統(tǒng)的硅功率器件工藝中，高溫擴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。一般來說，高溫擴散工藝簡單，設備便宜，摻雜分布輪廓為等向性，且高溫擴散工藝引入的晶格損傷低。離子注入工藝復雜且設備昂貴，但它可獨立控制摻雜元素的濃度和結深，雖然也會給襯底引入大量的點缺陷和擴展缺陷。

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)）。

▲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散系數(shù)隨溫度變化圖。摻雜元素在硅中的擴散系數(shù)較高，所以在1300℃左右就可以實現(xiàn)高溫擴散摻雜。與硅中擴散系數(shù)相比，磷、鋁、硼和氮元素在碳化硅中的擴散系數(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散系數(shù)。高溫擴散會帶來很多問題，如引入多種擴散缺陷會惡化器件的電學性能，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。

▲圖1. SiC和Si中主要摻雜雜質的擴散常數(shù)對比圖

在離子注入過程中，離子因為與襯底晶格原子碰撞逐漸失去能量，同時會將能量轉移給碰撞原子。這些轉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繼續(xù)運動，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。

因為離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，損傷的效應與劑量、能量等離子注入?yún)?shù)有關系，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，襯底的晶體結構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成單晶結構并激活摻雜物。

在高溫退火過程中，原子可以從熱能中獲得能量并進行快速熱運動。當運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構構建。這樣晶格修復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℃退火可以達到90%的激活率。磷元素的情況類似，只有退火溫度達到1600℃時，激活率才能達到90%。

▲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散效應，一般都使用鋁元素作為摻雜劑。和N型注入類似，當退火溫度達到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達到飽和（圖2b），即使繼續(xù)加大注入劑量，方阻也沒有進一步降低，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型重摻雜在工藝上還是一個挑戰(zhàn)。

▲圖2b.SiC中不同元素的電激活率與注入劑量的關系

摻雜元素的結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)器件的電學性能，必須要嚴格控制。二次離子質譜儀（SIMS）可以用來測量離子注入后的摻雜元素的結深和摻雜濃度。

來源：半導體信息

審核編輯：湯梓紅