2022-05-12 10:36:23
在傳統(tǒng)的Si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)講，高溫?cái)U(kuò)散工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備便宜，摻雜分布輪廓是等向性的，并且高溫?cái)U(kuò)散工藝引入的晶格損傷低。而離子注入工藝復(fù)雜設(shè)備昂貴，但是它可以獨(dú)立控制摻雜元素的濃度和結(jié)深，雖然它也會(huì)給襯底引入大量的點(diǎn)缺陷和擴(kuò)展缺陷。
SiC功率器件摻雜工藝中，常用的摻雜元素有：N型摻雜，氮(N)元素和磷(P)元素；P型摻雜，鋁(Al)元素和硼(B)元素，它們的電離能和溶解極限請(qǐng)見(jiàn)表1.
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[1]。摻雜元素在Si中的擴(kuò)散系數(shù)比較高，所以在1200℃左右就可以實(shí)現(xiàn)高溫?cái)U(kuò)散摻雜。與Si中擴(kuò)散系數(shù)相比，鋁元素、硼元素和氮元素在SiC中的擴(kuò)散系數(shù)都很低，圖1沒(méi)有列出SiC中磷(P)元素的擴(kuò)散系數(shù)，有報(bào)道在2200℃下磷的擴(kuò)散系數(shù)為4.18*10-19 cm2/s[2]。所以SiC中需要2000℃以上的極高溫度才能得到合理的擴(kuò)散系數(shù)，而如此的高溫?cái)U(kuò)散會(huì)帶來(lái)多種問(wèn)題：高溫引入多種擴(kuò)散缺陷會(huì)惡化器件的電學(xué)性能，無(wú)法使用常見(jiàn)的光刻膠作為掩膜等。所以離子注入工藝成為了SiC摻雜的唯一選擇。
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[3]。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?yún)?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熱退火過(guò)程中修復(fù)成單晶結(jié)構(gòu)并激活摻雜物。
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)和提高電激活率是在退火過(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，請(qǐng)見(jiàn)圖2。其中外延層和襯底均為N型，在外延層上分別注入氮元素和磷元素，注入深度0.4微米，總注入劑量為1*1014cm-2,摻雜原子濃度為2*1018cm-3。從圖2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)到激活率90%。磷元素的情況類(lèi)似，只有退火溫度達(dá)到1600℃時(shí)，電激活率才能達(dá)到90% [4]。
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[3]。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?yún)?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熱退火過(guò)程中修復(fù)成單晶結(jié)構(gòu)并激活摻雜物。
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)和提高電激活率是在退火過(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，請(qǐng)見(jiàn)圖2。其中外延層和襯底均為N型，在外延層上分別注入氮元素和磷元素，注入深度0.4微米，總注入劑量為1*1014cm-2,摻雜原子濃度為2*1018cm-3。從圖2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)到激活率90%。磷元素的情況類(lèi)似，只有退火溫度達(dá)到1600℃時(shí)，電激活率才能達(dá)到90% [4]。
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)譜分析(SIMS)和擴(kuò)散電阻探針技術(shù)(SRP)，都可以用來(lái)測(cè)量離子注入后的摻雜元素的結(jié)深和摻雜濃度。SIMS測(cè)試的是元素濃度分布，與該元素是否被激活無(wú)關(guān)；SRP技術(shù)測(cè)試的就是激活后的雜質(zhì)對(duì)電阻的影響，更能直接反應(yīng)出激活后的雜質(zhì)的電學(xué)特性?？紤]到SiC中尤其是鋁元素在重?fù)诫s中只有部分被激活，所以SRP技術(shù)更適合測(cè)試離子注入后的摻雜元素的結(jié)深和摻雜濃度。
針對(duì)該應(yīng)用，SEMILAB公司推出了SRP-2100i設(shè)備。該設(shè)備內(nèi)置了樣品的研磨角裝置和自動(dòng)對(duì)齊樣品放置的視覺(jué)系統(tǒng)，提供了前所未有的自動(dòng)化水平，使數(shù)據(jù)更易于獲取減少了對(duì)操作者的依賴(lài)；同時(shí)該設(shè)備還引入了PCIV技術(shù)來(lái)克服4H-SiC的高肖特基勢(shì)壘的問(wèn)題。SRP-2100i設(shè)備的實(shí)物圖和測(cè)量原理示意圖見(jiàn)圖4。
SRP是破壞性測(cè)試方法需要裂片來(lái)完成測(cè)試，量產(chǎn)線(xiàn)中不能用該方法作為在線(xiàn)監(jiān)控手段。但是考慮到SiC的高禁帶帶寬、高肖特基勢(shì)壘和高硬度特點(diǎn)，Si行業(yè)普遍使用的探針?lè)ê蚐EMILAB公司開(kāi)發(fā)的非接觸光學(xué)調(diào)制反射法（PMR）等檢測(cè)手段都無(wú)法使用。所以目前量產(chǎn)的工廠中，沒(méi)有在線(xiàn)監(jiān)控離子注入工藝后的SiC產(chǎn)品片，而是使用Si片來(lái)監(jiān)控離子注入的工藝穩(wěn)定性。通過(guò)定期測(cè)試離子注入并退火后的Si片的表面方阻(Rs)，來(lái)進(jìn)行日常監(jiān)控從而確定SPC的控制范圍。表面方阻(Rs)的測(cè)試的方法有四探針?lè)?4PP)和結(jié)光電壓法(JPV)，四探針?lè)ㄐ枰结樅凸杵砻娼佑|，但是操作和校準(zhǔn)都很簡(jiǎn)單；結(jié)光電壓法不需要和硅片表面接觸，但是需要使用四探針的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)完成校準(zhǔn)。兩種測(cè)試方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，SEMILAB公司的RT-2201設(shè)備把兩種測(cè)試技術(shù)集成在了同一個(gè)探頭內(nèi)，可以更方便用戶(hù)來(lái)自由切換。圖5是RT-2201設(shè)備圖和兩種測(cè)試方法對(duì)比的相關(guān)性數(shù)據(jù)。
如上文所述，對(duì)于N型和P型的SiC離子注入工藝，后續(xù)退火溫度需要1600℃以上。但是如此高溫下SiC表面會(huì)發(fā)生Si析出使表面石墨化，使得表面變得粗糙，導(dǎo)致后續(xù)工藝無(wú)法進(jìn)行。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：用合適的材料覆蓋離子注入表面后再進(jìn)行退火，可以有效地抑制這一現(xiàn)象。表面覆蓋SiO2, Si3N4, 碳等薄膜都可以改善高溫退火帶來(lái)的表面粗糙化問(wèn)題。在這些薄膜中碳薄膜改善效果最好，并在SiC功率器件量產(chǎn)線(xiàn)中得到應(yīng)用。
SiC樣品經(jīng)過(guò)磷元素離子注入，分別在有碳膜覆蓋和無(wú)碳膜覆蓋情況下完成1600℃高溫退火工藝，測(cè)試的表面粗糙度數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖6。在注入劑量1.0*1015-6.0*1016cm-2范圍內(nèi)，在有碳膜保護(hù)的情況下，粗糙度rms比無(wú)碳膜保護(hù)情況下改善了8-16倍[6]。
碳膜覆蓋層一般使用PVD方法生長(zhǎng)，厚度一般取決于退火時(shí)間，現(xiàn)在器件量產(chǎn)線(xiàn)中的碳膜厚度為50-100nm。退火完成后，碳膜層可以通過(guò)等離子體等工藝去除。目前碳膜厚度的監(jiān)控手段為全光譜橢偏儀。
對(duì)于全光譜橢偏儀最常見(jiàn)的可見(jiàn)光范圍(300-900nm)來(lái)說(shuō)，SiC襯底的透過(guò)率很高。因?yàn)槠胀E偏儀的光斑為~1mm量級(jí)，SiC襯底厚度只有350um左右，入射光會(huì)穿透襯底在襯底背面進(jìn)行二次反射，該二次反射光會(huì)干擾上表面的反射光。為了保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，需要減小橢偏儀光斑的尺寸。
SEMILAB公司推出的最新一代uSE2200 全光譜橢偏儀光斑只有40um，并且成功開(kāi)發(fā)出了針對(duì)碳膜的光學(xué)模型[7]，成為了SiC器件工廠在線(xiàn)監(jiān)控碳膜層厚度的重要工具。圖7是該設(shè)備的實(shí)物圖和SiC襯底上9點(diǎn)碳膜厚度mapping圖。
