碳化硅離子注入和退火工藝介紹

統(tǒng)的硅功率器件工藝中，高溫?cái)U(kuò)散和離子注入是最主要的摻雜控制方法，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，高溫?cái)U(kuò)散工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備便宜，摻雜分布輪廓為等向性，且高溫?cái)U(kuò)散工藝引入的晶格損傷低。離子注入工藝復(fù)雜且設(shè)備昂貴，但它可獨(dú)立控制摻雜元素的濃度和結(jié)深，雖然也會(huì)給襯底引入大量的點(diǎn)缺陷和擴(kuò)展缺陷。

碳化硅功率器件摻雜工藝中，常用的摻雜元素有：N型摻雜，主要為氮元素和磷元素；P型摻雜，主要為鋁元素和硼元素，它們的電離能和溶解極限見(jiàn)表1（注：hexagonal (h) and cubic (k)）。

▲表1. SiC中主要摻雜劑的電離能和溶解極限

圖1是SiC和Si中主要摻雜元素的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度變化圖。摻雜元素在硅中的擴(kuò)散系數(shù)較高，所以在1300℃左右就可以實(shí)現(xiàn)高溫?cái)U(kuò)散摻雜。與硅中擴(kuò)散系數(shù)相比，磷、鋁、硼和氮元素在碳化硅中的擴(kuò)散系數(shù)都很低，因此碳化硅中需要2000℃以上的溫度才能得到合理的擴(kuò)散系數(shù)。高溫?cái)U(kuò)散會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，如引入多種擴(kuò)散缺陷會(huì)惡化器件的電學(xué)性能，無(wú)法使用常見(jiàn)的光刻膠作掩膜等等，所以離子注入工藝成為了碳化硅摻雜的唯一選擇。

▲圖1. SiC和Si中主要摻雜雜質(zhì)的擴(kuò)散常數(shù)對(duì)比圖

在離子注入過(guò)程中，離子因?yàn)榕c襯底晶格原子碰撞逐漸失去能量，同時(shí)會(huì)將能量轉(zhuǎn)移給碰撞原子。這些轉(zhuǎn)移的能量會(huì)使碰撞原子從晶格的束縛能中釋放出來(lái)。這些獲得自由的原子在襯底內(nèi)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，并會(huì)與其他的晶格原子繼續(xù)碰撞，將其他原子從晶格中碰離出來(lái)。這些過(guò)程將持續(xù)進(jìn)行，直到?jīng)]有任何一個(gè)自由原子有足夠的能量把其他晶格原子釋放出來(lái)為止。

因?yàn)殡x子注入過(guò)程中離子總數(shù)非常大，以至于襯底中靠近表面部分造成大量的晶格損傷，損傷的效應(yīng)與劑量、能量等離子注入參數(shù)有關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)會(huì)隨著劑量與離子能量的增大而增大。如果注入的劑量過(guò)高，靠近襯底表面的離子射程內(nèi)，襯底的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)完全破壞而變成非晶態(tài)。這種晶格損傷必須在退火過(guò)程中修復(fù)成單晶結(jié)構(gòu)并激活摻雜物。

在高溫退火過(guò)程中，原子可以從熱能中獲得能量并進(jìn)行快速熱運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)到單晶晶格位置中具有最低自由能，它就會(huì)停留在此位置。所以被破壞的非晶態(tài)中的碳化硅與摻雜原子，將在靠近襯底界面位置，通過(guò)落入晶格位置并且被晶格能束縛后完成了單晶結(jié)構(gòu)構(gòu)建。這樣晶格修復(fù)和提高激活率是在退火過(guò)程中同時(shí)完成的。

有研究報(bào)道了在SiC中摻雜元素的激活率與退火溫度的關(guān)系（圖2a）。其中外延層和襯底均為N型，在外延層上分別注入氮、磷元素，注入深度0.4μm，總注入劑量為1×1014cm-2。從圖2a可以看出氮元素在1400℃退火后激活率小于10%，在1600℃退火可以達(dá)到90%的激活率。磷元素的情況類(lèi)似，只有退火溫度達(dá)到1600℃時(shí)，激活率才能達(dá)到90%。

▲圖2a. SiC中不同退火溫度下，不同元素的電激活率

對(duì)于P型的離子注入工藝，由于硼元素的異常擴(kuò)散效應(yīng)，一般都使用鋁元素作為摻雜劑。和N型注入類(lèi)似，當(dāng)退火溫度達(dá)到1600℃，可以顯著提高鋁元素的激活率。但Negoro等人研究發(fā)現(xiàn)，即使在500℃下高溫離子注入鋁元素，測(cè)量到的方阻在3000Ω/square達(dá)到飽和（圖2b），即使繼續(xù)加大注入劑量，方阻也沒(méi)有進(jìn)一步降低，這說(shuō)明鋁元素已經(jīng)不再電離。所以目前使用離子注入制作P型重?fù)诫s在工藝上還是一個(gè)挑戰(zhàn)。

▲圖2b.SiC中不同元素的電激活率與注入劑量的關(guān)系

摻雜元素的結(jié)深和摻雜濃度是離子注入工藝最要的因素，它直接決定了后續(xù)器件的電學(xué)性能，必須要嚴(yán)格控制。二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）可以用來(lái)測(cè)量離子注入后的摻雜元素的結(jié)深和摻雜濃度。

來(lái)源：半導(dǎo)體信息

審核編輯：湯梓紅