一文了解碳化硅（SiC）器件制造工艺
发布时间：2022-12-01
来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)
标签：罗姆ROHMSiC
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半导体产业的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照历史进程分为三代：第一代半导体材料主要是高纯度硅，目前被广泛使用；第二代化合物半导体材料包括砷化镓和磷化铟；第三代化合物半导体材料以碳化硅和氮化镓为代表。碳化硅因其出色的物理性能，如高禁带宽度、高电导率和高热导率，有望成为未来制作半导体芯片的主要材料之一。为了确保SiC器件的优质应用，本文将详细介绍SiC器件制造中的离子注入工艺和激活退火工艺。
离子注入是一种向半导体材料内部加入特定数量和种类的杂质，以改变其电学性能的方法，可以精确控制杂质的掺入量和分布情况。
为什么选择离子注入工艺
在功率半导体器件制造过程中，传统硅晶圆的P/N区掺杂可以通过扩散方式实现。然而，在碳化硅中，杂质原子的扩散速率非常低，因此采用扩散工艺实现选择性掺杂是不切实际的，如图1所示。另一方面，离子注入的温度条件相对较低，同时可以形成更加灵活和准确的掺杂分布。
实现碳化硅离子注入的方法
在碳化硅工艺制造过程中，典型的高能离子注入设备主要由离子源、等离子体、吸出组件、分析磁体、离子束、加速管、工艺腔和扫描盘等组成，如图2所示。
SiC离子注入通常在高温条件下进行，以最大程度减少离子轰击对晶格的损坏。对于4H-SiC晶圆，制作N型区域通常采用氮和磷离子注入，而制作P型区域则选择铝和硼离子注入。
表1展示了SiC器件制造中选择性掺杂的示例。
为了实现离子注入区域掺杂浓度的均匀分布，工程师们通常采用多步离子注入的方法来调整注入区域的整体浓度分布（如图3所示）。在实际的工艺制造过程中，通过调节离子注入机的注入能量和剂量，可以控制离子注入区域的掺杂浓度和深度，如图4（a）和（b）所示。离子注入机通过在晶圆表面多次扫描的方式进行均匀离子注入，如图4（c）所示。
三、碳化硅离子注入激活退火工艺
离子注入的浓度、分布区域、激活率以及体内和表面的缺陷等是离子注入工艺的主要参数。这些参数受许多因素的影响，包括注入剂量、能量、材料的晶向、注入温度、退火温度、退火时间和环境等。与硅离子注入掺杂不同，碳化硅离子注入掺杂后，杂质很难完全电离。以4H-SiC中性区域内铝作为例子，在1×1017cm-3的掺杂浓度下，室温下只有约15%的受主电离率（通常硅的电离率近似为100%）。为了实现高激活率和减少缺陷的目标，离子注入后会进行高温退火工序，使注入时形成的无定形缺陷重新结晶，并使注入原子进入替代位并激活，如图5所示。目前，对于退火过程机理的认识还有限，因此对退火过程的控制和深入了解将成为未来离子注入研究的重点之一。
图5显示了碳化硅离子注入区域在退火前后的原子排布变化，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。
离子激活退火有多种方法，包括炉管退火、快速退火和激光退火等。由于SiC材料中Si原子的升华，通常退火温度不超过1800℃；退火一般在惰性气体或真空环境中进行。不同的离子在SiC中产生不同的缺陷中心，因此需要不同的退火温度。根据大多数实验结果，可以得出随着退火温度的升高，激活率也会增加（如图6所示）。
（总注入剂量1×1014cm-2）
目前，常用的碳化硅离子注入后激活退火工艺在1600℃~1700℃的Ar氛围中进行，以使SiC表面再结晶并激活掺杂剂，提高掺杂区域的导电特性。在退火之前，可以在晶圆表面涂敷一层碳膜作为保护层，减小Si脱附和表面原子迁移导致的表面退化（如图7所示）。退火完成后，可以通过氧化或腐蚀的方式去除碳膜。
四、碳化硅离子注入和激活退火工艺的影响
离子注入和随后的激活退火过程不可避免地会引起一些降低器件性能的缺陷，包括复杂的点状缺陷、堆垛层错（如图8所示）、新的位错、浅或深能级缺陷以及基面位错环和现有位错的移动。由于高能离子轰击过程对碳化硅晶圆产生应力作用，高温高能离子注入工艺会增大晶圆的翘曲度。这些问题需要在碳化硅离子注入和退火工艺制造中进行优化和研究。
五、改进碳化硅离子注入工艺
（1）保留离子注入区域表面的薄氧化膜，减小高能离子注入对碳化硅外延表层损伤的程度（如图9（a）所示）。
（2）提高离子注入设备中靶盘的质量，使晶圆与靶盘更紧密贴合，提高热传导性能，确保在碳化硅晶圆上进行高温高能离子注入的质量（如图9（b）所示）。
（3）优化高温退火设备中温度上升速率和温度均匀性。
总结：
碳化硅作为第三代半导体材料，在电力电子系统中具有重要的地位。碳化硅功率器件以其卓越的特性，如耐高压、耐高温和低损耗等，能够满足电力电子系统对高效率、小型化和轻量化的需求。在新能源汽车、光伏发电、轨道交通和智能电网等领域，碳化硅器件显示出明显的优势。通过本文介绍的制造工艺，读者能够更好地了解碳化硅器件的特点和制备过程。
关键词：罗姆SiC功率器件
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