离子注入是SiC器件制造的重要工艺之一。通过离子注入，可以实现对n型区域和p型区域导电性控制。本文简要介绍离子注入工艺及其注意事项。
SiC的杂质原子扩散系数非常小，因此无法利用热扩散工艺制造施主和受主等掺杂原子的器件结构（形成pn结）。因此，SiC器件的制造采用了基于离子注入工艺的掺杂技术：在SiC中进行离子注入时，对于n型区域通常使用氮（N）或磷（P），这是容易低电阻化的施主元素，而对于p型区域则通常使用铝（Al）作为受主元素。另外，用于Al离子注入的原料通常是固体，要稳定地进行高浓度的Al离子注入，需要很多专业技术知识。SiC通过离子注入，n型、p型均可获得高浓度晶体，在器件制作方面具有很大优势。
向SiC注入离子时的加速电压一般使用数百kV左右，对应的离子注入区域的深度为数百nm，比较浅。在SiC中，即使经过高温工序，注入后的掺杂元素浓度在深度方向的分布也几乎保持不变。考虑到这些因素，通过设计离子注入工艺以获得所需特性的器件结构。另外，在进行高浓度的离子注入时，需要特别的考虑。当注入量大时，SiC的晶体可能会损坏到不能维持原来晶体结构的程度，并且在后续工艺中可能会因加速氧化或过度升华等而出现障碍。当需要高浓度的Al离子注入时，例如在形成低电阻的p型接触区时，通过提高晶圆的温度进行离子注入，能够大幅抑制注入损伤引起的SiC晶体的多结晶化、非结晶化。另外，关于抑制高浓度离子注入对结晶造成的损伤，已知在比较低的温度下能够有效果。
在进行离子注入后，高能量的注入离子在晶体中形成了很多微小缺陷，另外，注入的原子没有适当地占据晶格位置，因此注入区域的电阻较高。对于进行离子注入的SiC晶圆，通过在惰性气体气氛中进行高温（通常为1700℃以上）激活退火，形成p型、n型的低电阻区域。SiC器件制造过程中，离子注入和激活退火发生在晶圆制造过程的早期，因为激活退火是需要最高温度的过程。
SiC的激活退火是在高温下进行的，如果不采取措施，表面的平整度会下降。由于器件结构形成在SiC外延晶圆表面的浅层区域，因此需要在不牺牲表面平整度的情况下进行激活退火。在激活退火过程中，通常使用碳形成的薄膜作为表面保护膜，以保持SiC表面平坦。关于碳保护膜的形成方法，报道了多种工艺，包括将树脂涂在表面并高温硬化，采用溅射法沉积碳膜等，三菱电机开发了一种独特的CVD方法，保证均匀性和高纯度，形成适合高温退火的碳保护膜。
作为参考，下面介绍几种离子注入、激活退火后SiC表面的形状。图1显示的是改变温度进行高浓度的Al注入，激活退火后SiC表面的形状。图1、图2分别是将SiC晶圆的温度设定为150℃、200℃进行Al注入的结果。在150℃中，表面呈多晶化，与此相对，200℃时SiC的晶体得以保持并形成阶梯状。这表明，通过在200℃注入，注入引起的结晶崩塌，在离子注入过程中得到了一定程度上的恢复。
图1：150℃进行高浓度Al离子注入，激活退火后的SiC表面照片
图2：200℃进行高浓度Al离子注入，激活退火后的SiC表面照片
图3和图4表示的是，有和没有CVD法形成的碳保护膜，激活退火后SiC表面的AFM图像。在没有碳保护膜的情况下，SiC的表面形成了20~50nm高度的大台阶，平坦性劣化。表面凹凸会影响元件的特性，例如会导致MOSFET的栅极氧化膜发生失效的漏电流。另一方面，采用保护膜进行激活退火，可得到RMS（rooted mean square）值达0.3nm的平坦表面。CVD保护膜中几乎不存在针孔等宏观缺陷，可以得到非常良好的表面。另外，通过热氧化、氧等离子照射等，可以容易地去除碳保护膜。
图3：无碳保护膜，激活退火后SiC表面的AFM图像
图4：有碳保护膜，激活退火后SiC表面的AFM图像
由于晶体原子有规律地排列，因此在晶体轴向进行离子注入时，离子沿着该方向注入到深处（沟道注入）。利用该现象，在较深的区域形成pn结的柱状结构，并尝试制造SiC的SJ MOSFET（Super Junction MOSFET）。Si基SJ MOSFET已经产品化，显示出能够大幅度降低导通电阻，但是在SiC中还处于研究开发的阶段。在沟道注入中，需要严密地使离子束的方向与晶体轴的方向一致等，还有很多技术课题，但是，如果能够实现基于SiC的SJ MOSFET，特别是高耐压MOSFET，能够大幅度地提高性能，因此开发的进展备受期待。
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三菱电机创立于1921年，是全球知名的综合性企业。截止2024年3月31日的财年，集团营收52579亿日元（约合美元348亿）。作为一家技术主导型企业，三菱电机拥有多项专利技术，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场，三菱电机从事开发和生产半导体已有68年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。
文章来源：三菱电机半导体