碳化硅（SiC）離子注入

半導體工藝與設備 2025-02-11 10:18

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離子注入在 SiC 器件制造工藝中占據著舉足輕重的地位。借助離子注入技術，能夠實現對 n 型區域與 p 型區域導電性的精準把控。接下來，本文將對離子注入工藝及其注意要點展開簡要闡述。

SiC 材料的雜質原子擴散系數極小，這使得傳統的熱擴散工藝難以用于制造含有施主和受主等摻雜原子的器件結構（如形成 pn 結）。因此，基于離子注入工藝的摻雜技術成為了 SiC 器件制造的關鍵手段。在 SiC 中進行離子注入時，對于 n 型區域，通常選用氮（N）或磷（P）作為施主元素，這兩種元素易于實現低電阻化；而對于 p 型區域，一般采用鋁（Al）作為受主元素。

值得注意的是，用于 Al 離子注入的原料多為固體，若要穩定地實現高濃度的 Al 離子注入，就需要掌握大量專業技術知識。通過離子注入，SiC 無論是 n 型還是 p 型，都能夠獲得高濃度晶體，這為器件制作帶來了顯著優勢。在向 SiC 注入離子時，所采用的加速電壓一般在數百 kV 左右，相應的離子注入區域深度約為數百 nm，相對較淺。

在 SiC 材料中，即便經歷高溫工序，注入后的摻雜元素濃度在深度方向上的分布基本維持不變。基于這些特性，我們可以通過精心設計離子注入工藝，來獲取具備所需特性的器件結構。此外，在進行高濃度離子注入時，需要格外謹慎。當注入量過大時，SiC 晶體可能會遭到嚴重損壞，甚至無法維持原有的晶體結構，并且在后續工藝過程中，還可能因加速氧化或過度升華等問題而出現阻礙。以形成低電阻的 p 型接觸區時所需的高濃度 Al 離子注入為例，通過提升晶圓溫度進行離子注入，能夠有效抑制因注入損傷導致的 SiC 晶體多結晶化和非結晶化現象。另外，有研究表明，在相對較低的溫度下，也能對抑制高濃度離子注入對晶體造成的損傷起到一定效果。

離子注入完成后，高能量的注入離子會在晶體中產生大量微小缺陷，并且注入的原子未能恰當地占據晶格位置，這使得注入區域的電阻偏高。對于經過離子注入的 SiC 晶圓，通常需要在惰性氣體氣氛中進行高溫（一般為 1700℃以上）激活退火處理，以此來形成 p 型和 n 型的低電阻區域。在 SiC 器件制造流程中，離子注入和激活退火處于晶圓制造的早期階段，這是因為激活退火是整個過程中所需溫度最高的環節。

SiC 的激活退火需在高溫環境下進行，若不采取有效措施，其表面平整度將會下降。由于器件結構是在 SiC 外延晶圓表面的淺層區域形成，所以必須在不降低表面平整度的前提下完成激活退火。在激活退火過程中，一般會使用碳形成的薄膜作為表面保護膜，以維持 SiC 表面的平坦。關于碳保護膜的形成方法，已有多種工藝被報道，例如將樹脂涂覆在表面并高溫硬化，或是采用濺射法沉積碳膜等。三菱電機更是開發出一種獨特的 CVD 方法，能夠確保均勻性和高純度，從而形成適合高溫退火的碳保護膜。

作為參考，以下介紹幾種離子注入與激活退火后 SiC 表面的形態。圖 1 展示的是在不同溫度下進行高濃度 Al 注入，激活退火后 SiC 表面的形狀。圖 1 和圖 2 分別對應將 SiC 晶圓溫度設定為 150℃、200℃進行 Al 注入的結果。在 150℃時，表面呈現多晶化；而在 200℃時，SiC 晶體得以保持，并形成階梯狀。這表明，在 200℃進行注入時，注入引發的結晶崩塌在離子注入過程中得到了一定程度的恢復。

圖 1：150℃進行高濃度 Al 離子注入

圖 2：200℃進行高濃度 Al 離子注入.png

圖 3 和圖 4 呈現的是有無 CVD 法形成的碳保護膜時，激活退火后 SiC 表面的 AFM 圖像。在沒有碳保護膜的情況下，SiC 表面形成了高度為 20 - 50nm 的大臺階，平坦性明顯惡化。表面的凹凸不平會對元件特性產生影響，例如可能導致 MOSFET 的柵極氧化膜出現漏電流，進而引發失效。相反，采用保護膜進行激活退火，能夠得到 RMS（均方根）值達 0.3nm 的平坦表面。CVD 保護膜幾乎不存在針孔等宏觀缺陷，可形成極為良好的表面。此外，通過熱氧化、氧等離子照射等方式，能夠輕松去除碳保護膜。

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

由于晶體原子排列具有規律性，當沿著晶體軸向進行離子注入時，離子會沿著該方向注入到較深位置（即溝道注入）。基于這一現象，研究人員嘗試在較深區域形成 pn 結的柱狀結構，以制造 SiC 的 SJ MOSFET（超結 MOSFET）。Si 基 SJ MOSFET 已實現產品化，并展現出大幅降低導通電阻的性能優勢，然而 SiC 的 SJ MOSFET 仍處于研究開發階段。在溝道注入過程中，需要精確控制離子束方向與晶體軸方向保持一致，這其中還存在諸多技術難題。但倘若能夠成功實現基于 SiC 的 SJ MOSFET，尤其是高耐壓 MOSFET，其性能將得到顯著提升，因此該技術的研發進展備受關注。

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