Projeto de dopagem de SiC com implantação múltipla

Abstract

Este trabalho vai apresentar um estudo comparativo detalhado entre as ferramentas de simulação SRIM e Silvaco TCAD aplicadas à modelagem de processos de implantação iônica em substratos de Carbeto de Silício (4H-SiC), etapa crítica para a fabricação de dispositivos de potência. Foram analisados os perfis de dopagem para regiões tipo-p (Alumínio) e tipo-n (Nitrogênio), avaliando o impacto da temperatura de implantação, da estrutura cristalina e dos tratamentos térmicos pós-processo. Os resultados demonstraram que o SRIM atua como uma ferramenta eficiente para a estimativa preliminar de alcances projetados e definição de doses, beneficiando-se da rapidez computacional proporcionada pela aproximação de alvo amorfo. No entanto, devido à sua limitação intrínseca em prever fenômenos cristalográficos complexos, como a canalização, o software não tem precisão real no detalhamento das caudas de distribuições de implantação. Nesse contexto, a validação via Silvaco TCAD torna-se indispensável para a consolidação do design final para a industria. O uso desta ferramenta é necessária para assegurar que a simplificação física do SRIM não ocultou comportamentos críticos da rede cristalina, garantindo a robustez do dispositivo mesmo quando as discrepâncias geométricas na região do platô se mostram mínimas. Além disso, confirmou-se a necessidade de implantação a quente (500◦C) para altas doses visando a recuperação dinâmica da rede, enquanto o recozimento de ativação a 1600◦C mostrou ter impacto desprezível na geometria final dos perfis devido aos baixos coeficientes de difusão no SiC. O estudo validou a estratégia de múltiplas implantações para a formação de perfis planos (box-like), demonstrando que o uso combinado das ferramentas permite um design robusto e otimizado dos dispositivos.

This work presents a detailed comparative study between the SRIM and Silvaco TCAD simulation tools applied to the modeling of ion implantation processes in Silicon Carbide (4H-SiC) substrates, a critical stage in the fabrication of power devices. Doping profiles for p-type (Aluminum) and n-type (Nitrogen) regions were analyzed, evaluating the impact of implantation temperature, crystalline structure, and post-process thermal treatments. The results demonstrated that SRIM serves as an efficient tool for preliminary estimates of projected ranges and dosage definitions, benefiting from the computational speed provided by the amorphous target approximation. However, due to its intrinsic limitation in predicting complex crystallographic phenomena, such as channeling, the software lacks real precision in detailing the tails of the implantation distributions. In this context, validation via Silvaco TCAD becomes indispensable for the consolidation of the final design, if used in the industry. The use of this tool is necessary to ensure that the physical simplifications of SRIM do not obscure critical behaviors of the crystal lattice, guaranteeing device robustness even when geometric discrepancies in the plateau region prove to be minimal. Furthermore, the necessity of hot implantation (500◦C) for high doses was confirmed, aiming for dynamic lattice recovery, while activation annealing at 1600◦C showed a negligible impact on the final geometry of the profiles due to the low diffusion coefficients in SiC. This study validated the multipleimplantation strategy for the formation of box-like profiles, demonstrating that the combined use of these tools allows for a robust and optimized device design.