第9講：SiC的加工工藝（1）離子注入

離子注入是SiC器件制造的重要工藝之一。通過離子注入，可以實現(xiàn)對n型區(qū)域和p型區(qū)域?qū)щ娦钥刂?。本文簡要介紹離子注入工藝及其注意事項。

SiC的雜質(zhì)原子擴散系數(shù)非常小，因此無法利用熱擴散工藝制造施主和受主等摻雜原子的器件結(jié)構(gòu)（形成pn結(jié)）。因此，SiC器件的制造采用了基于離子注入工藝的摻雜技術(shù)：在SiC中進行離子注入時，對于n型區(qū)域通常使用氮（N）或磷（P），這是容易低電阻化的施主元素，而對于p型區(qū)域則通常使用鋁（Al）作為受主元素。另外，用于Al離子注入的原料通常是固體，要穩(wěn)定地進行高濃度的Al離子注入，需要很多專業(yè)技術(shù)知識。SiC通過離子注入，n型、p型均可獲得高濃度晶體，在器件制作方面具有很大優(yōu)勢。

向SiC注入離子時的加速電壓一般使用數(shù)百kV左右，對應的離子注入?yún)^(qū)域的深度為數(shù)百nm，比較淺。在SiC中，即使經(jīng)過高溫工序，注入后的摻雜元素濃度在深度方向的分布也幾乎保持不變。考慮到這些因素，通過設計離子注入工藝以獲得所需特性的器件結(jié)構(gòu)。另外，在進行高濃度的離子注入時，需要特別的考慮。當注入量大時，SiC的晶體可能會損壞到不能維持原來晶體結(jié)構(gòu)的程度，并且在后續(xù)工藝中可能會因加速氧化或過度升華等而出現(xiàn)障礙。當需要高濃度的Al離子注入時，例如在形成低電阻的p型接觸區(qū)時，通過提高晶圓的溫度進行離子注入，能夠大幅抑制注入損傷引起的SiC晶體的多結(jié)晶化、非結(jié)晶化。另外，關于抑制高濃度離子注入對結(jié)晶造成的損傷，已知在比較低的溫度下能夠有效果。

在進行離子注入后，高能量的注入離子在晶體中形成了很多微小缺陷，另外，注入的原子沒有適當?shù)卣紦?jù)晶格位置，因此注入?yún)^(qū)域的電阻較高。對于進行離子注入的SiC晶圓，通過在惰性氣體氣氛中進行高溫（通常為1700℃以上）激活退火，形成p型、n型的低電阻區(qū)域。SiC器件制造過程中，離子注入和激活退火發(fā)生在晶圓制造過程的早期，因為激活退火是需要最高溫度的過程。

SiC的激活退火是在高溫下進行的，如果不采取措施，表面的平整度會下降。由于器件結(jié)構(gòu)形成在SiC外延晶圓表面的淺層區(qū)域，因此需要在不犧牲表面平整度的情況下進行激活退火。在激活退火過程中，通常使用碳形成的薄膜作為表面保護膜，以保持SiC表面平坦。關于碳保護膜的形成方法，報道了多種工藝，包括將樹脂涂在表面并高溫硬化，采用濺射法沉積碳膜等，三菱電機開發(fā)了一種獨特的CVD方法，保證均勻性和高純度，形成適合高溫退火的碳保護膜。

作為參考，下面介紹幾種離子注入、激活退火后SiC表面的形狀。圖1顯示的是改變溫度進行高濃度的Al注入，激活退火后SiC表面的形狀。圖1、圖2分別是將SiC晶圓的溫度設定為150℃、200℃進行Al注入的結(jié)果。在150℃中，表面呈多晶化，與此相對，200℃時SiC的晶體得以保持并形成階梯狀。這表明，通過在200℃注入，注入引起的結(jié)晶崩塌，在離子注入過程中得到了一定程度上的恢復。

圖1：150℃進行高濃度Al離子注入，激活退火后的SiC表面照片

圖2：200℃進行高濃度Al離子注入，激活退火后的SiC表面照片

圖3和圖4表示的是，有和沒有CVD法形成的碳保護膜，激活退火后SiC表面的AFM圖像。在沒有碳保護膜的情況下，SiC的表面形成了20~50nm高度的大臺階，平坦性劣化。表面凹凸會影響元件的特性，例如會導致MOSFET的柵極氧化膜發(fā)生失效的漏電流。另一方面，采用保護膜進行激活退火，可得到RMS（rooted mean square）值達0.3nm的平坦表面。CVD保護膜中幾乎不存在針孔等宏觀缺陷，可以得到非常良好的表面。另外，通過熱氧化、氧等離子照射等，可以容易地去除碳保護膜。

圖3：無碳保護膜，激活退火后SiC表面的AFM圖像

圖4：有碳保護膜，激活退火后SiC表面的AFM圖像

由于晶體原子有規(guī)律地排列，因此在晶體軸向進行離子注入時，離子沿著該方向注入到深處（溝道注入）。利用該現(xiàn)象，在較深的區(qū)域形成pn結(jié)的柱狀結(jié)構(gòu)，并嘗試制造SiC的SJ MOSFET（Super Junction MOSFET）。Si基SJ MOSFET已經(jīng)產(chǎn)品化，顯示出能夠大幅度降低導通電阻，但是在SiC中還處于研究開發(fā)的階段。在溝道注入中，需要嚴密地使離子束的方向與晶體軸的方向一致等，還有很多技術(shù)課題，但是，如果能夠?qū)崿F(xiàn)基于SiC的SJ MOSFET，特別是高耐壓MOSFET，能夠大幅度地提高性能，因此開發(fā)的進展備受期待。

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三菱電機創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。截止2024年3月31日的財年，集團營收52579億日元（約合美元348億）。作為一家技術(shù)主導型企業(yè)，三菱電機擁有多項專利技術(shù)，并憑借強大的技術(shù)實力和良好的企業(yè)信譽在全球的電力設備、通信設備、工業(yè)自動化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機從事開發(fā)和生產(chǎn)半導體已有68年。其半導體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領域得到了廣泛的應用。