功率MOSFET接触孔注入...对激活效果及器件性能的影响_颜树范.pdf

38 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月Electronics 电子学0 引言 功率场效应管（MOSFET）作为电流驱动器件，应用在移动通信、新能源汽车、变频家电、工业电网变电等多个领域。按照研究机构Yole最新预测，今后十年功率MOSFET依旧保持3%以上稳定增长趋势。MOSFET 阱区部分在悬空不接电极的情况下，源极和阱之间偏置电位的不稳定导致阈值电压波动（背栅效应），为了有效控制阈值电压稳定性，阱区需通过大剂量注入形成欧姆接触，并和源区短接的方式固定到相同电位。1 研究背景大剂量离子是通过大电流高能粒子束作业机注入的，由于离子注入会产生晶格损伤，同时由于注入后离子仅停留在晶格间隙，注入后需要进一步热退火过程把离子。修复晶格缺陷所需温度为500以上，而激活离子，使离子归位到激活点，则需要800以上的高温过程。随着大电流注入机注入剂量增大，真空稳定性问题的存在会在单步注入工艺作业中产生40100次的注入中断。中断次数增多导致工艺时法拉第部件机械运动次数过多，增加颗粒风险。本文将研究不同注入剂量搭配不同激活条件下的激活总量变化趋势，并探索不同注入-激活组合对器件电学性能的影响。2 注入退火仿真离子注入后在晶圆表面各深度区域离子分布是不同的，伴随着激活的热过程，离子在激活的过程中也会随着扩散使注入离子重新分布。通过检测不同区域离子浓度（或电阻率）来描绘离子注入-激活后的分布情况。本节基于TCAD Sentaurus进行工艺级物理模型的仿真。2.1 激活效率图1描述了不同热过程后离子热激活后分布状态，其中，蓝色虚线代表离子注入后低温/短时间完全激活后载流子浓度理想分布，绿色虚线代表离子注入后通过高温/长时间完全激活后载流子浓度理想分布。在分布图中，虚线波峰区域大致反映了离子作者简介：颜树范，上海华虹宏力半导体制造有限公司二厂工程一部；研究方向：集成电路制造。收稿日期：2022-08-08；修回日期：2023-05-12。摘要：阐述接触孔大剂量离子注入会引起颗粒问题，而离子注入剂量太小会导致背栅效应，引起开启电压不可控。本文通过仿真探索接触孔离子注入退火后的激活效果，并通过实验验证不同注入条件及退火条件对器件的影响，试图找到合适的工艺窗口。关键词：集成电路制造，功率MOSFET，接触孔注入，接触孔退火，离子激活。中图分类号：TN405，TN722.75文章编号：1000-0755(2023)05-0038-04文献引用格式：颜树范.功率MOSFET接触孔注入退火工艺对激活效果及器件性能的影响J.电子技术,2023,52(05):38-41.功率MOSFET接触孔注入退火工艺对激活效果及器件性能的影响颜树范（上海华虹宏力半导体制造有限公司二厂工程一部，上海 201203）Abstract This paper describes that high dose ion implant could cause defect during wafer fabrication，while low dose ion have potential risk for Vth uncontrollable.It mainly discuss ion active result by process simulation on ion implant and thermal process.It also discuss how contact implant and thermal process affect MOSFET,and try to find a proper window for current process.Index Terms integrated circuit manufacturing,power MOSFET,contact implant,contact thermal anneal,ion activation.Analysis of Influence of Power MOSFET Contact Hole Injection Annealing Process on Activation Effect and Device PerformanceYAN Shufan(Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Co.,Ltd.Plant 2 Engineering Department 1,Shanghai 201203,China.)电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 39Electronics 电子学注入深度范围。由于激活热过程不同，高温/长时间下载流子分布峰值正中往两边扩散，再分布后曲线较低温/短时更平滑。然而，不同热过程激活情况下，激活效率也有所不同。温度越低，杂质离子越不容易激活，因此，实际情况可能如各自对应的实线所示：低温短时间下仅靠注入表面的离子被大部分激活，但越往深处激活效果越差（蓝实线）。如果想要远离表面位置的离子同时激活，则需要提升热过程，使温度/时间达到一定程度，这样才能使实际有效离子分布接近理想（绿色虚/实线）。实线和虚线大部分重叠的表现，是注入离子完全激活的状态。同样比较低温过程（蓝色虚/实线），实际激活和理想激活分布曲线有较大差异，通常将这种状况定义为未激活（或半激活）。除激活效率外，激活总量也是一个关键因素。激活总量定义为不同位置/浓度的积分，即各自分布曲线所围面积。激活总量和注入剂量、激活温度、激活时间密切相关，适当降低（增加）注入剂量，增加（降低）激活温度能够使激活总量维持不变。本篇第三节将基于相近激活总量研究不同注入、热激活对产品电性参数的影响。2.2 激活时间影响维持注入剂量和激活温度不变，比较不同激活时间下载流子分布差异。图2是对注入浓度为1E15 二氟化硼掺杂离子，温度1 000，退火时间分别为20s/30s/40s条件下激活量分布的仿真曲线，其中B Total为仿真模型给出全激活状态下浓度分布，B Active则是实际激活条件下浓度分布，不一定为全激活状态。从仿真分布结果看，由于热过程是高温条件，无论哪个时间条件下，离子几乎全激活（BActive和B Total几乎重合），在全激活下，不同时间退火后的已激活离子分布无明显差异。图3是对注入浓度为1E14 二氟化硼掺杂离子，温度800，退火时间分别为20s/30s/40s条件下激活量分布的仿真曲线，此时由于退火温度不够，都处于未激活状态，同样仿真结果给出BActive和B Total差别较大的结论。但比较不同时间下激活离子分布，曲线依旧是重合的。综合以上全激活和未激活状态下激活量随时间变化趋势的分析，可以得出初步结论：无论离子是否处于完全激活状态，热退火时间对激活效率和激活总量的影响很小。2.3 注入浓度影响比较不同注入剂量下在未激活状态下（800）的载流子分布差异。仿真给出了注入浓度分别在1E15/8E14/6E14/4E14/2E14/1E14下分布状况，图4中，前5组条件未达到全激活状态，最后1组条件（1E14）则已经接近完全激活。单独观测介于未激活和全激活之间，注入浓度为2E14的这组临界条件，此条件下由于表面区域注入浓度较低，表面接近注入峰值深度区域(0.05m)由于热能不够，不能将多余离子进一步激活。相同热条件下，将多余离子激活需要更多热能，因此不同注入剂量下实际/理想激活比值也不同。激活效率随离子注入剂量增加而减小。但是，激活效率只是特定退火过程下活化离子占总离子的百分比比值，激活总量还是随注入量增大而增加的。2.4 激活温度影响为了详细比较不同注入剂量下激活效率随温度变化趋势，分别保持特定剂量（如1E15/6E14/4E14/2E14），对不同激活温度进行仿真。上节仿真结果显示，注入浓度为1E14，在800下已经接近全激活，因此不再安排这组条件的温度梯度模拟。图5所示是注入浓度1E15下仿真结果，温度达到1 000才能达到接近100%全激活状态，此时虽然峰值区域略有轻微差异，但0.05m深度之后曲线与全激活重合。图6对应的注入浓度是6E14，1 000已经与100%全激活完全重合，在950条件下与1E15+1 000相似，0.05m 深度开始曲线开始重合。浓度4E14（图7）和6E14 类似，但理想全激活分布曲线已经下移，因此实际激活总量占总离子百分比再不断增加，即激活效率递增。浓度2E14下（图8），理想全激活曲线进一步下移，从低浓度下不同图1 不同温度下离子激活后分布图2 注入浓度为1E15，退火时间对激活分布的影响图4 800C下注入浓度对激活分布的影响图3 注入浓度为1E14，退火时间对激活分布的影响40 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月Electronics 电子学温度所围积分面积看，搭配900 温度下已经接近理想全激活量的90%，接近全激活状态。表1所示是根据上述仿真结果，对不同注入剂量在不同温度下退火后的激活效率的统计，此表能大致体现使不同注入剂量离子完全激活所需要的温度条件。从表中可以看出，注入剂量由高向低，完全激活的难度也呈梯度递减，对于离子剂量较小注入浓度，仅使用较低温退火就能将90%以上的离子归位到原子晶格间隙中，而对于大剂量二氟化硼注入，将大部分离子归位，则需要更高温的退火条件，甚至1 000以上。上节已经指出，激活效率只是特定退火热过程后活化离子占总离子的比例，激活总量还是随注入量增大、温度升高而增加的。阱区接触电阻的大小由激活总量决定。因此，真正影响器件性能的是激活总量和不同退火温度对注入层的再分布，而非激活率。在实际工艺过程中，接触孔高温退火则会产生另一个问题：接触孔大剂量注入本身对晶格的破坏，及退火的高温条件都会加剧氮-硅反映，进一步引发应力收缩形成空洞颗粒，造成金属-硅互溶。图9是相同接触孔注入条件在不同退火温度下的面内孔状缺陷分布图，1 000以上，由于注入晶格损伤及氮气-单晶硅反应，产生巨大空洞缺陷风险。因此，退火温度应保持在1 000以下。3 工艺验证本节讨论接触孔注入条件搭配温度退火工艺对接触电阻及功率MOSFET 器件的影响。3.1 激活总量及接触电阻关系固定温度下，不同注入浓度对应的激活总量不同，浓度越高，激活总量越大；退火温度越高，激活总量也越大。为了尽可能保证相近激活总量，仿真时加大（减小）注入剂量的同时降低（升高）退火温度，比较各个条件实际分布状态差异。图10是对1E15800/6E14850/4E14900/2E14950/1E141 000这五组条件，仿真激活后有效离子的实际分布汇总。从 图 1 0 五 组 条 件 仿 真 结 果 中 可 以 发 现，1E15800/6E14850/4E14900三组条件模拟激活总量差异不大(仅深度0.10.15m 间有差别，深度00.1m、0.150.4m浓度数量级吻合)，2E14950/1E141 000由于离子掺杂过少，即使在接近100%激活下很难达到所匹配的激活总量。离子激活总量代表参与工作的有效离子浓度，因此激活总量的分布和接触电阻是接近线性关系的，即激活总量越大，电阻率越低。仿真图形只能大致模拟出不同条件下浓度随结深的分布，并不能反应晶圆作业后的实际浓度，因此通过监控不同注入剂量及退火温度下注入区域方块电阻值进行进一步验证。图11是针对不同注入浓度和不同退火温度，设计55交叉实验方案并流片后收集的方块电阻汇总，其中，注入浓度对Rs影响最显著。从实测数据上看，相等电阻区间（如300/m附近），多组条件组合均可以满足这一方块电阻的要求：1E15800/6E14800850/4E14900以上等。当注入浓度降低到2E14及以下时，再高温度都无法做到同1E15图5 注入浓度1E15，激活 温度对激活分布的影响图6 注入浓度6E14，激活温度对激活分布的影响图7 注入浓度4E14，激活 温度对激活分布的影响图8 注入浓度2E14，激活 温度对激活分布的影响表1 各注入浓度下不同温度激活效率统计图9 退火温度对表面缺陷的影响电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 41Electronics 电子学电阻匹配。以上结论和图10仿真结果是一致的，同时也为生产指出一条方向：可以通过适当增加温度降低注入剂量来降低颗粒风险。3.2 器件影响基于上述结论，选择以下5组注入/退火条件进行流片，并分析对器件的影响。（1）1E15800，（2）5E14850，（3）5E14900，（4）2E14950，（5）1E141 050。各条件对应的方块电阻值见表2。由于接触孔注入和器件开启（Vth），正向导通（Vfsd）和漏源漏电（Idss）这3个参数直接相关，观测这些参数随不同注入激活的变化趋势。从图12图14可以得出以下结论，即使是注入剂量降低到1E14，此时激活总量已经很小，仅1E15800的30%，器件依旧能实现其电学功能。图15是开启电压Vth面内均匀性，激活总量虽然变化较大，但正面金属依旧能和阱区形成较好欧姆接触，因此未导致开启稳定性变差。比较注入同为5E14，不同温度下电性参数，条件4 退火温度比条件3高，激活总量也更高（Rs更低），但源漏间漏电流Idss反而更大。Idss表现和离子激活总量相关性并不大，反而和退火温度有关（温度越高，Idss越大）。进一步比较这5个实验分组，随着激活温度升高，体二极管正向导通电压Vfsd降低，漏电流逐渐升高。漏电流的增大会进一步导致器件提前开启，表现为开启电压Vth下降。4 结语 接触孔大剂量离子注入会引起颗粒问题，而离子注入剂量太小会导致背栅效应，引起开启电压不可控。本文通过仿真探索接触孔离子注入退火后的激活效果，并通过实验验证不同注入条件及退火条件对器件的影响，试图找到合适的工艺窗口。参考文献1 Abdelhamid HALLOUCHE.Thermal Impact on the Power Device-Behaviour:Application on the IGBTJ.2007,27(1).2 赵庭.VDMOSFET计算机仿真分析与设计D.辽宁：沈阳工业大学，2009.3 E.H.,SNOW,A.S.Effects of Ionizing Radiation on Oxidized SiliconSurfaces and Planar DevicesJ.PROCEEDINGS OF THE IEEE,1967,55(7).4 S.Moffatt.Silicon damage studies due to ultra-low-energy ion implantation with heavy species and rapid thermal annealingJ.Materials Science in Semiconductor Processing,2000(3):291-296.图10 同数量级激活总量的不同工艺组合图11 不同注入，退火温度组合下方块电阻实测值表2 注入-退火组合的实验方案图12 漏电特性图13 体二极管导通特性图14 开启电压图15 开启电压面内均匀性