離子注入是一種向半導(dǎo)體材料內(nèi)加入一定數(shù)量和種類的雜質(zhì)，以改變其電學(xué)性能的方法，可以精確控制摻入的雜質(zhì)數(shù)量和分布情況。

一為什么采用離子注入工藝

在功率半導(dǎo)體器件制造中，傳統(tǒng)硅晶圓的P/N區(qū)摻雜可以采用擴(kuò)散方式實(shí)現(xiàn)。但碳化硅中雜質(zhì)原子的擴(kuò)散常數(shù)極低，因此用擴(kuò)散工藝實(shí)現(xiàn)選擇性摻雜是不現(xiàn)實(shí)的，如圖1所示。另一方面，離子注入的溫度條件相對(duì)擴(kuò)散工藝較低，同時(shí)可形成更加靈活和準(zhǔn)確的摻雜分布。

圖1? 碳化硅材料中，擴(kuò)散和離子注入摻雜技術(shù)對(duì)比

二如何實(shí)現(xiàn)碳化硅離子注入

碳化硅工藝制造過程中使用的典型高能離子注入設(shè)備主要由離子源、等離子體、吸出組件、分析磁體、離子束、加速管、工藝腔和掃描盤組成，如圖2所示。

圖2??碳化硅高能離子注入設(shè)備示意圖

（來源：《半導(dǎo)體制造技術(shù)》）

SiC離子注入通常在高溫下進(jìn)行，可以最大限度地減少離子轟擊對(duì)晶格的破壞。對(duì)于4H-SiC晶圓，制作N型區(qū)域通常選用注入氮和磷離子實(shí)現(xiàn)，制作P型區(qū)域通常選用注入鋁離子和硼離子實(shí)現(xiàn)。

表1.?SiC器件制作選擇性摻雜示例

（來源：Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications）

圖3??多步能量離子注入與晶圓表面摻雜濃度分布對(duì)比

（來源：G.Lulli, Introduction To Ion Implantation）

為達(dá)到離子注入?yún)^(qū)域摻雜濃度均勻的目的，工程師們通常采用多步離子注入的方式調(diào)整注入?yún)^(qū)域的整體濃度分布（如圖3所示）；在實(shí)際工藝制造過程中，通過調(diào)節(jié)離子注入機(jī)的注入能量和注入劑量，可以控制離子注入?yún)^(qū)域的摻雜濃度和摻雜深度，如圖4.（a）和（b）所示；離子注入機(jī)在工作中通過在晶圓表面多次掃描方式對(duì)晶圓表面進(jìn)行均勻離子注入，如圖4.（c）所示。

（c）離子注入過程中離子注入機(jī)的移動(dòng)軌跡

圖4? 在離子注入過程中，通過調(diào)節(jié)離子注入能量和劑量來控制雜質(zhì)濃度和深度

三碳化硅離子注入激活退火工藝

離子注入的濃度、分布區(qū)域、激活率、體內(nèi)和表面的缺陷等是離子注入工藝的主要參數(shù)，影響這些參數(shù)結(jié)果的因素很多，有注入劑量、能量、材料的晶向、注入溫度、退火溫度、退火時(shí)間、環(huán)境等。與硅離子注入摻雜不同，碳化硅離子注入摻雜后，其雜質(zhì)依舊很難完全電離，以4H-SiC中性區(qū)域內(nèi)鋁受主電離率為例，在1×1017cm-3摻雜濃度下，室溫下只有約15%的受主電離率（通常硅的電離率近似為100%）。為達(dá)到高激活率和較少缺陷的目標(biāo)，離子注入后會(huì)采用高溫退火工序使注入時(shí)產(chǎn)生的無定形缺陷再結(jié)晶，使注入原子進(jìn)入替代位并激活，如圖5所示。目前，人們對(duì)退火過程機(jī)理的認(rèn)識(shí)還有限，對(duì)退火過程的控制和深入了解是未來離子注入的研究重點(diǎn)之一。

圖5??離子注入退火前后，碳化硅離子注入?yún)^(qū)域表面的原子排布變化示意圖，其中Vsi代表硅空位，VC代表碳空位，Ci代表碳填充原子，Sii代表硅填充原子

離子激活退火一般有爐管退火、快速退火和激光退火等。由于SiC材料中Si原子的升華，一般退火溫度不超過1800℃；退火氛圍一般在惰性氣體或真空中進(jìn)行。不同的離子在SiC中造成不同的缺陷中心，需要不同的退火溫度。從大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，可以得出退火溫度越高、激活率越高的結(jié)論（如圖6所示）。

圖6??退火溫度對(duì)SiC中氮或磷注入（室溫條件下）的電激活率的影響

（總注入劑量1×1014cm-2）

（來源：Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications）

目前常用碳化硅離子注入后激活退火工藝在1600℃~1700℃溫度下的Ar氛圍中進(jìn)行，使SiC表面再結(jié)晶并激活摻雜劑，提高摻雜區(qū)域的導(dǎo)電特性；退火前可在晶圓表面涂敷一層碳膜進(jìn)行表面保護(hù)，減小Si脫附和表面原子遷移導(dǎo)致的表面退化，如圖7所示；退火完成后，碳膜可以通過氧化或腐蝕方式去除。

圖7??1800℃退火溫度條件下，4H-SiC晶圓是否采用碳膜保護(hù)的表面粗糙度對(duì)比

（來源：Kimoto, Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices, and Applications）

四碳化硅離子注入和激活退火工藝帶來的影響

離子注入和隨后的激活退火依舊不可避免地會(huì)產(chǎn)生降低器件性能的缺陷：復(fù)雜的點(diǎn)狀缺陷、堆垛層錯(cuò)（如圖8所示）、新的位錯(cuò)、淺或深能級(jí)缺陷、基面位錯(cuò)環(huán)和現(xiàn)有位錯(cuò)的移動(dòng)。由于高能離子轟擊過程會(huì)對(duì)碳化硅晶圓產(chǎn)生應(yīng)力作用，高溫高能離子注入工藝會(huì)增大晶圓翹曲度。這些問題也成為碳化硅離子注入和退火工藝制造環(huán)節(jié)中亟需優(yōu)化和研究的方向。

圖8 ?正常4H-SiC晶格排列和不同堆垛層錯(cuò)的對(duì)比示意圖

（來源：Nicol??Piluso?4H-SiC Defects）

五碳化硅離子注入工藝改進(jìn)

（1）在離子注入?yún)^(qū)域表層保留一層薄氧化膜，減小高能離子注入對(duì)碳化硅外延表層造成注入損傷的程度，如圖9.（a）所示。

（2）提高離子注入設(shè)備內(nèi)靶盤質(zhì)量，使晶圓與靶盤的貼合度更緊密，靶盤向晶圓的熱傳導(dǎo)性能更好，使設(shè)備對(duì)晶圓背面的加熱效果更均勻，提高在碳化硅晶圓上進(jìn)行高溫高能離子注入的質(zhì)量，如圖9.（b）所示。

（3）優(yōu)化高溫退火設(shè)備工作過程中溫度上升的速率和溫度均勻性。

圖9??改進(jìn)離子注入工藝的方法

審核編輯：湯梓紅