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碳化硅離子注入和退火工藝介紹

芯長征科技 ? 來源:半導(dǎo)體信息 ? 2023-12-22 09:41 ? 次閱讀
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統(tǒng)的硅功率器件工藝中,高溫擴(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)。一般來說,高溫擴(kuò)散工藝簡單,設(shè)備便宜,摻雜分布輪廓為等向性,且高溫擴(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表1(注:hexagonal (h) and cubic (k))。

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▲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)高溫擴(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)。高溫擴(kuò)散會帶來很多問題,如引入多種擴(kuò)散缺陷會惡化器件的電學(xué)性能,無法使用常見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。

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

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

因?yàn)殡x子注入過程中離子總數(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?yún)?shù)有關(guān)系,一般來說會隨著劑量與離子能量的增大而增大。如果注入的劑量過高,靠近襯底表面的離子射程內(nèi),襯底的晶體結(jié)構(gòu)會完全破壞而變成非晶態(tài)。這種晶格損傷必須在退火過程中修復(fù)成單晶結(jié)構(gòu)并激活摻雜物。

在高溫退火過程中,原子可以從熱能中獲得能量并進(jìn)行快速熱運(yùn)動。當(dāng)運(yùn)動到單晶晶格位置中具有最低自由能,它就會停留在此位置。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程中同時完成的。

有研究報道了在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。磷元素的情況類似,只有退火溫度達(dá)到1600℃時,激活率才能達(dá)到90%。

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圖2a. SiC中不同退火溫度下,不同元素的電激活率

對于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,方阻也沒有進(jìn)一步降低,這說明鋁元素已經(jīng)不再電離。所以目前使用離子注入制作P型重?fù)诫s在工藝上還是一個挑戰(zhàn)。

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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)可以用來測量離子注入后的摻雜元素的結(jié)深和摻雜濃度。

來源:半導(dǎo)體信息

審核編輯:湯梓紅

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原文標(biāo)題:碳化硅離子注入和退火工藝介紹

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