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user: 2. 正文 优化离子注入和激活退火工艺目前碳化硅功率器件实现产业化和商品化的关键技术之一。SiC材料的离子注入和激活退火的研究发现，由于SiC比Si具有更大的密度，在同能量注入下，离子在SiC中能形成的注入深度会较小。如果要求注入离子在SiC材料中达到较深的注入区域，其注入能量可能需要达到MeV级别 [ 6 ] [ 7 ] 。然而高能量的离子注入有可能会给器件表面造成损伤，需要在500℃以上的条件中进行高温退火以修复晶格损伤，但是温度过高又会使电介质材料挥发，从而引起SiC中Si升华导致表面粗糙，影响器件的可靠性 [ 1 ] [ 6 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] 。合适激活退火温度的选择，及其重要。本文根据相关工作总结和Silvaco仿真，拟定的F元素的激活退火实验条件如下文所示。 2.1. 实验 本次实验采用的是4英寸4H-SiC衬底片样品，然后在氧化炉中进行湿氧氧化，氧化温度为1050℃，氧化6小时，得到40 nm左右的氧化膜(SiO 2 )，背面的氧化速率约为硅面的10倍，背面膜厚约为380 nm左右，膜厚采用椭圆偏振衍射仪进行测试，氧化膜在离子注入过程中作为离子注入掩膜使用，在氧化后即在4H-SiC(0001) Si-face进行离子注入实验，离子注入工艺是在离子注入机内完成，在注入过程中离子注入机从离子源氟(F)材料中产生带正/负电荷的杂质离子，离子被吸出后质量分析仪将其分开形成需要掺杂的离子束流，本实验过程中，注入元素为F元素根据Silvaco仿真结果，离子束流的浓度设定为5E13 cm −2 ，离子束在电场中加速到能量为25 KeV，使得离子有足够的动能注入到碳化硅晶格结构中，束流扫描整个碳化硅片表面，使表面均匀掺杂。在离子注入后进行不同条件的激活退火实验，激活退火实验温度分别为500℃、700℃、900℃以及1100℃，激活退火时间2 min，样品编号分别为B、C、D和E，其中一片样品不进行退火实验(样品A)留作对比。样品的实验条件和相关参数如表1所示，相关实验步骤如图2所示。 2.2. 测试 本文中，主要用到两个测试，一个是在氧化后，利用椭偏仪进行膜厚测试，以及离子注入后利用SIMS进行F元素浓度检测。 2.2.1. 氧化膜膜厚测试 氧化膜膜厚测试采用的是椭圆偏振衍射仪进行测试，椭圆偏振光测量技术是一种测量纳米级薄膜厚度和薄膜折射率的先进技术，主要用于测量高吸收衬底上绝缘膜的膜厚，这种测量方法，主要是通过材料不同的光学性质来测量薄膜或衬底的其它参数。椭偏仪主要由起偏器、检偏器以及探测器组成。 椭圆偏振衍射仪测量技术主要应用于对衬底上的非常薄的非吸收膜层的厚度和折射关系的测量，理论上来说，可测量的膜层的厚度没有极限，但是在测量过程中需要调整主要实验参数的频率范围。在测量过程中，可能会由于参数设置不准确出现膜厚测量不准确的问题，图3所示的是膜厚的测试原理图，碳化硅衬底上长了一层薄二氧化硅透明层，当一束入射光入射到材料表面时，由于衬底材料和氧化层的折射率不同，两个反射光束之间相互干涉，从完全的同相到完全异相，这个干涉引起膜厚测量的周期特性，即φ是膜厚的周期函数，他们在膜厚测量的整个过程中循环重复着，如公式1所示 [ 12 ] ： d = λ 2 n 1 2 − sin 2 φ (1) 图1. 4H-SiC晶体结构示意图和SiC六角晶格示意图 图2. 实验和测试步骤 Table 1 Information of samples and the experiment condition 样品编号 氧化条件 椭偏仪膜厚测试 离子注入条件 激活退火条件 A Wetoxidation，1050˚C，6 h Si face： 40 nm ± 5 nm； Cface： 380 nm ± 5 nm Fion： 25 KeV 5E13 cm −2 w/o B 500˚C，2 min C 700˚C，2 min D 900˚C，2 min E 1100˚C，2 min 表1. 样品信息及实验条件 图3. 椭偏测试原理 由于sinφ的存在，相同的膜厚在不同的测试条件下可能会得出不同的测试结果，例如当φ = 70˚，对于n 1 = 1.456的SiO 2 在λ = 632.8 nm的整个循环的厚度是281.5 nm。如果一个10 nm后的SiO 2 给出了某一椭偏偏振角度，那么相同的角度对于(10 + 281.5) nm和(10 + 563) nm等的薄膜也会测量到。所以，对大于整个循环厚度的膜厚的测量，必须了解测量膜厚到整个循环厚度的相关的知识，由于SiC衬底是透明材质，在测试过程中需要调整好入射波波长，以免膜厚测试不准确。 本研究中，由于碳化硅材料的透明材质，在测试过程中，入射光会透过薄膜进入到碳化硅衬底中，导致收集的信号存在很多干扰，在准备测试的4H-SiC样品的测试模型时，对衬底的背面进行处理使其变得粗糙以排除“背面反射”对椭偏仪测试的影响。此外结合电学特性膜厚测试，调整入射光的能量在3.0~6.5 Ev之间的椭偏测试模型。 2.2.2. 元素浓度测试 元素浓度测试采用的是二次离子质谱法(SIMS)，SIMS是利用质量分析器接受分析二次离子质量，获得二次离子质谱，从而判断试样表面元素浓度和化学状态的测试手段，也称为离子探针和离子显微镜，是最有力的半导体表征技术之一，主要由离子源、质量分析器以及离子探测器等主要部分组成，SIMS测试原理如图4所示 [ 13 ] ： SIMS的测试原理是初级离子束射入样品，原子从样品中溅射下来并发射，大多数溅射下来的离子是中性的，不能被常规的SIMS检测到，但是有一小部分(<1%)是正的或负的离子即二次离子，质谱探测与分析的是离子的荷质比，并按荷质比计数，显示在荧光屏或CRT上。 溅射是入射离子在固体中通过动量交换而损失能量并最终停下来的过程，一定能量的离子打到古体表面，引起原子、分子或原子团的二次发射即溅射离子的过程。入射粒子不必是离子，中性束流的轰击也能引起溅射，但SIMS中用的是离子。当表面原子从入射离子那儿得到足够的能量，并从样品中发射出来以后，就发生了溅射，溅射的产额直接影响二次离子的产额。SIMS中常用离子能量为10~20 keV，对应的被溅射离子的逸出深度为几个单原子层，入射离子损失能量并停止在样品表面几十纳米深处。溅射产额是每个入射离子溅射下来的平均原子数，它的大小依赖于样品或靶材的性质、结晶学方向以及入射离子束的性质、能量和入射角。在多组分或多晶靶中元素有不同的溅射产额时，会发生选择性溅射或优先溅射。具有高溅射产额的元素被耗尽以后样品表面将主要由溅射产额低的元素组成。不管怎样，一旦达到平衡，样品表面与体材料将具有相同的组分。 用1~20 keV的Cs+、O 2 +、O-及Ar+离子进行SIMS测量产额为1~20 [ 13 ] ，重要的是这不是总产额，而是离化的原子或是二次离子的产额，只有离子能被探测到，电正性离子的射入，如Cs+等，能增加电负性元素的产额。不同元素之间的二次离子产额有很大不同，就是同一种元素在不同的样品或不同的材料中，它的二次离子产额也不尽相同，因此，入射离子的选择和溅射速率的选择在SIMS测试中对于元素浓度的测试结果极其重要。 2.3. 结果与讨论 图5所示的是离子注入后，不同激活退火温度下的SiC/SiO 2 界面处F元素浓度的SIMS分析结果，激活退火温度为500℃时，相比于离子注入后未激活状态，元素浓度基本无变化，在700℃之后，900℃之前，SiC/SiO 2 界面处F元素浓度急剧增加，在900℃之后，元素浓度增长率趋于缓慢。实验结果可以看出，4H-SiC 0001(Si-face)元素浓度在1100℃激活退火后，界面处元素浓度情况，由于考虑F元素高温下挥发，目前实验只进行到1100℃，后面将进一步探索在更高温度下，F元素的扩散速率以及更高温度下F元素在高温激活退火后在SiC/SiO 2 界面处的浓度情况。 图5所示的是F元素扩散至4H-SiC (0001)面的结果分析图，F元素扩散至4H-SiC (000-1)面的浓度如图6所示，可以看出，在700℃激活退火以及低于700℃时，F元素扩散至背面的元素浓度基本无变化，在900℃时元素浓度相对700℃激活退火时浓度增加至1.05E18atoms/cc。说明在高于700℃时，F元素在碳化硅中的扩散得到激发，具体的扩散转折点在我们后期研究工作中会在700℃~900℃之间作更深入的研究，在实际激活退火过程中需要考虑元素在高温激活退火后扩散至碳面，从而对器件性能影响的风险。 图4. SIMS测试原理 图5. 4H-SiC Si-face F元素浓度 图6. 4H-SiC C-face F元素浓度 图7. 4H-SiC碳面和硅面元素浓度对比