袁衛(wèi)華，李進(jìn)，羅才旺，許波濤

( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所， 湖南 長(zhǎng)沙 410111)

在半導(dǎo)體領(lǐng)域里，單晶硅（Si）是全球應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)量最大的半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料，目前90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品都是使用硅基材料制造。隨著現(xiàn)代能源領(lǐng)域?qū)Ω吖β?、高電壓器件的需求陡增，?duì)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、電子飽和速率、熱導(dǎo)率等關(guān)鍵參數(shù)也提出了更加嚴(yán)苛的要求。在此情況下，以碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料脫穎而出，成為高功率密度應(yīng)用的寵兒。碳化硅作為一種化合物半導(dǎo)體，在自然界中極其稀有，以礦物莫桑石的形式出現(xiàn)。目前世界上銷(xiāo)售的碳化硅幾乎都是人工合成的。碳化硅具有硬度高、熱導(dǎo)率高、熱穩(wěn)定性好、臨界擊穿電場(chǎng)高等優(yōu)點(diǎn)，是制作高壓大功率半導(dǎo)體器件的理想材料。碳化硅器件制造環(huán)節(jié)與硅基器件的制造工藝流程大體類(lèi)似，主要包括光刻、清洗、摻雜、蝕刻、成膜、減薄等工藝。不少功率器件制造廠商在硅基制造流程基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)線(xiàn)升級(jí)便可滿(mǎn)足碳化硅器件的制造需求。而碳化硅材料的特殊性質(zhì)決定其器件制造中某些工藝需要依靠特定設(shè)備進(jìn)行特殊開(kāi)發(fā)，以促使碳化硅器件耐高壓、大電流功能的實(shí)現(xiàn)。碳化硅器件制造環(huán)節(jié)與硅基器件的制造工藝流程大體類(lèi)似，由于碳化硅中碳硅鍵能高，雜質(zhì)原子在碳化硅中難以擴(kuò)散，制備碳化硅器件時(shí)的摻雜最佳方式是高溫下進(jìn)行鋁（Al）的離子注入，需要用到SiC 離子注入機(jī)。隨著SiC 電力電子器件的應(yīng)用逐漸增加，國(guó)內(nèi)將建設(shè)或改建較多SiC 器件生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)擴(kuò)展SiC 器件的市場(chǎng)占有率。目前國(guó)內(nèi)SiC器件生產(chǎn)線(xiàn)所用SiC 離子注入機(jī)主要依賴(lài)從歐美、日本進(jìn)口，為打破西方國(guó)家對(duì)SiC 離子注入機(jī)的壟斷和降低我國(guó)器件生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備投入，研制國(guó)產(chǎn)SiC 離子注入機(jī)迫在眉睫。國(guó)產(chǎn)SiC 離子注入機(jī)將為我國(guó)大規(guī)模推廣性?xún)r(jià)比優(yōu)良SiC 器件起到了促進(jìn)作用，進(jìn)而降低了器件的整體成本。SiC 離子注入機(jī)與傳統(tǒng)的注入機(jī)相比，有三大鮮明特點(diǎn)：注入鋁（Al）離子、高能注入（最高700 keV）、高溫注入（晶圓溫度控制在500 ℃以上），該三大特點(diǎn)決定了SiC 高溫高能離子注入機(jī)的難點(diǎn)。本文主要介紹國(guó)產(chǎn)SiC 離子注入機(jī)的研究過(guò)程和關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)。

1 技術(shù)方案

SiC 離子注入機(jī)研制途徑是利用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所承擔(dān)國(guó)家科技部“十五863 計(jì)劃”100 nm 大角度離子注入機(jī)項(xiàng)目和“十一五重大專(zhuān)項(xiàng)”90～65 nm 中束流離子注入機(jī)項(xiàng)目的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在已掌握的關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合SiC 離子注入機(jī)高溫、高能注入Al 離子等技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)改進(jìn)型的間熱式陰極離子源、三維可調(diào)節(jié)引出系統(tǒng)、等梯度靜電高能加速器、紅外輻照加熱高溫靶等實(shí)現(xiàn)Al 離子在SiC 晶片上的高溫高能注入。與用戶(hù)單位聯(lián)合進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)考核，使研制的國(guó)產(chǎn)SiC 高溫高能離子注入機(jī)達(dá)到了實(shí)用化要求，從而全面推廣應(yīng)用于國(guó)內(nèi)相關(guān)半導(dǎo)體器件研制與生產(chǎn)單位。

2 SiC 離子注入機(jī)的技術(shù)要求與研究過(guò)程

2.1 主要技術(shù)要求

SiC 注入機(jī)的特性要求兼容100 mm (4 英寸)和150 mm(6 英寸)晶圓，注入元素包含氣態(tài)N、B、P 和固態(tài)Al，注入能量高于300 keV（1 價(jià)），高溫注入晶圓溫度不低于500 ℃，因此SiC 離子注入機(jī)的研制主要技術(shù)要求如表1 所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)要求

2.2 光路技術(shù)仿真設(shè)計(jì)

光路設(shè)計(jì)是離子注入機(jī)核心技術(shù)之一，SiC離子注入機(jī)光路設(shè)計(jì)，利用“十五”、“十一五”離子注入機(jī)的成熟光路單元技術(shù)；消化吸收國(guó)外先進(jìn)設(shè)備的技術(shù)，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行光路仿真設(shè)計(jì)，測(cè)算B、Al 離子具有較好的傳輸能力，采用四極透鏡的設(shè)計(jì)，能夠較好地調(diào)節(jié)不同能量束流的傳輸參數(shù)，平行透鏡的采用，使得束流的平行度和均勻性具有較好的保證。光路設(shè)計(jì)仿真結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 離子束流經(jīng)過(guò)磁分析器的積分效果圖

圖2 離子束流經(jīng)過(guò)磁平行透鏡的積分效果圖

2.3 長(zhǎng)壽命金屬離子源設(shè)計(jì)

離子源是SiC 離子注入機(jī)設(shè)備中最關(guān)鍵的部件，它是離子束的基礎(chǔ)，其決定離子注入機(jī)的束流指標(biāo)，固態(tài)金屬鋁離子的汽化點(diǎn)高達(dá)2 460 ℃，一般離子源的材料難以達(dá)到這個(gè)耐溫要求，同時(shí)金屬蒸汽的沉積容易造成絕緣材料短路，因此，設(shè)計(jì)大束流、長(zhǎng)壽命的金屬離子源是決定SiC 離子注入機(jī)性能的關(guān)鍵。

研制人員查詢(xún)了大量的文獻(xiàn)和專(zhuān)利資料，對(duì)鋁離子源技術(shù)進(jìn)行了創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，最終創(chuàng)造性的采用熱陰極濺射金屬離子源（如圖3 所示），實(shí)現(xiàn)了Al+和Al++的引出。

圖3 高溫反應(yīng)型鋁離子源

鋁離子源是在IHC 離子源的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。高密度Al 離子的產(chǎn)生機(jī)理為：通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的弧室結(jié)構(gòu)，在陰極帽和反射板盤(pán)安裝含鋁材料的部件，在弧室中送入含氟氣體，氟離子的反應(yīng)下將Al 原子從含鋁材料中解析出來(lái)，同時(shí)弧室的高溫能夠提高Al 原子的飽和蒸氣壓，在這兩個(gè)因素的推動(dòng)下使弧室的Al 離子密度高。目前該離子源已經(jīng)測(cè)試1 價(jià)鋁的到靶束流能夠達(dá)到1 000 μA以上，2 價(jià)鋁到靶束流達(dá)到150 μA 以上，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

為了保證長(zhǎng)壽命和大束流，通過(guò)采用數(shù)值仿真模擬計(jì)算手段，在設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程中不斷改進(jìn)，最終使引出束流達(dá)到3 mA 以上，確保離子源的正常使用壽命200 h 以上，維護(hù)周期大于1 周。

2.4 離子束的高能引出和高效率傳輸技術(shù)

SiC 離子注入機(jī)使用的熱陰極濺射金屬離子源的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致引出束流較發(fā)散，因此，要在束流分析前通過(guò)帶三維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)引出電極對(duì)束流進(jìn)行調(diào)整，合理電極間的絕緣距離，保證離子源工作要處于最佳匹配狀態(tài)，引出電極對(duì)離子束進(jìn)行束聚焦。

為實(shí)現(xiàn)80 keV 高能量引出，計(jì)算出源引出縫與抑制電極之間的合理距離；采用高分子絕緣材料的絕緣環(huán)，確保絕緣抗爬電和減少打火發(fā)生；采用高純石墨材料。

靜電加速器是離子注入機(jī)實(shí)現(xiàn)離子束能量提升的重要手段，離子束最終達(dá)到的能量主要由加速器來(lái)決定。在原有掌握的高壓電源的優(yōu)點(diǎn)，并進(jìn)行創(chuàng)新，提高倍壓級(jí)數(shù)，采取更先進(jìn)的均壓措施，使高壓電源能從0～300 kV 連續(xù)可調(diào)，并且做到穩(wěn)定度高、紋波小、在動(dòng)態(tài)負(fù)載下工作穩(wěn)定可靠且具有抗放電打火等強(qiáng)烈沖擊的能力。

為了保證離子束流傳輸過(guò)程中的傳輸效率，離子注入設(shè)備設(shè)計(jì)整套的聚焦系統(tǒng)，包括加速管之前的雙單元四極透鏡或膜片透鏡和加速之后聚焦光欄。通過(guò)提高離子束保持平行的磁鐵特性，通過(guò)優(yōu)化引出參數(shù)，束流在分析、聚焦都幾乎以90%的效率傳輸，隨能量提升，加速和平行段的長(zhǎng)距離傳輸在空間電荷效應(yīng)作用減弱，束流高度方向尺寸擴(kuò)張減小，束流損失快速減小，束流傳輸效率接近90% 。設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 國(guó)產(chǎn)SiC 離子注入機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.5 加熱高溫靶室設(shè)計(jì)

用SiC 材料進(jìn)行離子注入工藝的最大特點(diǎn)是，注入過(guò)程中晶片必須保持在高溫狀態(tài)，以降低后續(xù)激活退火工藝對(duì)溫度的要求，同時(shí)考慮設(shè)備的工作效率，希望注入完成后能夠快速降溫，而真空下500～650 ℃高溫靶室的實(shí)現(xiàn)及晶片表面溫度均勻性難以控制，所以對(duì)SiC 材料的摻雜，高溫靶加熱技術(shù)已成為制約碳化硅器件發(fā)展的最核心技術(shù)之一。SiC 材料本身薄且脆，夾持和傳輸過(guò)程中低碎片率不能保證，量產(chǎn)型設(shè)備如何提升晶片加熱速率也很困難。

采取的技術(shù)路線(xiàn)：

3)春季低空切變和地面倒槽是引發(fā)暴雨最重要的影響系統(tǒng)。夏季各月的主要影響系統(tǒng)存在較大的差別,6月份最常見(jiàn)的天氣系統(tǒng)配置是高空槽東移,中低層有切變或急流配合,地面有倒槽或低壓存在,另外6月時(shí)東北冷渦與地面倒槽或低壓的配合也是典型的系統(tǒng)配置,此時(shí)低空急流的強(qiáng)度在一定程度上影響著降水量的大小。7月的暴雨過(guò)程主要受到副高和臺(tái)風(fēng)的影響。8月份臺(tái)風(fēng)引起的暴雨天氣過(guò)程頻數(shù)明顯增多。秋季的暴雨主要是秋臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致。

（1）采用紅外燈管加熱方式；

（2）靶臺(tái)每批裝片6 片；

（3）靶盤(pán)適合100～150 mm（4～6 英寸）；

（4）加熱溫度0～600 ℃，且溫度可控，帶溫度檢測(cè)。

SiC 注入工藝需要在一次裝片后完成多步不同條件的注入工藝。綜合多種因素，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了批裝載、單片注入的高溫靶室，如圖5 靶臺(tái)設(shè)計(jì)圖所示整個(gè)靶臺(tái)有6 個(gè)靶盤(pán)，每個(gè)靶盤(pán)的安裝角度0～45°可調(diào)，根據(jù)需要選擇合適的角度。如圖6靶盤(pán)結(jié)構(gòu)圖所示為片夾裝在靶盤(pán)上，靶盤(pán)能兼容100 mm、150 mm 片，并且加熱方式采用紅外燈管加熱，采用5 根燈光并排放置，加熱最高溫度可到600 ℃。加熱晶片背面，晶片背面安裝一個(gè)用于溫度檢測(cè)及控制的熱電偶。

圖5 靶臺(tái)整體設(shè)計(jì)圖

圖6 靶盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

高溫靶室批靶設(shè)計(jì)，減少了同批次注入不同工藝條件的調(diào)整次數(shù)，同批次注入的前后晶片之間的升溫和降溫實(shí)現(xiàn)了同步，提升了注入加熱和降溫的工作效率，保證了項(xiàng)目對(duì)離子注入機(jī)產(chǎn)能的要求。

另外，注入工藝中晶片的溫度需保持在500 ℃，對(duì)溫度的均勻性要求較高，靶盤(pán)在設(shè)計(jì)前期采用仿真手段對(duì)升溫能力、溫度均勻性和冷卻進(jìn)行了反復(fù)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)決定在設(shè)計(jì)中使用紅外燈管進(jìn)行加熱、改善溫度均勻性的片托結(jié)構(gòu)和支撐，配合恒溫冷卻水。

調(diào)試過(guò)程中不同溫度下測(cè)得晶片的熱場(chǎng)分布，根據(jù)熱場(chǎng)分布發(fā)現(xiàn)溫度梯度加大，需要對(duì)燈管的布局進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 所示為通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終靶盤(pán)加熱到500 ℃的時(shí)間僅需5 min，整個(gè)晶片的溫差小于30 ℃，又具有較快的降溫效果，使用效果良好。

圖7 不同加熱溫度下晶片的熱場(chǎng)分布

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)大量理論論證和試驗(yàn)研究，突破了長(zhǎng)壽命高穩(wěn)定性Al 離子源技術(shù)，創(chuàng)造性地采用熱陰極濺射金屬離子源，成功實(shí)現(xiàn)Al+和Al++的引出，其引出束流達(dá)到3 mA 以上，使用壽命200 h 以上，維護(hù)周期大于1 周，達(dá)到正常使用壽命，滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化注入工藝使用要求。

創(chuàng)造性的高能鋁離子束獲取采用多級(jí)等梯度加速與均壓技術(shù)，此技術(shù)提高加速能力和抗高壓打火能力，提高離子束在整個(gè)能量段的傳輸效率；對(duì)等梯度加速管進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其第一級(jí)融合聚焦電極功能，通過(guò)相應(yīng)的電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)0～60 kV的聚焦電壓。通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)使得離子束傳輸效率達(dá)到75%，離子束最大能量達(dá)到350 keV（單電荷）以上。

批裝載、轉(zhuǎn)盤(pán)單片注入的高溫靶室，充分結(jié)合仿真與試驗(yàn)研究，使用紅外燈管進(jìn)行加熱，通過(guò)片托和支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化并配合恒溫冷卻水，改善溫度均勻性，使得靶盤(pán)從常溫加熱到500 ℃的時(shí)間僅需5 min，整個(gè)晶片的溫差小于30 ℃，同時(shí)具有較快的降溫效果。上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)減少了同批次注入不同工藝條件的調(diào)整次數(shù)，同批次注入的前后晶片之間的升溫和降溫實(shí)現(xiàn)了同步，提升了注入加熱和降溫的工作效率，保證了項(xiàng)目對(duì)離子注入機(jī)產(chǎn)能的要求。

4 結(jié) 論

國(guó)產(chǎn)SiC 離子注入機(jī)的三大核心技術(shù)已完全攻克掌握，并得到產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)用，器件驗(yàn)證結(jié)果良品率達(dá)到92%以上，與國(guó)外進(jìn)口機(jī)臺(tái)的水平一致，完全滿(mǎn)足SiC 器件生產(chǎn)線(xiàn)的要求。