半导体技术概论
介绍
集成电路是一种小而复杂的装置，实现多种电子功能。 它由两个主要部分组成:一个微小且非常脆弱的硅片(芯片)和一个封装主要在保护内部硅芯片并为用户提供实用的方法处理组件。 这篇笔记描述了各种“前端”和“后端”制造过程，并以晶体管为例，因为它使用MOS技术。 事实上，在电子公司生产的大多数集成电路都采用了这种技术。
半导体器件的制造
集成电路的制造阶段可分为两个步骤。 第一, 晶圆制造，是极其精密和复杂的制造工艺硅片。 二是装配，是对模具进行包装和老化的高度精确和自动化的过程。 这两个阶段通常被称为“前端”和“后端”。 他们包括两个测试步骤:晶圆探测和最终测试。
图1所示。 集成电路制造流程图
晶圆(前端) 略
全晶片探测测试 略
线焊接操作 略
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SiC离子注入和高温退火工艺及监控
在传统的Si功率器件工艺中，高温扩散和离子注入是最主要的掺杂控制方法，两者各有优缺点。一般来讲，高温扩散工艺简单，设备便宜，掺杂分布轮廓是等向性的，并且高温扩散工艺引入的晶格损伤低。而离子注入工艺复杂设备昂贵，但是它可以独立控制掺杂元素的浓度和结深，虽然它也会给衬底引入大量的点缺陷和扩展缺陷。
SiC功率器件掺杂工艺中，常用的掺杂元素有：N型掺杂，氮(N)元素和磷(P)元素；P型掺杂，铝(Al)元素和硼(B)元素，它们的电离能和溶解极限请见表1.
表1. SiC中常见掺杂元素的电离能和溶解极限
图1是SiC和Si中主要掺杂元素的扩散系数随温度变化图[1]。掺杂元素在Si中的扩散系数比较高，所以在1200℃左右就可以实现高温扩散掺杂。与Si中扩散系数相比，铝元素、硼元素和氮元素在SiC中的扩散系数都很低，图1没有列出SiC中磷(P)元素的扩散系数，有报道在2200℃下磷的扩散系数为4.18*10-19 cm2/s[2]。所以SiC中需要2000℃以上的极高温度才能得到合理的扩散系数，而如此的高温扩散会带来多种问题：高温引入多种扩散缺陷会恶化器件的电学性能，无法使用常见的光刻胶作为掩膜等。所以离子注入工艺成为了SiC掺杂的唯一选择。
图1. SiC和Si中主要掺杂杂质的扩散常数对比图
离子注入过程中，离子因为与衬底晶格原子碰撞逐渐失去能量，同时会将能量转移给碰撞原子。这些转移的能量会使碰撞原子从晶格的束缚能中释放出来。这些获得自由的原子在衬底内继续运动，并会与其他的晶格原子继续碰撞，将其他原子从晶格中碰离出来。这些过程将持续进行，直到没有任何一个自由原子有足够的能量把其他晶格原子释放出来为止[3]。因为离子注入过程中离子总数非常大，以至于衬底中靠近表面部分造成大量的晶格损伤，损伤的效应与剂量、能量等离子注入参数有关系，一般来说会随着剂量与离子能量的增大而增大。如果注入的剂量过高，靠近衬底表面的离子射程内，衬底的晶体结构会完全破坏而变成非晶态。这种晶格损伤必须在热退火过程中修复成单晶结构并激活掺杂物。
高温退火过程中，原子可以从热能中获得能量并进行快速热运动。当运动到单晶晶格位置中具有最低自由能，它就会停留在此位置。所以被破坏的非晶态中的碳化硅与掺杂原子，将在靠近衬底界面位置，通过落入晶格位置并且被晶格能束缚后完成了单晶结构构建。这样晶格修复和提高电激活率是在退火过程中同时完成的。
有研究报道了在SiC中掺杂元素的激活率与退火温度的关系，请见图2。其中外延层和衬底均为N型，在外延层上分别注入氮元素和磷元素，注入深度0.4微米，总注入剂量为1*1014cm-2,掺杂原子浓度为2*1018cm-3。从图2可以看出氮元素在1400℃退火后激活率小于10%；在1600℃退火可以达到激活率90%。磷元素的情况类似，只有退火温度达到1600℃时，电激活率才能达到90% [4]。
图2. SiC中不同退火温度下，氮元素和磷元素的电激活率
对于P型的离子注入工艺，因为硼元素的异常扩散效应，一般都使用铝元素。和N型注入类似，当退火温度达到1600℃，可以显著提高铝元素的电激活率。但是Y. Negoro等人[5]研究发现即使在500℃下高温离子注入铝元素，测量到的方阻在3000Ω/square 达到饱和见图3，即使继续加大注入剂量，方阻也没有进一步降低，这说明铝元素已经不再电离。所以目前使用离子注入制作P型重掺杂在工艺上还是一个挑战。
Total implant Dose (cm-2)
图3. SiC中铝元素的电激活率与注入剂量的关系
掺杂元素的结深和掺杂浓度是离子注入工艺最要的因素，它直接决定了后续器件的电学性能，必须要严格控制。二次离子质谱分析(SIMS)和扩散电阻探针技术(SRP)，都可以用来测量离子注入后的掺杂元素的结深和掺杂浓度。SIMS测试的是元素浓度分布，与该元素是否被激活无关；SRP技术测试的就是激活后的杂质对电阻的影响，更能直接反应出激活后的杂质的电学特性。考虑到SiC中尤其是铝元素在重掺杂中只有部分被激活，所以SRP技术更适合测试离子注入后的掺杂元素的结深和掺杂浓度。
针对该应用，SEMILAB公司推出了SRP-2100i设备。该设备内置了样品的研磨角装置和自动对齐样品放置的视觉系统，提供了前所未有的自动化水平，使数据更易于获取减少了对操作者的依赖；同时该设备还引入了PCIV技术来克服4H-SiC的高肖特基势垒的问题。SRP-2100i设备的实物图和测量原理示意图见图4。
图4. SEMILAB公司的SRP-2100i设备的实物图和测量原理示意图
SRP是破坏性测试方法需要裂片来完成测试，量产线中不能用该方法作为在线监控手段。但是考虑到SiC的高禁带带宽、高肖特基势垒和高硬度特点，Si行业普遍使用的探针法和SEMILAB公司开发的非接触光学调制反射法（PMR）等检测手段都无法使用。所以目前量产的工厂中，没有在线监控离子注入工艺后的SiC产品片，而是使用Si片来监控离子注入的工艺稳定性。通过定期测试离子注入并退火后的Si片的表面方阻(Rs)，来进行日常监控从而确定SPC的控制范围。表面方阻(Rs)的测试的方法有四探针法(4PP)和结光电压法(JPV)，四探针法需要探针和硅片表面接触，但是操作和校准都很简单；结光电压法不需要和硅片表面接触，但是需要使用四探针的测试数据来完成校准。两种测试方法各有优缺点，SEMILAB公司的RT-2201设备把两种测试技术集成在了同一个探头内，可以更方便用户来自由切换。图5是RT-2201设备图和两种测试方法对比的相关性数据。
图5. SEMILAB公司的RT-2201设备图，和4PP与JPV两种方法的相关性
如上文所述，对于N型和P型的SiC离子注入工艺，后续退火温度需要1600℃以上。但是如此高温下SiC表面会发生Si析出使表面石墨化，使得表面变得粗糙，导致后续工艺无法进行。经过实验发现：用合适的材料覆盖离子注入表面后再进行退火，可以有效地抑制这一现象。表面覆盖SiO2, Si3N4, 碳等薄膜都可以改善高温退火带来的表面粗糙化问题。在这些薄膜中碳薄膜改善效果最好，并在SiC功率器件量产线中得到应用。
SiC样品经过磷元素离子注入，分别在有碳膜覆盖和无碳膜覆盖情况下完成1600℃高温退火工艺，测试的表面粗糙度数据对比见图6。在注入剂量1.0*1015-6.0*1016cm-2范围内，在有碳膜保护的情况下，粗糙度rms比无碳膜保护情况下改善了8-16倍[6]。
图6. SiC样品高温退火后，有碳膜和无碳膜下表面粗糙度对比
碳膜覆盖层一般使用PVD方法生长，厚度一般取决于退火时间，现在器件量产线中的碳膜厚度为50-100nm。退火完成后，碳膜层可以通过等离子体等工艺去除。目前碳膜厚度的监控手段为全光谱椭偏仪。
对于全光谱椭偏仪最常见的可见光范围(300-900nm)来说，SiC衬底的透过率很高。因为普通椭偏仪的光斑为~1mm量级，SiC衬底厚度只有350um左右，入射光会穿透衬底在衬底背面进行二次反射，该二次反射光会干扰上表面的反射光。为了保证测试的准确性，需要减小椭偏仪光斑的尺寸。
SEMILAB公司推出的最新一代uSE2200 全光谱椭偏仪光斑只有40um，并且成功开发出了针对碳膜的光学模型[7]，成为了SiC器件工厂在线监控碳膜层厚度的重要工具。图7是该设备的实物图和SiC衬底上9点碳膜厚度mapping图。
图7. uSE2200设备图和SiC衬底上的9点碳膜厚度mapping图
参考文献：
[1] Sze, S.M.Semiconductor Devices, Physics and Technology
[2] AkihiroIkeda, etc. Phosphorus Doping of 4H-SiC by KrF Excimer Laser Irradiation inPhosphoric Solution, Extended Abstracts of the 2012 International Conference onSolid State Devices and Materials, Kyoto, 2012,
[3]萧宏 著，杨银堂、段宝兴 译，半导体制造技术导论，电子工业出版社
[4] TsunenobuKimoto, James A. Cooper, Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth,Characterization, Devices, and Applications
[5] Negoro, Y.etc. Electrical activation of high-concentration aluminum implanted in 4H-SiC.J. Appl. Phys. 2004
[6] Negoro,Y., Katsumoto, K., Kimoto, T. and Matsunami, H. Electronic behaviors ofhigh-dose phosphorus-ion implanted 4H–SiC (0001)
[7] https://semilab.com/category/products/spectroscopic-ellipsometry-0
来源：瑟米莱伯
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