硅晶圓中注入10 MeV磷的連續(xù)激光退火激活

劉 敏,鄭 柳,何 志,王文武

(中國科學(xué)院微電子研究所,北京 100029)

1 引 言

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)作為一種高電壓開關(guān)器件,集合了場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的易驅(qū)動以及雙級晶體管的大電流特性,被廣泛用于電動汽車、工業(yè)驅(qū)動、不間斷電源(UPS)、白色家電等眾多領(lǐng)域,是當(dāng)今功率半導(dǎo)體市場中一個非常重要的組成部分[1-2]?；谀壳俺墒斓墓?Si)加工技術(shù),IGBT器件可以直接制備在特定摻雜濃度的Si基襯底上,減少了外延步驟,從而實現(xiàn)更低的成本。在完成器件的正面工藝后,芯片需要根據(jù)器件耐壓減薄到特定厚度,目前耐壓在1200 V的Si基IGBT芯片厚度已經(jīng)可以做到120 μm,650 V的芯片厚度甚至可以到70～80 μm[3]。經(jīng)過減薄后的芯片背面需要通過離子注入形成集電極。集電極包含2層注入結(jié)構(gòu)。首先,通過硼(B)離子注入在背面表層形成一層p型層,深度通常只有100～200 nm；然后再采用磷(P)離子注入在p型層下方形成場截止層用來截止漂移區(qū)中的電場,避免穿通。場截止層的厚度通常在亞微米到微米級,并且是越大越好,厚度越大,需要的摻雜濃度就越低,p型區(qū)注入其中的少子壽命就越長,從而電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)越佳,器件的導(dǎo)通電阻也會越低。離子注入后需要經(jīng)過高溫退火,使注入離子活化。但由于減薄后的IGBT晶圓厚度太薄,機(jī)械強(qiáng)度不足,傳統(tǒng)快速熱退火(RTA)的碎片風(fēng)險很高,而激光退火方法作為一種低熱預(yù)算的退火方式,是實現(xiàn)薄片Si基器件退火的理想方法。對于表層注入的B離子,由于深度較淺,短波長脈沖激光退火就可以充分激活注入雜質(zhì)[4-6]。但對于場截止層,由于注入深度較大,短波長脈沖激光不足以有效激活注入雜質(zhì),因此需要采用長波長的激光進(jìn)行退火。目前,日本制鋼所株式會社采用連續(xù)激光輔助515 nm脈沖激光退火的方式實現(xiàn)了最深達(dá)～2.5 μm的深P注入激活[7],除此之外,國內(nèi)目前還未看到深P注入激活的相關(guān)研究報道。為了進(jìn)一步改善IGBT器件的性能,本文主要針對7 μm深注入P離子的連續(xù)激光退火工藝展開研究。

2 實驗設(shè)計

實驗使用的樣品為4 in單面拋光的Si單晶襯底,拋光面為(100)面,厚度為500 μm。由于P在Si材料中屬于n型摻雜劑,為了便于后期通過監(jiān)測方阻變化來確定雜質(zhì)的激活效果,所以選擇了輕摻雜的p型Si襯底,其電阻率>10000 Ω·cm。首先,要對樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗以去除表面可能存在的油污以及金屬污染物,然后,再對樣品的拋光面進(jìn)行P離子注入。注入一共使用了4種能量,分別為10 MeV、5 MeV、960 keV和100 keV,劑量都是5×1012cm-2,如表1所示。

表1 P離子注入方案Tab.1 P ion implantation scheme

樣品經(jīng)過P離子注入后,采用激光退火激活注入雜質(zhì)。由于注入的深度較大(～7 μm),脈沖激光很難實現(xiàn)激活,因此這里采用連續(xù)激光進(jìn)行退火試驗。激光退火共分為二個方案,如表2所示。方案P1為綠光退火,采用的激光波長為532 nm,功率密度為64 kW/cm2,照射時間為2 ms；方案P2為紅外激光退火,其波長為808 nm,功率密度為62 kW/cm2,照射時間為2.7 ms。

表2 激光退火方案Tab.2 Laser annealing scheme

樣品經(jīng)過激光退火后,通過分析樣品表層n型載流子濃度分布來確定激活深度；通過測量材料表面的方阻來計算激活效率。

3 實驗結(jié)果

圖1顯示了激光退火前后樣品表面的原子力顯微鏡(AFM)形貌。離子注入后,樣品表面平整,均方根粗糙度Rq為0.322 nm。經(jīng)過532 nm以及808 nm連續(xù)激光退火后,樣品表面形貌并未發(fā)生明顯變化,仍然保持平整,Rq分別為0.367 nm和0.46 nm。

(a)P離子注入后退火前(Rq=0.322 nm)

(b)P1方案退火后(Rq=0.367 nm)

(c)P2方案退火后(Rq=0.46 nm)圖1 激光退火前后樣品表面AFM形貌Fig.1 AFM morphologyimages of the samplesurface before and after laser annealing

圖2給出了退火前Si晶圓中注入的P原子濃度分布曲線以及兩種方案退火后樣品的載流子濃度分布曲線。其中,P原子濃度分布是通過二次電子質(zhì)譜(SIMS)法測量獲得的,載流子濃度分布曲線是通過擴(kuò)展電阻剖面分布法(SRP)檢測獲得的。

圖2 激光退火前后樣品中P原子濃度分布及載流子濃度分布Fig.2 Concentration distribution of P atoms and carriers in the samples before and after laser annealing

就P元素的檢測而言,SIMS的最小分辨率大約是5×1014cm-3,低于此濃度的區(qū)間將無法準(zhǔn)確表現(xiàn)在SIMS檢測曲線上。這里就以SIMS的最小分辨率做為確定注入深度的標(biāo)準(zhǔn)。如圖2所示,當(dāng)P原子濃度在注入層末端降至5×1014cm-3時,其所處深度大約在7 μm。

注入的雜質(zhì)只有被激活后,才能為半導(dǎo)體材料提供載流子。因此,通過檢測注入層中的載流子濃度可以清晰的反應(yīng)出雜質(zhì)的激活程度。如圖2所示,經(jīng)過532 nm以及808 nm波長的連續(xù)激光退火后,注入層中的載流子濃度分布曲線與注入的P原子濃度分布曲線走勢基本一致,說明這兩種波長的連續(xù)激光退火都實現(xiàn)了較好的激活效果。532 nm激光退火后的載流子濃度曲線在深度～8.2 μm處下降為襯底原位摻雜的濃度,而808 nm激光退火后的載流子濃度曲線在～8.5 μm處趨于襯底原位摻雜濃度。

由于pn結(jié)的自隔離效應(yīng),在進(jìn)行方阻測量時提取到的只是表面注入層的電阻?；赟IMS標(biāo)定的P原子濃度,假設(shè)雜質(zhì)完全激活,可以通過積分電導(dǎo)率計算出注入層的方阻約為373 Ω/□。經(jīng)過532 nm激光退火后的樣品方阻為402 Ω/□,激活率約為93 %；經(jīng)過808 nm激光退火后的樣品方阻為374 Ω/□,激活率幾乎100 %。

4 分析與討論

對于不同波長的激光,Si材料的吸收系數(shù)會有明顯不同。如圖3所示,532 nm激光在Si材料中的穿透深度只有1.25 μm,而808 nm激光在Si材料中的穿透深度可以高達(dá)13.09 μm,是532 nm激光的10倍多。也就是說,Si材料對532 nm激光的吸收要比808 nm強(qiáng)的多。這就意味著,532 nm激光的能量主要集中在靠近表層1 μm附近的深度里加熱材料,而808 nm可以直接加熱至少10 μm。

圖3 Si材料中光的穿透深度與波長的關(guān)系Fig.3 The relationship between light transmission depth and itswavelength in Si materials

那為什么532 nm也可以激活深達(dá)7 μm的注入雜質(zhì)呢？這主要是因為材料的熱傳導(dǎo)在起作用。由于激光的作用時間都是在毫秒量級,材料表面吸收激光能量轉(zhuǎn)化出來的熱量有足夠的時間向材料內(nèi)部傳導(dǎo)。因此,即使532 nm波長的激光在Si中的穿透深度只有1.25 μm,也同樣可以將7 μm深處的材料加熱到退火溫度。雖然激光退火過程中很難通過有效的技術(shù)手段監(jiān)測材料中的溫度分布,但這個過程可以通過求解熱流方程來仿真出來[8-9]:

(1)

Q(x,t)=P(t)α(1-R)exp(1-αx)

(2)

一維熱流方程如式(1)和(2)所示,其中,ρ表示Si材料的密度；C是熱容；T是溫度；t是時間；k是熱導(dǎo)率；Q表示材料吸收激光能量轉(zhuǎn)化成熱的產(chǎn)生率；x表示深度；P是激光的功率密度；α是吸收系數(shù),是光在材料中穿透深度的倒數(shù)；R是反射率。通過仿真求解熱流方程,可以得到這兩方案退火過程中Si材料內(nèi)部的溫度場分布,如圖4所示。

圖4 不同激光退火方案的溫度場分布仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of the temperature field distribution of different laser annealing schemes

由圖4可以看出,808 nm借助較深的穿透深度,其溫度場分布要比532 nm的略高,但總體來講,532 nm與808 nm激光退火的加熱深度都遠(yuǎn)超注入深度。通常情況下,采用1000 ℃的高溫退火即可充分激活離子注入過的Si,本文采用532 nm連續(xù)激光照射注入Si材料2 ms,在不導(dǎo)致表面熔融的情況下可以使至少50 μm深的材料加熱到1000 ℃以上,而采用808 nm連續(xù)激光照射2.7 ms,至少可以激活80 μm。

5 總 結(jié)

本文基于高能P離子注入Si的激光退火激活方案展開研究。P離子的注入能量最高為10 MeV,注入深度達(dá)7 μm。分別采用532 nm和808 nm連續(xù)激光進(jìn)行退火。結(jié)果顯示,這兩種波長的激光都可以充分激活整個注入深度內(nèi)的雜質(zhì)。雖然532 nm波長的激光在Si中的穿透深度只有808 nm激光的不到1/10,只有1.25 μm,但借助毫秒量級的作用時間,同樣可以實現(xiàn)和長波長激光一樣的退火效果。由此可見,增加激光作用時間也同樣有助于實現(xiàn)深注入激活。