianto di drogante a pi? fasi. Le dosi tipiche dell'impianto sono nell'intervallo 10<13>-10<14 >cm<-2>, per ottenere concentrazioni di drogante di 10<20 >cm<-3>.
Come noto nell'arte, dopo l'impianto le specie droganti impiantate devono essere attivate elettricamente effettuando un processo di trattamento termico che, contemporaneamente, recupera la difettosit? nel reticolo del materiale che ha ricevuto le specie impiantate.
Secondo una forma di realizzazione della soluzione divulgata nel presente documento, come mostrato in Fig. 4, uno strato di rivestimento 135 di un materiale termoassorbente ? fornito, ad esempio, tramite deposizione, sulla superficie superiore della struttura (cio? la superficie opposta a il substrato 105, non mostrato per semplicit? in figura). Lo strato di rivestimento termoassorbente 135 formato sulla superficie superiore della struttura ha uno spessore adeguato, come discusso in maggior dettaglio in seguito. Lo strato di rivestimento termoassorbente 135 ? costituito da un materiale avente un coefficiente di estinzione ottica k uguale o superiore a 0,2 e una riflettanza inferiore al 5%. Lo strato di rivestimento termoassorbente 135 ? ad esempio uno strato di carbonio amorfo o grafite.
La struttura, con lo strato di rivestimento 135, viene quindi sottoposta ad un processo di trattamento termico laser per attivare elettricamente le specie droganti impiantate (vale a dire i droganti di tipo p per la formazione delle regioni di body 120 e i droganti di tipo n per la formazione delle regioni di source 130) e per recuperare la difettosit? nel reticolo del materiale che ha ricevuto le specie impiantate. La struttura ? esposta ad un opportuno raggio laser 140, come schematizzato nelle Figg.5A, 5B e 5C. L'energia (o densit? di energia) della radiazione laser da utilizzare ? scelta in funzione della dose di droganti impiantati. Dosi pi? elevate di droganti impiantati richiedono energie laser (o densit? di energia) pi? elevate per l'attivazione elettrica e il recupero della difettosit?. Poich? la dose di droganti impiantati per la formazione delle regioni di source 130 ? relativamente alta (in particolare, superiore alla dose di droganti impiantati per formare le regioni di body 120), sono necessarie energie laser relativamente elevate per trattare termicamente gli impianti delle regioni di source.
Secondo la soluzione qui divulgata, lo strato di rivestimento termoassorbente 135 di, ad esempio, carbonio amorfo o grafite, non ? protetto dall'esposizione al fascio laser 140, cio?, lo strato di rivestimento 135 ? esposto direttamente alla radiazione laser 140 utilizzata per eseguire il processo di trattamento termico. In questo modo, durante l'esposizione alla radiazione laser lo strato di rivestimento 135 subisce un fenomeno di erosione progressiva, eventualmente (a seconda dello spessore iniziale dello strato di rivestimento 135 e/o della densit? di potenza della radiazione laser) fino alla completa ablazione dello strato di rivestimento 135 dalla superficie superiore della struttura.
Pi? in dettaglio, la Richiedente ha riscontrato che l'erosione dello strato di rivestimento termoassorbente 135, ad esempio in carbonio amorfo o grafite, durante il processo di trattamento termico laser non ? affatto dannosa (contrariamente agli insegnamenti di JP 2012069748), essendo invece vantaggiosa sotto diversi aspetti per i risultati del trattamento termico, come discusso di seguito.
Fig. 16 ? un diagramma che riporta gli spessori (in ordinata, nm) di strati di rivestimento termoassorbenti 135 in grafite di diverso spessore iniziale esposti a radiazione laser, in particolare un XeCl che emette radiazione laser con lunghezza d'onda di 308 nm e operato in modalit? pulsata, con un tasso di irraggiamento uguale o superiore a 1000 colpi/punto. Nel diagramma di Fig. 16 ? tracciata la diminuzione dello spessore degli strati di rivestimento 135 con l'aumento della densit? di energia della radiazione laser (in ascissa, J/cm<2>). I triangoli indicano spessori misurati (misure effettuate con spettroscopia Raman). Le rette sono estratte dall'indagine sperimentale (indagini di microscopia ottica e SEM), mentre la linea tratteggiata ? ricavata da un modello trovato dalla Richiedente. Sono considerati strati di rivestimento di grafite 135 con tre diversi spessori iniziali: 90 nm, 180 nm e 270 nm. Come mostrato nel diagramma, indipendentemente dallo spessore iniziale dello strato di rivestimento 135, lo spessore diminuisce (in conseguenza dell'erosione dovuta all'esposizione alla radiazione laser) in modo sostanzialmente lineare all'aumentare della densit? di energia della radiazione laser, fino alla completa ablazione (una condizione che viene raggiunta per diverse densit? di energia laser a seconda dello spessore dello strato di rivestimento iniziale). In particolare, uno strato di rivestimento in grafite 135 con uno spessore iniziale di 90 nm assicura che la superficie del substrato sottostante sia mantenuta intatta (cio? non direttamente esposta alla radiazione laser) fino a una densit? di energia laser di quasi 0,4 J/cm<2>. Partendo da uno strato di rivestimento in grafite dello spessore di 135180 nm, questa condizione viene rispettata fino a circa 0,6 J/cm<2>. Uno strato 135 di rivestimento in grafite dello spessore di 270 nm ? in grado di resistere a radiazioni fino a 1 J/cm<2>.
L'erosione indotta sullo strato di rivestimento di grafite 135 ? principalmente causata dal superamento della temperatura di transizione di fase di 3800 ?C.
Gli strati di rivestimento ad assorbimento di calore 135, ad esempio di carbonio amorfo o grafite, esposti alla radiazione laser raggiungono temperature elevate, il che comporta il trasferimento di calore tramite conduzione termica sulla superficie del SiC sottostante. Ci? consente di evitare l'aumento di temperatura dovuto all'elevato assorbimento ottico nella struttura del SiC (che indurrebbe un trattamento termico fortemente disomogeneo in spessori di poche decine di nanometri, ed effetti di separazione di fase tra Si e C alla superficie del SiC con conseguente deterioramento delle regioni di impianto).
La Richiedente ha trovato che, sfruttando la progressiva erosione dello strato di rivestimento termoassorbente 135 quando esposto alla radiazione laser 140 durante il processo di trattamento termico laser, il processo di trattamento termico pu? essere suddiviso in due fasi temporali. In una prima fase di trattamento termico, la struttura del SiC (strato 110, regioni impiantate 120, 130), ricoperta dallo strato di rivestimento termoassorbente 135, subisce irraggiamento in condizioni di contatto ottico basso o nullo con la radiazione laser 140. In questa prima fase la principale fonte di trattamento termico ? il calore ceduto dallo strato di rivestimento 135 alla struttura di SiC, in particolare alle regioni impiantate 120 e 130. Durante questa prima fase di trattamento termico si ottiene un primo recupero del cristallo di SiC dai danni causati dalle specie impiantate. Grazie a questo primo recupero del cristallo di SiC vengono recuperate anche le propriet? ottiche della struttura di SiC e quindi si abbassa il coefficiente di assorbimento ottico del SiC.
L'erosione dello strato di rivestimento termoassorbente 135 in seguito all'avanzamento degli irraggiamenti per punto del fascio laser 140 conduce e migliora un contatto ottico della radiazione laser 140 con la struttura SiC sottostante. Questo contatto ottico ? ottenuto in conseguenza dell'erosione dello strato di rivestimento termoassorbente 135 e del suo assottigliamento, ad esempio, a uno strato spesso 30 -40 nm (Figg. 5B e 5C). In questa seconda fase di trattamento termico, sia la penetrazione ottica della radiazione laser 140 trasmessa attraverso il restante strato di rivestimento termoassorbente 135, sia la conduzione di calore dallo strato di rivestimento termoassorbente 135, contribuiscono al riscaldamento della struttura di SiC.
Questa combinazione di effetti induce un trattamento termico pi? efficace rispetto alla fase di esclusiva trasmissione del calore (prima fase di trattamento termico). Durante la fase di trasmissione del calore, essenzialmente in assenza di penetrazione ottica della radiazione laser 140 attraverso lo strato di rivestimento termoassorbente 135 fino a raggiungere la struttura di SiC sottostante, si ha un notevole gradiente di temperatura all'interno dei primi strati della struttura di SiC sottostante lo strato termoassorbente di rivestimento 135. L'effetto di trattamento termico viene sperimentato esclusivamente su impianti con droganti superficiali. Invece, attraverso l'effetto combinato di penetrazione ottica della radiazione laser e riscaldamento per conduzione, ? possibile effettuare un trattamento termico indotto dal trasferimento di calore dallo strato di rivestimento termoassorbente 135, nonch? un trattamento termico indotto dalla penetrazione ottica della radiazione laser 140 nelle regioni impiantate della struttura di SiC. In questa fase la struttura di SiC presenta un coefficiente di assorbimento ottico intermedio tra quello della struttura di SiC subito dopo l'impianto di droganti e quello di una struttura di SiC cristallino e, in tal modo, la struttura di SiC ? in grado di tollerare densit? di energia pi? elevate con l?aumentare dello spessore iniziale dello strato di rivestimento termoassorbente 135.
La radiazione laser 140, caratterizzata da una penetrazione ottica all'interno della struttura di SiC di circa 1-2 ?m, ? in grado di effettuare un trattamento termico coinvolgendo strati di SiC pi? profondi rispetto all'esclusiva trasmissione di calore dallo strato di rivestimento termoassorbente 135 e, quindi, di effettuare un trattamento termico lungo impianti droganti pi? profondi. Ci? ? particolarmente utile quando ci sono impianti droganti la cui estensione in profondit? nella struttura di SiC supera circa 500 nm.
Facendo riferimento allo schema di Fig.16, relativo al caso esemplificativo di uno strato di rivestimento termoassorbente 135 in grafite, ? possibile stabilire una relazione tra la densit? di energia della radiazione laser 140 e lo spessore iniziale dello strato di rivestimento termoassorbente 135 che consente di irraggiare regioni della struttura di SiC prive di strato di rivestimento termoassorbente 135 residuo (in conseguenza dell'erosione) e quindi direttamente esposte all'irraggiamento laser, senza comportare alcun danno alla superficie delle regioni impiantate di SiC. In sostanza, la densit? di energia della radiazione laser ? scelta in funzione della dose di droganti impiantati nelle regioni di semiconduttore da trattare termicamente. Lo spessore iniziale dello strato di rivestimento che assorbe il calore ? selezionato in base alla densit? di energia della radiazione laser, in modo tale che lo spessore iniziale sia sufficiente per impedire che la radiazione laser della densit? di energia selezionata raggiunga una superficie delle regioni impiantate sottostanti da trattare termicamente. L'esposizione della struttura alla radiazione laser dura per un tempo di esposizione predeterminato, durante il quale lo strato di rivestimento termoassorbente viene progressivamente eroso dalla radiazione laser e lascia progressivamente almeno parte della radiazione laser raggiungere la superficie delle regioni impiantate da trattare termicamente.
La Richiedente ha ricavato dai dati sperimentali un modello che pu? essere espresso dalla seguente equazione:
Gth = Ti - (287,7? Ed) (Eq. 1) dove Gth indica lo spessore residuo dello strato di rivestimento termoassorbente di grafite 135 dopo un trattamento sotto radiazione laser 140 a colpi/punto ? 1000, Ti ? lo spessore iniziale dello strato di rivestimento di grafite 135 e Ed indica la densit? di energia della radiazione laser 140. In sintesi, maggiore ? la dose di impianto nella struttura SiC, maggiore ? il quantitativo termico richiesto per il recupero cristallino e l'attivazione del drogante, maggiore ? la densit? di energia laser richiesta e, di conseguenza, pi? spesso ? lo strato di rivestimento di grafite 135 formato sulla superficie della struttura SiC impiantata. Una relazione simile a quella dell'Eq.1 vale anche per diversi materiali utilizzati per formare lo strato di rivestimento termoassorbente.
Lo strato di rivestimento termoassorbente 135 pu? essere uno strato di grafite cristallina. Preferibilmente, lo strato di rivestimento termoassorbente 135 pu? essere uno strato di grafite policristallina, con l'asse c del cristallo orientato ortogonalmente alla superficie superiore della struttura (asse verticale nelle figure). La grafite policristallina ha una conduttivit? termica notevolmente maggiore lungo l'asse c del cristallo rispetto alla grafite cristallina. Ci? la rende favorevole nell'utilizzo di sistemi che prevedono la trasmissione del calore da una sorgente radiativa monocromatica.
Possono essere sfruttati laser con lunghezze d'onda superiori alla banda proibita del SiC, sebbene non sia escluso l'uso di radiazioni laser con lunghezze d'onda inferiori alla banda proibita. In quest'ultimo caso, sebbene l'assorbimento ottico della radiazione laser 140 nella struttura di SiC sarebbe apparentemente impedito, il processo pu? fare affidamento sull'assorbimento ottico dovuto a difetti di impiantazione ionica (loop di dislocazione, difetti di punto come Vc, VSi, ecc.) che introducono livelli di energia all'interno della banda proibita del SiC. Quindi, questi difetti di impianto formano centri di assorbimento della radiazione laser che contribuiscono al trattamento termico laser.
Dopo il processo di trattamento termico laser, il processo di fabbricazione continua. Come mostrato in Fig. 6, lo strato di rivestimento termoassorbente 135 rimanente (se presente, cio? se non completamente ablato dall'erosione durante l'irradiazione da parte della radiazione laser) viene rimosso, ad esempio sfruttando un attacco in plasma di O2.
Quindi, sulla superficie superiore della struttura viene formato uno strato 145 di materiale dielettrico, ad esempio SiO2, come mostrato in Fig. 7. Lo strato di materiale dielettrico 145 former? l'ossido di gate del MOSFET di potenza. Lo strato di materiale dielettrico 145 pu? ad esempio essere formato mediante note tecniche di deposizione, ad esempio tecniche di Chemical Vapor Deposition (CVD), in particolare Plasma Enhanced CVD (PECVD).
Uno strato 150 di materiale elettricamente conduttivo, ad esempio silicio policristallino (polisilicio o poli-Si) o titanio tungsteno (TiW) o una loro combinazione, ? formato sullo strato di materiale dielettrico 145, come illustrato in Fig. 8. Lo strato di materiale elettricamente conduttivo 150 ? ad esempio formato per deposizione. Lo strato di materiale elettricamente conduttivo 150, che pu? essere relativamente sottile, ad esempio di circa 100 nm - 500 nm, former? l'elettrodo di gate del MOSFET di potenza. In particolare, per i MOSFET di potenza 3C-SiC ? preferita una combinazione di poli-Si e TiW con uno spessore dello strato 150 nell'intervallo da circa 100 nm a circa 300 nm, mentre uno strato 150 leggermente pi? spesso di poli-Si, con uno spessore fino a circa 500 nm, pu? essere preferibile per MOSFET di potenza 4H-SiC. Il successivo trattamento termico di attivazione post-deposizione del poli-Si (ad esempio, un RTA a 800 ?C per circa 1 minuto, in atmosfera di argon) viene preferibilmente eseguito nel caso di MOSFET di potenza in 3C-SiC.
In Fig. 8 ? anche mostrato uno strato maschera di fotoresist 155 che viene fornito, ad esempio, mediante deposizione, sulla superficie superiore dello strato di materiale elettricamente conduttivo 150.
Lo strato di fotoresist 155 viene quindi esposto a radiazione elettromagnetica attraverso una maschera fotolitografica, quindi lo strato di fotoresist esposto 155 viene sviluppato e selettivamente rimosso, rimanendo solo su quelle aree dove dovr? essere definito l'elettrodo di gate del MOSFET di potenza. Dopo la rimozione selettiva mediante attacco (es. attacco a secco) dello strato di materiale elettricamente conduttivo 150 e dello strato di materiale dielettrico 145, viene definito l'elettrodo di gate 160 del MOSFET di potenza, come mostrato in Fig. 9. L'elettrodo di gate 160 ? formato sopra quelle regioni dello strato epitassiale 110 che sono circondate dalle regioni di body 120, in leggera sovrapposizione alle regioni di body 120.
Passando alla Fig. 10, sulla superficie superiore della struttura viene formato uno strato 165 di materiale di passivazione. Lo strato di materiale di passivazione 165 ? ad esempio uno strato di ossido, particolarmente ossido a bassa temperatura (LTO) dello spessore dell'ordine di 1 ?m, e pu? essere formato per deposizione, ad esempio Low Pressure CVD (LPCVD).
Per formare il contatto elettrico di drain, lo spessore del substrato 105 viene ridotto dal lato posteriore (cio? dal lato opposto alla superficie superiore della struttura), ovvero il substrato 105 viene assottigliato, come mostrato in Fig. 11. La riduzione di spessore del substrato 105 dal lato posteriore ? utile per ridurre la resistenza dello strato di deriva del MOSFET di potenza nello stato di conduzione (Ron). La riduzione di spessore del substrato 105 dal lato posteriore pu? per esempio essere ottenuta mediante molatura.
Passando alla Fig. 12, lo strato di materiale di passivazione 165 viene quindi rimosso selettivamente, rimanendo appena sopra e ai lati dell'elettrodo di gate 160 del MOSFET di potenza.
Vengono quindi formati contatti elettrici con le regioni di source 130. Per realizzare i contatti elettrici alle regioni di source 130, sulla superficie superiore della struttura viene depositato un precursore di contatto ohmico 175, ad esempio di nichel (Ni). Viene quindi eseguito un rapido processo di trattamento termico. Il precursore di contatto ohmico 175 sulla superficie esposta delle regioni di source 130 (non ricoperta dal restante strato di materiale di passivazione 165) reagisce con il SiC per la siliciurizzazione e formazione di contatti elettrici 185 alle regioni di source 130; il nichel non reagito con SiC sul contatto di gate viene rimosso mediante attacco chimico (Fig. 13).
Quindi, deve essere formato il contatto elettrico di drain. Come noto, il contatto di drain in un MOSFET di potenza ? un contatto elettrico al substrato 105.
Sulla superficie posteriore del substrato 105 (dopo averne ridotto lo spessore, come detto in precedenza) viene depositato uno strato 190 di un precursore di contatto ohmico, ad esempio nichel (Ni), come mostrato in Fig. 13. Altri precursori adatti possono essere titanio (Ti) o tungsteno (W) o siliciuro di nichel (NiSi). Viene quindi eseguito un rapido trattamento termico, per la siliciurizzazione dei contatti elettrici al drain del MOSFET di potenza.
Dopo il trattamento si ottengono regioni di contatto ohmico 197, ad esempio in siliciuro di nichel (NiSi), come mostrato in Fig. 14.
Come illustrato in Fig. 15, uno strato di materiale elettricamente conduttivo 187 viene quindi depositato sulla superficie superiore della struttura per formare il pad metallico sorgente del MOSFET di potenza. Ad esempio, lo strato di materiale elettricamente conduttivo 187 pu? essere uno strato di titanio e/o alluminio (Ti/Al).
La Fig. 22 ? una vista schematica in sezione trasversale di un diodo Schottky (JBS) controllato da Barriera a Giunzione, un altro dispositivo elettronico la cui fabbricazione pu? trarre vantaggio dalla soluzione divulgata in questo documento.
Il diodo JBS prevede un'architettura che combina le comode funzionalit? dei diodi pin e Schottky. In particolare, il diodo JBS ? progettato per comportarsi come un diodo Schottky in polarizzazione diretta (per ridurre al minimo le perdite in stato on e di commutazione) e come un diodo pin in polarizzazione inversa (per ridurre al minimo le perdite in stato off).
Il dispositivo ? fabbricato su un substrato 2220 di un semiconduttore WBG, ad esempio SiC, drogato relativamente pesantemente con, ad esempio, ioni donori per essere un substrato n+. Sopra il substrato 2220 si forma uno strato meno drogato 2215 dello stesso tipo di conduttivit? (strato n-). Lo strato n- 2215 former? uno strato di deriva del dispositivo.
Uno strato metallico 2205 sulla parte superiore della struttura produce contatti ohmici alle regioni p+ impiantate 2210 (aree anodiche) e contatti Schottky alle aree superficiali dello strato n- di deriva 2215, risultando in un dispositivo costituito da diodi Schottky e diodi pin interdigitati accoppiati in parallelo.
Le aree p+ dell'anodo 2210 sono separate sufficientemente in modo tale che le loro zone di svuotamento non si sovrappongano n? con polarizzazione zero n? con polarizzazione diretta. Questo crea un percorso conduttivo tra ciascun contatto Schottky e il substrato n+ attraverso lo strato di deriva n 2215.
In corrispondenza dei bordi del dispositivo pu? essere prevista una regione 2225 di tipo p leggermente drogata denominata Bordo di Terminazione di Giunzione (JTE). Questa agisce come una terminazione del bordo per ridurre al minimo l'affollamento del campo lungo il bordo della giunzione Schottky, determinando una maggiore tensione di rottura del dispositivo. Il JTE 2225 pu? essere costituito da uno o pi?, due nell'esempio mostrato, anelli concentrici di tipo p 2230, 2235 con concentrazioni di drogante regolate con precisione che circondano la giunzione principale.
Un importante criterio di progettazione riguarda la concentrazione complessiva di drogante per unit? di area in ciascun anello di tipo p 2230, 2235 che dovrebbe essere sufficientemente bassa da lasciare che l'anello si svuoti completamente prima che si verifichi la rottura a valanga al bordo dell'anello. La tensione di rottura aumenta subito prima della rottura al dosaggio in cui l'anello si esaurisce. Tuttavia, l'anello non si esaurisce completamente con dosaggi maggiori e la rottura inizia al confine esterno dell'anello. Per questo motivo questo tipo di impianto di droganti viene solitamente realizzato con dosi comprese tra 10<12 >cm<-2 >e 10<13 >cm<-2>, portando a concentrazioni dell'ordine di 10<16 >- 10<17 >atomi/cm<3>.
Una dose di impianto (e la risultante concentrazione di drogante) in questo intervallo ?, ai fini della soluzione qui descritta, denominata "impianto leggero". Un impianto progettato in questo modo provoca lievi danni al cristallo di SiC. In questo particolare scenario, il danno derivante dall'impianto ? piccolo e induce una variazione limitata dei parametri ottici e termodinamici del SiC. Inoltre, a una concentrazione di drogante cos? bassa, temperature moderate (T comprese tra 1600 ?C e 1800 ?C) sono sufficienti per raggiungere la piena attivazione del drogante. Di conseguenza, il sistema di recupero pu? essere eseguito anche con energie laser inferiori e, di conseguenza, lo spessore iniziale dello strato di materiale termoassorbente di rivestimento pu? essere inferiore (90 nm o 180 nm secondo la Fig.16 e dall'Eq.1). Di conseguenza, il cristallo pu? essere ulteriormente recuperato sia nei primi strati impiantati che negli strati pi? profondi.
Le regioni di impianto p+ 2210, aventi una concentrazione dell'ordine di 10<18 >cm<-3 >o superiore, sono denominate ?impianti pesanti?, e sono caratterizzate da livelli pi? elevati di danneggiamento del cristallo di SiC conseguente all'impianto. L'alto livello di danneggiamento, dovuto alla maggiore concentrazione di difetti puntiformi, implica il coinvolgimento di energie laser pi? elevate per il trattamento termico e, di conseguenza, di strati di materiale di rivestimento termoassorbenti di maggior spessore iniziale. In questo caso sono necessari spessori iniziali dell'ordine di 270 nm o superiori per consentire l'applicazione del sistema di irraggiamento laser secondo l'Eq. 1.
Pertanto, analogamente al trattamento termico dell'impianto source nei MOSFET di potenza, quando il dispositivo elettronico da fabbricare ha impianti droganti pesanti, dovrebbero essere utilizzati spessori iniziali del rivestimento di grafite dell'ordine di 270 nm o superiori per consentire un irraggiamento efficace.
Diversamente, quando il dispositivo elettronico da produrre include impianti a drogaggio leggero (come gli impianti per la formazione di sistemi di controllo della rottura come il JTE o l?Anello di Guardia Mobile - FGR), possono essere utilizzati spessori iniziali di grafite inferiori.
L'adozione della soluzione descritta nel presente documento pu? essere rilevata nei dispositivi elettronici fabbricati.
In particolare, come mostrato in Fig. 17, che ? un diagramma che riporta l'intensit? misurata di un'emissione all?interno della banda proibita (in ascissa, unit? arbitrarie a.u.) in funzione della lunghezza d'onda (in ordinata, nm) di una regione impiantata di SiC trattato termicamente con laser (curva A) rispetto a una regione impiantata di SiC trattata termicamente in forno (curva B), un modo per rilevare che i dispositivi elettronici sono stati fabbricati secondo la soluzione qui divulgata ? osservando che la caratteristica emissione all?interno della banda proibita a temperatura ambiente della regione impiantata sottoposta a trattamento termico laser ha un picco a ~ 545 nm, mentre il campione che ? stato sottoposto a trattamento termico in forno mostra un picco a ~ 490 nm e un'ulteriore emissione tra 850 nm e 1050 nm.
La Fig. 18 mostra, in due immagini in sezione trasversale TEM, la differenza di difettosit? tra un dispositivo elettronico fabbricato secondo la soluzione qui divulgata (immagine a destra) e un dispositivo elettronico sottoposto a trattamento termico in forno per l'attivazione dei droganti impiantati (immagine sulla sinistra). Si vede facilmente che il processo di trattamento termico laser restituisce una difettosit? meno estesa rispetto al campione di trattamento termico (forno) che presenta anelli di dislocazione. La densit? del difetto ? proporzionale alla concentrazione del drogante impiantato. Tali figure, oltre a dimostrare i vantaggi della soluzione qui descritta, mostrano anche che i dispositivi elettronici fabbricati presentano caratteristiche rilevabili.
La soluzione qui divulgata, che prevede un trattamento termico laser assistito da rivestimento, assistito da uno strato di rivestimento che assorbe il calore, per attivare le specie droganti impiantate, ? vantaggiosa rispetto al trattamento termico laser senza rivestimento. La Fig. 19 mostra immagini SEM di due campioni di materiale, entrambi irraggiati a 1000 colpi/punto a 0,6 J/cm<2>. A differenza del processo di trattamento termico laser assistito da rivestimento (immagine a destra), un trattamento termico laser non rivestito (immagine a sinistra) presenta l'erosione della superficie dell'impianto e aggregati superficiali (ad es. SiO2).
Per valutare l'efficacia della soluzione proposta e descrivere la fattibilit? dell'Eq. 1 (derivata da risultati sperimentali, come illustrato in Fig.16), ? stato simulato l?irraggiamento di un impianto con uno spessore di 1.5 ?m su uno strato epitassiale di 4H-SiC con sovrapposto un rivestimento di grafite dello spessore di 270 nm. La concentrazione di drogante dell'impianto ? dell'ordine di 10<20 >cm<-3>.
La simulazione ? stata eseguita mediante irraggiamento con laser XeCl (? = 308 nm) con impulsi della durata di 30 ns. Al fine di innalzare opportunamente le temperature raggiunte sul campione irraggiato e, contemporaneamente, aumentare il tempo di esposizione a temperature idonee all'attivazione (T > 1600 ?C), la temperatura della base (cio? la temperatura della piattaforma su cui i campioni sono stati posto durante la fase di irradiazione laser) ? stata fissata a T = 580 ?C. Lo strato di rivestimento termoassorbente considerato era grafite policristallina e quindi la sua conducibilit? termica lungo l'asse c ? stata considerata compresa tra 60 W/mK alla temperatura della base e 30 W/mK vicino al suo punto di fusione. La simulazione ? stata condotta utilizzando le leggi di Fourier sulla propagazione del calore e valutando l'evoluzione dei parametri termodinamici e ottici al variare della temperatura. La prima fase di simulazione ? stata effettuata tenendo conto dell'Eq.1 e considerando uno strato di grafite di 270 nm di spessore a contatto con la regione impiantata di SiC. I parametri termodinamici della grafite presi in considerazione sono quelli disponibili per un materiale altamente assorbente caratterizzato da un coefficiente di assorbimento ottico pari a circa 2?10<5 >cm<-1 >che consente l'assorbimento ottico della radiazione laser all'interno di uno strato di 50 nm. La Fig.20 mostra l'andamento delle temperature (in ordinata, espresse in ?C) misurate a t = 30 ns in funzione della profondit? del campione (in ascisse, espresse in ?m). Qui lo strato di rivestimento termoassorbente di grafite raggiunge la temperatura di fusione di 3800 ?C nei primi strati superficiali dello stesso, contribuendo al fenomeno dell'erosione. Il profilo di danno dell'impianto ? stato calcolato utilizzando una simulazione SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter). Per dosi di impianto coerenti con quelle comunemente utilizzate per la formazione di strati di source dei MOSFET, viene formato un danno dell'ordine di circa 0,5 dpa (spostamento per atomo). Per questi livelli di danno, la conducibilit? termica del SiC si colloca in un range compreso tra 20 e 10 W/mK con l'aumento della temperatura ed ? quindi opportuno assimilare lo strato impiantato di SiC ad un isolante termico, contribuendo al raggiungimento di temperature elevate nelle prime fasi del trattamento termico. Lo strato di rivestimento termoassorbente di grafite ? quindi particolarmente influenzato dal comportamento isolante fornito dallo strato di SiC impiantato.
La fase iniziale del processo di trattamento termico ha il ruolo di recupero dei primi strati di SiC danneggiati, che contribuisce al raggiungimento di conducibilit? termiche di SiC intermedie comprese tra i valori tipici dello strato di SiC impiantato (cio? danneggiato) e quelli di un completamente cristallino. Durante i colpi laser, la conducibilit? termica del SiC sale a valori compresi tra 90 W/mK e 30 W/mK con l'aumento della temperatura e ci? contribuisce alla riduzione della temperatura e alla sostenibilit? del processo durante la successiva erosione dello strato di grafite durante i successivi colpi laser. Durante questa prima fase di conduzione del calore stabilita durante la fase iniziale di trattamento termico, il profilo di conduzione del calore riportato in Fig. 20 mostra temperature dell'ordine di circa 2700 ?C, ed in questa fase il rivestimento grafitico garantisce l'integrit? della superficie di SiC dal desorbimento di atomi superficiali di SiC. Si pu? notare che la temperatura tende a diminuire con la profondit? del campione e temperature inferiori a 1600 ?C sono gi? registrate dopo una profondit? di 450 nm nell'impianto di SiC. Durante questa prima fase ? quindi possibile il trattamento termico della prima porzione di SiC compresa, almeno, nei primi 450 nm di impianto dalla superficie di SiC. Per sottoporre l'intera regione impiantata ad un'efficace trattamento termico, segue una seconda fase di trattamento termico. Questa seconda fase entra in gioco grazie alla progressiva erosione dello strato di rivestimento termoassorbente in grafite, che consente l'instaurarsi del contatto ottico tra la radiazione laser e lo strato di SiC. Durante le prime fasi di irraggiamento sopra descritte, il SiC viene sottoposto ad una fase di recupero cristallino che consente di ristabilire parzialmente non solo le propriet? termodinamiche ma anche il coefficiente di assorbimento del SiC. Ci? consente di procedere ad un recupero del cristallo che passa da valori di coefficiente di assorbimento ? estremamente elevati (ovvero ?~9?10<4 >cm<-1 >o superiori) come precedentemente descritto, a valori di coefficiente di assorbimento dell'ordine di ?~1?10<4>cm<- 1 >che porta a lunghezze di penetrazione ottica dell'ordine di circa 1 ?m. L'instaurazione di questo regime di recupero del coefficiente di assorbimento del SiC d? luogo ad un processo di trattamento termico in grado di coinvolgere strati pi? profondi del campione. Questo processo ? coerente con il processo di recupero mediato dallo spessore dello strato di rivestimento di grafite sovrapposto. Con la stessa energia, se lo strato iniziale di grafite fosse stato pi? sottile, le regioni di SiC impiantate sarebbero state sottoposte a temperature oltre la temperatura di fusione del SiC, causando il deterioramento dell'impianto di SiC come conseguenza dell'inizio dei processi di separazione di fase come mostrato dalla curva C in Fig. 20.
Il graduale recupero dei parametri ottici e termodinamici del SiC risulta quindi essere una fase propedeutica all'opportuna azione della fase 2 per il processo di trattamento termico. Il profilo termico comporta uno spessore maggiore del sistema grazie all'abbassamento del coefficiente di assorbimento del SiC. La curva D mostra come sono consentite temperature superiori a 2000 ?C lungo l'intero strato di SiC impiantato, contribuendo al pieno coinvolgimento della regione impiantata pi? profonda. ? quindi evidente che la tecnica presentata consente di attivare efficacemente impianti profondi che non verrebbero attivati dal trattamento termico laser eseguito con un rivestimento termoassorbente fisso, non erodibile o dove comunque non ? consentito il contatto ottico con lo strato di SiC .
Alla luce di quanto descritto, dai risultati della simulazione mostrati in Fig.21 l'andamento delle temperature (in ordinata, espresse in ?C) in funzione del tempo (in ascisse, espresse in ns) durante il singolo colpo laser pu? anche essere verificato. La rampa del trattamento termico ? molto veloce ed ? coerente con la durata del colpo laser. Il profilo di andamento della temperatura permette di estrapolare il tempo in cui il campione rimane a temperature superiori a 1600 ?C, che sar? definito come il tempo di trattamento termico efficace. Si possono considerare due casi: il caso di irraggiamento su uno strato di rivestimento di grafite di 270 nm e il caso di irraggiamento di un campione di SiC non rivestito dopo che lo strato assorbente di rivestimento ha subito erosione. Nel primo caso il tempo di trattamento termico efficace ? di circa 48 ns in superficie per poi scomparire dopo poche centinaia di nanometri. In caso di irraggiamento senza rivestimento dello strato termoassorbente, il tempo di trattamento termico efficace ? compreso tra 40 ns a 0,5 ?m di profondit? fino a 87 ns a 1,5 ?m. La termalizzazione completa dei campioni viene raggiunta dopo 0,06 ms e consente ampiamente di gestire comodamente alte frequenze di trattamento termico, garantendo un'azione indipendente dei colpi laser ed evitando la sovrapposizione degli effetti termici generati da colpi laser contigui che non consentirebbero un adeguato controllo sulle temperature di picco generate dai singoli colpi laser sul campione. Inoltre, per consentire al SiC di tollerare i contatti della radiazione ottica laser, lo spessore del rivestimento di grafite dovrebbe essere riaggiustato secondo l'Eq.1, in modo da far tollerare al SiC le energie laser pi? elevate. Maggiore ? il grado di recupero del cristallo, maggiore ? la tolleranza a energie laser pi? intense.
La struttura cristallina della grafite ? costituita da legami sp<2>. Nei legami sp<2 >tre dei quattro elettroni si trovano in orbitali ibridati trigonalmente coordinati che formano legami ? idealmente a 120? e il quarto elettrone si trova nel non ibridato pz. I picchi di Fresnel delle transizioni elettroniche appaiono vicino a ? = 85 nm (? - ?*) e 250 nm (? - ?*) con minimi di riflessione prossimi a 50 nm e 160-190 nm corrispondenti ai centri di assorbimento caratterizzati da un elevato coefficiente di estinzione. Questi picchi tendono a spostarsi verso lunghezze d'onda maggiori con l'aumentare dell'amorfizzazione, presumibilmente in seguito alla riduzione delle distanze di legame, nonch? ad allargarsi a causa di distribuzioni maggiori. La grafite, di solito, ha picchi puri nei siti sp<2 >e quindi entrambi i picchi di Fresnel appaiono stretti e sottili a seguito di una sottile distribuzione delle distanze di legame. Il carbonio amorfo ? definito da ibridazioni sp<3>, ma contiene un certo numero di ibridazioni sp<2 >e quindi ? anche definito da picchi di assorbimento ? - ?*. L'aumento dell'ordine grafitico da carbonio amorfo consente l'aumento dei coefficienti di estinzione. Il carbonio amorfo consente coefficienti di estinzione ottica dell'ordine di k = 0,2 ad eccezione della regione spettrale compresa tra 120 e 170 nm. Questo tipo di comportamento consente di avere coefficienti di assorbimento ottico superiori a 1,2?10<20 >cm<-1 >che comporta un assorbimento ottico completo in strati pi? sottili dello strato minimo di 90 nm definito dall'Eq. (1), garantendo l'integrit? dello strato di SiC sottostante nella prima fase di recupero in assenza di contatto ottico.
Come menzionato in precedenza, oltre al carbonio amorfo e alla grafite, esistono altri materiali adatti per formare lo strato di rivestimento ad assorbimento di calore 135.
Ad esempio, un'ulteriore categoria di materiali di grande interesse per la loro capacit? di assorbire efficacemente la radiazione laser, mantenere basse perdite grazie alla bassa riflettanza e trasferire efficacemente l'energia termica alla struttura SiC sottostante comprende il Carburo di Tantalio (TaC) e il Carburo di Afnio (HfC). Questi materiali possiedono le propriet? fisiche della ceramica come alti punti di fusione, grande durezza, inerzia chimica e resistenza nonch? le propriet? elettroniche dei metalli, come una conducibilit? termica che in questi materiali tende ad aumentare con la temperatura. Inoltre, i materiali elencati sono anche caratterizzati dal punto di fusione pi? alto dei materiali noti e sono particolarmente adatti a fungere da strato assorbitore di radiazioni laser. Ad esempio, i film TaC sono caratterizzati da quasi il 50% di riflettanza, che si avvicina al 100% nella regione del lontano infrarosso. La riflettanza, tuttavia, diminuisce profondamente avvicinandosi alla regione spettrale del vicino infrarosso, raggiungendo una riflettivit? quasi nulla tra = 800 e 900 nm. Al di sotto di questa lunghezza d'onda la riflettanza sale, raggiungendo valori dell'ordine del 18% a 300 nm e del 25% intorno a 200 nm, decrescendo decisamente a lunghezze d'onda ulteriormente inferiori. Gli alti valori del coefficiente di assorbimento consentono un forte assorbimento nella regione UV, visibile e infrarossa. Altri materiali che possono essere utilizzati come rivestimenti per l'assorbimento del calore sono il carburo di zirconio (ZrC) e il carburo di afnio (HfC) che condividono una bassa riflettivit? nelle regioni UV e visibile insieme ad alti coefficienti di assorbimento, nonch? temperature di fusione superiori a 3500 ?C. Materiali con caratteristiche simili, ma con temperature di fusione inferiori a questa soglia come Tantalio diboruro (TaB2), Zirconio diboruro (ZrB2), Afnio diboruro (HfB2) potrebbero essere utilizzati come materiale sacrificale, tuttavia tenderanno ad avere tassi di erosione pi? elevati a causa la minore sostenibilit? di alti gradienti termici tra la superficie e l'interfaccia con SiC.
Il sistema di trattamento termico laser proposto ? suscettibile alle dosi di impianto all'interno del semiconduttore e di conseguenza alla concentrazione di drogante incorporata nella matrice cristallina. Il danno ai cristalli sar?, quindi, effettivamente rilevabile in funzione della concentrazione di drogante impiantato.
A seconda del danno indotto dall'impianto, il sistema di trattamento termico pu? essere modellato impiegando varie configurazioni.
Claims (13)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo per fabbricare un dispositivo elettronico comprendente: - fornire uno strato di materiale semiconduttore ad ampia banda proibita (110; 2215) avente un tipo di conducibilit?; - impiantare specie droganti in regioni selezionate (120, 130; 2210, 2230, 2235) di detto strato di materiale semiconduttore ad ampia banda proibita (110; 2215) per formare regioni impiantate di detto strato di materiale semiconduttore ad ampia banda proibita, dette regioni impiantate avendo un tipo di conducibilit? alterato rispetto al tipo di conducibilit? dello strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita, e - trattare termicamente le regioni impiantate dello strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita, caratterizzato nel fatto che detto trattare termicamente comprende: - rivestire dette regioni impiantate da trattare termicamente con uno strato di materiale termoassorbente (135), lo strato di materiale termoassorbente avendo uno spessore iniziale, il materiale dello strato di materiale termoassorbente avendo un coefficiente di estinzione ottica k uguale o superiore a 0,2 e una riflettanza inferiore a 5%, e - esporre lo strato di materiale termoassorbente a una radiazione laser (140) avente una densit? di energia, per il trattamento termico delle regioni selezionate dello strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita, in cui: - la densit? di energia della radiazione laser ? scelta in funzione di una dose di droganti di dette regioni impiantate; - lo spessore iniziale dello strato di materiale termoassorbente ? scelto in base alla densit? di energia della radiazione laser in modo da essere sufficiente ad impedire che la radiazione laser raggiunga una superficie delle regioni impiantate sottostanti da trattare termicamente, e - detto esporre lo strato di materiale termoassorbente ad una radiazione laser dura per un tempo di esposizione e, durante detto tempo di esposizione, lo strato di materiale termoassorbente ? soggetto ad erosione, cosicch? durante il tempo di esposizione l'erosione dello strato di materiale termoassorbente consente progressivamente almeno a parte della radiazione laser di raggiungere la superficie delle regioni impiantate sottostanti da trattare termicamente.
- 2. Il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui lo strato di materiale termoassorbente ? uno strato di un materiale selezionato fra: carbonio amorfo; grafite; Carburo di Tantalio, TaC; Carburo di Afnio, HfC; diboruro di Tantalio, TaB2; carburo di zirconio, ZrC; diboruro di zirconio, ZrB2; diboruro di afnio, HfB2.
- 3. Il metodo secondo la rivendicazione 2, in cui lo strato di materiale termoassorbente ? uno strato di grafite policristallina.
- 4. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato di materiale termoassorbente ha una temperatura di fusione maggiore di una temperatura di fusione del materiale semiconduttore ad ampia banda proibita.
- 5. Il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il materiale semiconduttore ad ampia banda proibita ? SiC.
- 6. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta radiazione laser ? una radiazione emessa da una sorgente laser XeCl a colpi/punto ? 1000, detto strato di materiale termoassorbente ? uno strato di grafite e in cui uno spessore residuo Gth dello strato di materiale termoassorbente dipende da detto spessore iniziale, Ti, e da detta densit? di energia della radiazione laser, Ed, secondo l'equazione: Gth = Ti - (287,7? Ed)
- 7. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'energia laser della radiazione laser ? maggiore di una banda proibita del materiale semiconduttore ad ampia banda proibita, ad esempio ultravioletto, o inferiore/uguale alla banda proibita del materiale semiconduttore ad ampia banda proibita, ad esempio visibile e infrarosso.
- 8. Il metodo secondo la rivendicazione 6, in cui per il trattamento termico di un impianto pesante dell'ordine di 10<18 >cm<-3 >o maggiore detto spessore iniziale dello strato di materiale termoassorbente ? di circa 270 nm o maggiore, mentre per il trattamento termico di un impianto leggero con una concentrazione di drogante fino a un ordine di 10<17 >cm<-3 >detto strato di materiale termoassorbente ? inferiore a 270 nm.
- 9. Un dispositivo a semiconduttore comprendente uno strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita (110; 2215) con sue regioni selezionate (120, 130; 2210, 2230, 2235) drogate con droganti che alterano un tipo di conducibilit? dello strato di materiale semiconduttore ad ampia banda proibita, in cui il dispositivo a semiconduttore ? fabbricato mediante un metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
- 10. Il dispositivo a semiconduttore secondo la rivendicazione 9, in cui il materiale semiconduttore ad ampia banda proibita ? SiC.
- 11. Il dispositivo a semiconduttore secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui le regioni (120, 130) dello strato di materiale semiconduttore ad ampia banda proibita (110) drogato con droganti hanno piccole profondit? cos? come profondit? maggiori di 1?m.
- 12. Il dispositivo a semiconduttore secondo la rivendicazione 9 o 10 o 11, in cui il dispositivo a semiconduttore comprende un MOSFET, in particolare un MOSFET di potenza, e in cui le regioni (120, 130) dello strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita (110) drogato con droganti includono regioni di body e regioni di source del MOSFET di potenza.
- 13. Il dispositivo a semiconduttore di una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 11, in cui il dispositivo a semiconduttore comprende un diodo Schottky controllato da Barriera a Giunzione e in cui le regioni (2210, 2230, 2235) dello strato di un materiale semiconduttore ad ampia banda proibita (2215) drogati con droganti includono regioni anodiche (2210) e regioni di Bordo di Terminazione di Giunzione (2230, 2235) del diodo Schottky controllato da Barriera a Giunzione. TRADUZIONE DELLE DICITURE NELLE FIGURE Figura 16Figura 17Figura 19Figura 20Figura 21Figura 22
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Patent Citations (3)
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