SiC關(guān)鍵工藝“大考”——離子注入

在半導(dǎo)體工藝中，通常的摻雜控制方法為高溫?cái)U(kuò)散和離子注入。相比而言：

◎高溫?cái)U(kuò)散工藝簡單，設(shè)備便宜，摻雜分布輪廓為等向性，引入的晶格損傷低；

◎離子注入工藝復(fù)雜，設(shè)備昂貴，但是離子注入的溫度條件相對擴(kuò)散工藝較低，同時可形成更加靈活和準(zhǔn)確的摻雜分布。

離子注入是一種向半導(dǎo)體材料內(nèi)加入一定數(shù)量和種類的雜質(zhì)，以改變其電學(xué)性能的方法，可以精確控制摻入的雜質(zhì)數(shù)量和分布情況。

為什么SiC摻雜采用離子注入工藝更為合適？

然而，對于碳化硅來說，使用高溫?cái)U(kuò)散工藝進(jìn)行摻雜相當(dāng)困難。碳化硅中碳硅鍵能高，雜質(zhì)原子在碳化硅中難以擴(kuò)散。

進(jìn)一步看，在SiC功率器件摻雜工藝中，N型摻雜通常采用氮(N)元素和磷(P)元素；P型摻雜通常采用鋁(Al)元素和硼(B)元素。

而這些雜質(zhì)原子的擴(kuò)散常數(shù)系數(shù)極小，想要實(shí)現(xiàn)選擇性摻雜，采用擴(kuò)散工藝不現(xiàn)實(shí)。

如采用擴(kuò)散工藝，SiC擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于Si，即SiC中需要極高溫度（2000℃以上）才能得到理想的擴(kuò)散系數(shù)。而如此高溫也會引入多種擴(kuò)散缺陷會惡化器件的電學(xué)性能，無法使用常見的光刻膠作為掩膜等，因而SiC摻雜采用離子注入工藝更為合適。

但是，如果注入過程中對晶格的破壞接近于非晶態(tài)，則晶格很難恢復(fù)。因此，通常使用高溫（~500°C）注入，特別是當(dāng)注入劑量非常高時?？梢宰畲笙薅鹊販p少離子轟擊對晶格的破壞，尤其是對于良好的歐姆接觸特性所需的高摻雜密度。

同時，SiC摻雜也需要高能注入，一般注入能量在300keV，甚至需要打二階到700keV以上，這會造成工藝制造成本高、流片效率低。

“關(guān)鍵先生”——高溫高能離子注入機(jī)

SiC晶圓用高溫高能離子注入機(jī)，屬于千萬元級別的投入，且設(shè)備交期漫長。因此，是否具備高溫離子注入機(jī)儼然成為衡量碳化硅生產(chǎn)線的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

技術(shù)難度大、工藝驗(yàn)證難等因素，使得離子注入機(jī)行業(yè)存在較高競爭壁壘，行業(yè)集中度較高，整體而言整個市場主要由美國廠商壟斷，美國應(yīng)用材料公司和美國Axcelis公司合計(jì)占據(jù)全球70%以上的市場。

在碳化硅領(lǐng)域，美國Axcelis公司更是“遙遙領(lǐng)先”，其產(chǎn)品在國內(nèi)碳化硅市場用離子注入機(jī)的市占率保持在第一。

Axcelis表示，在SiC領(lǐng)域，他們是唯一一家能夠覆蓋成熟工藝技術(shù)市場所有離子注入配方的公司，已向全球領(lǐng)先的SiC功率器件芯片制造商多次交付Purion Power Series離子注入系統(tǒng)。特別是在8英寸市場，也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量出貨。

■Purion EXE SiC Power Series? 200mm 高能注入機(jī)

光是今年，Axcelis就宣布了兩則訂單交付消息：

◎Axcelis宣布向日本領(lǐng)先的功率器件芯片制造商發(fā)貨Purion EXE? SiC 高能離子注入機(jī)，并完成了Purion H200? SiC 離子注入機(jī)的評估閉合，將用于150mm和200mm碳化硅功率器件的生產(chǎn)。

◎Axcelis 宣布向中國多家領(lǐng)先的功率器件芯片制造商批量發(fā)貨 Purion M? SiC 中電流離子注入機(jī)。預(yù)計(jì)于第一季度發(fā)貨，將用于 150mm 碳化硅功率器件的生產(chǎn)。

2023 年全年，Axcelis實(shí)現(xiàn)營業(yè)收入 11.3 億美元，與 2022 年全年的 9.2 億美元相比，增長了 23%，創(chuàng)歷史新高。展望 2024 年，Axcelis將繼續(xù)投資研發(fā)，同時控制支出，為2025 年實(shí)現(xiàn) 13 億美元的收入模式做好準(zhǔn)備。

除此Axcelis之外，還有愛發(fā)科、應(yīng)用材料、日新等公司在SiC離子注入機(jī)方面也有所布局，并占據(jù)一定的市場份額。

目前，離子注入機(jī)也成為僅次于光刻機(jī)國產(chǎn)化率最低的集成電路裝備，但也不乏有國產(chǎn)化的“佼佼者”。

據(jù)悉，中國電科48所研發(fā)的碳化硅高溫離子注入機(jī)已實(shí)現(xiàn)100%國產(chǎn)化，穩(wěn)居國內(nèi)市場占有率第一。

2015年，48所研發(fā)的M56700-1/UM型SiC高溫高能離子注入機(jī)正式推出,標(biāo)志著我國在第三代半導(dǎo)體材料制造中的瓶頸技術(shù)取得突破性進(jìn)展，打破了長期以來SiC高溫高能離子注入機(jī)依賴進(jìn)口受制于人的被動局面。

2019年，爍科中科信由中國電科48所和北京中科信離子注入機(jī)業(yè)務(wù)戰(zhàn)略整合而成。隨后，爍科中科信連續(xù)突破光路、控制、軟件等關(guān)鍵模塊的核心技術(shù)，形成中束流、大束流、高能及第三代半導(dǎo)體等全系列離子注入機(jī)產(chǎn)品格局，實(shí)現(xiàn)了28納米工藝制程全覆蓋。

據(jù)悉，作為國內(nèi)唯一能提供碳化硅離子注入機(jī)量產(chǎn)的公司，目前已成功交付10余臺相關(guān)產(chǎn)品。

高溫退火工藝不可缺

在晶體中注入離子后，會產(chǎn)生位移原子、晶格點(diǎn)等晶格缺陷。在力求恢復(fù)結(jié)晶性的同時，為了將注入的摻雜原子置換到晶格點(diǎn)，離子注入后仍需要高溫退火才可以激活注入離子。

而且，有必要在非常高的溫度（~1700°C）下進(jìn)行注入后退火，以實(shí)現(xiàn)晶格恢復(fù)和高電激活率。

由于 SiC 中摻雜劑的擴(kuò)散系數(shù)非常小，因此在注入后的退火過程中，大部分注入過程中的擴(kuò)散雜質(zhì)可以忽略不計(jì)。

目前常用碳化硅離子注入后激活退火工藝在1600℃~1700℃溫度下的Ar氛圍中進(jìn)行。

不過，高溫退火時SiC表面可能會發(fā)生遷移現(xiàn)象，形成微臺階，進(jìn)而表面明顯變粗糙。

如何維持表面平坦化，也成為一個關(guān)注點(diǎn)，下面列舉了三個方式：

◎SiH4添加退火法：在Ar中添加微量SiH4

◎快速熱退火法（Rapid Thermal Anneal，RTA）：在極端時間內(nèi)進(jìn)行退火（幾秒到幾分鐘）

◎覆蓋退火法：采用AIN膜或者碳膜覆蓋SiC表面，隨后進(jìn)行退火

然而，離子注入和激活退火依舊不可避免地會產(chǎn)生降低器件性能的缺陷。比如復(fù)雜的點(diǎn)狀缺陷、堆垛層錯、新的位錯、淺或深能級缺陷、基面位錯環(huán)和現(xiàn)有位錯的移動等等。

此外，由于高能離子轟擊過程會對碳化硅晶圓產(chǎn)生應(yīng)力作用，高溫高能離子注入工藝會增大晶圓翹曲度。

“激活兜底”——高溫退火爐

工藝的痛點(diǎn)訴求，進(jìn)一步傳導(dǎo)至設(shè)備端。

因此，高溫退火爐的技術(shù)難點(diǎn)主要涉及，高溫爐膛熱場設(shè)計(jì)制造工藝、快速升溫降溫與控溫技術(shù)等等。

在高溫退火爐方面，國外主要廠商主要包括Centrotherm、日本真空等；國內(nèi)涉及得廠商包括北方華創(chuàng)、中國電科48所、屹唐半導(dǎo)體等。

在今年SEMICON China上，有多家企業(yè)展示了其快速熱退火設(shè)備。

就比如，Centrotherm展示了快速熱退火、高溫?zé)嵫趸仍O(shè)備。

據(jù)悉，Centrotherm2021年8英寸碳化硅爐管設(shè)備建立了較為成熟的設(shè)備平臺體系，其三種熱處理設(shè)備（柵極氧化爐、退火爐、快速熱處理）均可兼容6/8英寸。

Centrotherm是總部位于德國，是全球領(lǐng)先的熱處理設(shè)備供應(yīng)商，已有70多年的高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

此外，Centrotherm還與A*STAR微電子研究所（IME）展開合作，通過結(jié)合A*STAR微電子研究所的200mm開放式SiC試研發(fā)線與Centrotherm的擴(kuò)散和退火工具，推動SiC技術(shù)的發(fā)展。

屹唐半導(dǎo)體也展示了其Helios? SiC快速熱退火設(shè)備系列產(chǎn)品，可兼容150mm和200mm 碳化硅。

屹唐半導(dǎo)體為全球半導(dǎo)體芯片制造廠商提供干法去膠、干法刻蝕、快速熱處理、毫秒級快速退火等設(shè)備及應(yīng)用方案，其中干法去膠、快速熱處理、毫秒級快速退火設(shè)備在各自細(xì)分領(lǐng)域的市場份額均處于世界前列。公司產(chǎn)品已全面覆蓋全球前十及國內(nèi)領(lǐng)先的芯片制造廠商。

End

SiC高溫高能離子注入工藝+高溫退火工藝屬于SiC功率器件制造過程中的一個關(guān)鍵步驟，共同為后續(xù)工藝打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，確保了SiC功率器件的高性能和可靠性。

而綜合來看，國產(chǎn)SiC離子注入機(jī)不僅在技術(shù)上取得了一些突破，也在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面通過了“大考”。而與國際先進(jìn)水平相比，仍需在某些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行進(jìn)一步的研發(fā)和突破。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場的進(jìn)一步開拓，國產(chǎn)SiC離子注入機(jī)、高溫退火爐等國產(chǎn)化設(shè)備也有望在未來發(fā)揮更加重要的作用。

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