一種用於碳化矽高溫退火表面保護的碳膜快速製備方法與流程
2023-10-23 23:20:02 2
本發明屬於半導體微電子器件製備技術領域，涉及一種碳化矽高溫退火表面保護碳膜的快速製備方法。
背景技術：
碳化矽（SiC）作為第三代寬禁帶半導體材料，具有熱導率高、擊穿場強高、飽和電子漂移速度高等特點，這些優越的性能使碳化矽電子器件能在高溫、高功率和高頻等惡劣環境下可靠地工作，相比矽、鍺、砷化鎵、磷化銦等傳統半導體具有明顯優勢。
在微電子器件製備過程中，一般通過摻雜的方式在半導體基體材料中引入不同於宿主材料的其它雜質原子，經過激活後，這些雜質原子的類型和濃度會直接決定最終半導體材料的導電類型和導電能力強弱。常用的摻雜方式有擴散摻雜、離子注入和外延摻雜。其中，外延摻雜通常用於器件結構製備前生長特定摻雜濃度的大面積晶元，難以對晶片局部區域進行選擇性的摻雜。此外，由於碳化矽材料具有極為穩定的共價鍵，擴散摻雜方式難以將雜質原子擴散進入碳化矽材料。可行的是，由於離子注入具有較好的控制性和選擇性，還可在離子注入過程中加以高溫的輔助，因此，高溫離子注入是對碳化矽材料局部區域進行摻雜的有效方式。目前，離子注入已被廣泛地應用於碳化矽PiN二極體、結勢壘肖特基二極體（JBS），場效應電晶體（JFET和MOSFET），門極可關斷晶閘管（GTO），或者絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）等功率器件中的結終端擴展、場保護環、歐姆接觸工藝。
由於碳化矽材料的共價鍵很強，在對碳化矽進行高能離子注入過程中，一般採用多次高能離子注入在碳化矽材料中形成箱體形狀分布。對碳化矽器件進行離子注入後，雜質原子不能直接改變材料的電學性能，通常還需要在1600℃以上的高溫下進行一定時間的熱退火以激活雜質離子，從而改變碳化矽器件中的載流子濃度。此外，在退火過程中，高能離子注入引起的碳化矽晶格損傷也會得到較好地修復。因此，離子注入後的高溫退火工藝是影響碳化矽電子器件最終電學性能的關鍵因素。
在1600℃以上的高溫對碳化矽器件進行熱退火的過程中，碳化矽表面的材料會發生分解：即矽原子升華，碳元素殘留在器件表面，形成難以去除的粉末狀碳顆粒，即使採用RCA標準清洗工藝也難以獲得潔淨平坦的碳化矽表面。殘留在碳化矽器件表面的粉末狀碳顆粒對最終器件的性能有顯著的不利影響，如使器件表面粗糙度增加、降低器件的歐姆接觸性能和可靠性、影響器件中載流子遷移率等。目前常用的保護高溫退火過程中碳化矽表面方法有：在高溫退火過程中在碳化矽表面覆蓋碳化矽粉末抑制碳化矽自身分解，或者通過濺射鍍膜方式在離子注入後的碳化矽表面沉積一層碳膜或者氮化鋁薄膜等。這些方法雖然能對碳化矽表面起到一定的保護作用，但是對設備的要求較高，且工藝時間長、成本也較高。
因此，需要一種工藝簡單、快速且有效的方法實現碳化矽器件在高溫退火過程中的表面保護；此外，保護方法不能引入額外的缺陷以致降低碳化矽器件的性能。
技術實現要素：
為了解決上述碳化矽器件高溫退火存在的技術難題，本發明提供了一種碳化矽高溫退火表面保護碳膜的快速製備方法，該方法工藝簡單、快速且有效，在不引入額外缺陷的前提下，可實現碳化矽器件高溫退火過程中的表面保護。
本發明採用的技術方案如下：
一種碳化矽高溫退火表面保護碳膜的快速製備方法，其特徵在於：碳化矽器件高溫激活前，在碳化矽器件的正、反兩面旋塗光敏抗蝕劑，低溫烘烤去除光致抗蝕劑中的有機溶劑；通過快速熱退火方法使光致抗蝕劑在無氧環境下熱分解，形成均勻的碳膜；覆蓋有碳膜的碳化矽器件在高溫下進行退火激活雜質離子；雜質離子注入激活後，在純氧氣和高溫環境下，去除碳化矽器件正、反兩面的碳膜。
所述碳化矽器件可以是PiN二極體，或者是結勢壘肖特基二極體（JBS），或者是門極可關斷晶閘管（GTO），或者是絕緣柵雙極型電晶體（IGBT）。
所述光致抗蝕劑是正性或者負性，低溫烘烤的溫度為90-110℃，烘烤時間2-5分鐘。
碳膜的具體製備工藝是：碳化矽器件正、反兩面的光致抗蝕劑在700-900℃的快速熱退火爐中發生熱分解，熱分解生成的碳在碳化矽器件表面形成均勻的碳膜；快速熱退火爐中的快速熱退火過程在標準大氣壓的氮氣或者氬氣保護環境下進行。
覆蓋有碳膜的碳化矽器件在1600-1800℃高溫下進行退火激活雜質離子的過程，是在真空或者氬氣保護下進行。
碳膜去除工藝是在800-1100℃的溫度範圍進行，在純氧氣環境下對碳膜進行氧化，完全去除碳化矽器件正、反兩面的碳膜。
本發明的有益效果如下：
與現有技術相比，本發明採用快速退火，使旋塗在碳化矽表面的光敏抗蝕劑在無氧環境下熱分解，工藝簡單、耗時短，可實現性強，可快速形成均勻的碳膜保護層，用於高溫退火過程中碳化矽表面保護；提高了碳化矽晶片加工效率，降低晶片成本；本發明能有效保護碳化矽基片正、反兩面，避免在高溫退火中碳化矽分解導致基片表面粗超度增加，也避免了高溫退火過程引入額外的表面缺陷。
附圖說明
圖1是本發明碳膜保護的碳化矽結勢壘肖特基二極體注入後退火的截面示意圖；
圖2是本發明碳膜保護的碳化矽PiN二極體結終端擴展區域的截面示意圖；
其中，附圖標記為：1-N型外延層，2-P型離子注入層，31-正面碳膜保護層，32-反面碳膜保護層，4- N型重摻雜碳化矽外延層，5- N型輕摻雜碳化矽外延層，6-P型重摻雜的結終端擴展區域，7-P型重摻雜的陽極接觸區域。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明，應當理解，附圖中的結構是示意而非限定性的，故各部分的尺寸特徵未按比例畫出。
實施例1
本實施例是結勢壘二極體製備過程中離子注入工藝後的高溫退火表面保護，有源區經過離子注入摻雜後，在1600℃高溫退火激活過程中的保護。
經過常規圖形化和離子注入後，在碳化矽外延基片上形成離子注入區域，碳化矽外延基片可以是p型摻雜或n型摻雜，離子注入區則是與碳化矽外延基片相反的摻雜類型，如圖1所示的工藝步驟截面示意圖，1為N型外延層，2為P型離子注入層。
所述離子注入後的碳化矽外延基片的正面和反面分別旋塗光敏抗蝕劑，厚度均為3微米，在110℃熱板上軟烘烤5分鐘。
隨後將軟烘烤後的基片放入快速退火爐中進行退火，退火過程中使用高純氮氣或者氬氣保護，溫度為900℃保持5-10分鐘，經過熱分解後在碳化矽外延基片正面碳膜保護層31和反面碳膜保護層32形成緻密的碳膜保護層。
將採用所述方法保護的碳化矽外延基片在真空和氬氣保護環境中，1600℃退火20分鐘，激活注入的離子。
完成退火激活後，在1000℃高溫爐中通入純氧氣，對外延基片兩側的碳膜進行氧化2小時，徹底去除碳化矽基片正面碳膜保護層31和反面碳膜保護層32的碳膜。
實施例2
本實施例是碳化矽PiN二極體製備過程中結終端保護區離子注入後的高溫退火表面保護，採用本發明所述的方法對碳化矽基片正、反面進行保護。
如圖2所示，在N型輕摻雜碳化矽外延層5上經過常規圖形化和離子注入後，形成P型重摻雜的結終端擴展區域6；隨後採用本方法在N型重摻雜的碳化矽基片背面4上旋塗光敏抗蝕劑形成反面碳膜保護層32，在正面旋塗光敏抗蝕劑形成正面碳膜保護層31，完全覆蓋P型重摻雜的結終端擴展區域6和P型重摻雜的陽極接觸區域7，然後在110℃烘箱軟烘烤30分鐘去除光敏抗蝕劑中的有機溶劑。
隨後將軟烘烤後的基片放入快速退火爐中進行退火，退火過程中使用高純氮氣或者氬氣保護，溫度為900℃保持5-10分鐘，經過熱分解後在碳化矽外延基片形成緻密的正面碳膜保護層31和反面碳膜保護層32。
將採用本方法保護的碳化矽外延基片在真空和氬氣保護環境中，1600℃退火20分鐘，激活P型重摻雜的結終端擴展區域6的注入離子。
完成退火激活後，在1000℃高溫爐中通入純氧氣，對外延基片兩側的碳膜進行氧化2小時，徹底去除碳化矽基片的正面碳膜保護層31和反面碳膜保護層32的碳膜。