CN102664151B - 一种用于制造碳化硅器件的高温退火方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于制造碳化硅器件的高温退火方法，包括以下步骤：1）使用酸性溶液清洗经过离子注入的SiC晶片；2）在SiC晶片上涂覆一层有机化合物作为保护层；3）将SiC晶片放入高温退火炉，充入氩气作为保护气体；4）将SiC晶片加热到第一温度，进行保护层碳化；5）将SiC晶片加热到第二温度，进行高温退火；6）降温阶段。优点：采用碳化后的光刻胶作为高温退火时的保护层，保护层的制备不需要使用额外的设备，在高温炉内就可以完成，工艺简单，成本低；保护气体采用氩气，设备不需要尾气处理系统；改进后的退火条件，能够大幅缩短工艺时间；能够完全保护SiC表面在高温退火过程中不受影响，最终提高器件的可靠性和成品率。

Description

一种用于制造碳化硅器件的高温退火方法

技术领域

本发明涉及的是一种高温退火方法，具体是涉及一种用于制造碳化硅器件的高温退火方法。

背景技术

碳化硅（SiC）材料是自第一代元素半导体材料（Si）和第二代化合物半导体材料（GaAs、GaP、InP等）之后发展起来的第三代宽带隙半导体材料。SiC材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高电子饱和漂移速度等特点，特别适合制作微波大功率、高压、高温、抗辐照电子器件，在国民经济各方面具有广泛的应用。当前，SiC器件的研制已经成为研究热点。

制备SiC器件的关键工艺之一是欧姆接触的形成，欧姆接触质量的好坏，接触电阻的大小直接影响到器件的效率，增益和开关速度等性能指标。为了形成欧姆接触，选择性的掺杂技术是必需的。由于杂质在SiC中的扩散系数很低，所以无法采用热扩散的方法制备欧姆接触所需要的高掺杂区。

目前SiC的掺杂有两种常用的方法:外延生长过程中的原位掺杂和离子注入掺杂。离子注入可以在适当的高温下，进行浓度和区域可设计的、可控的选择掺杂。和原位掺杂相比，采用离子注入掺杂，器件设计的灵活度更大，器件的制造工艺更简单，而且器件的制造成本较低；离子注入后，为了提高激活率和减少缺陷，必需对SiC进行高温退火，其主要完成两个目的：1）使注入时产生的无定形缺陷再结晶；2）使注入原子(离子)进入替代位并激活。

在高温退火的过程中，退火温度超过1400℃后，SiC中的Si会发生升华现象，使SiC表面产生一层富碳层，富碳层的出现会在SiC表面造成许多的缺陷，增大SiC表面的粗糙度，还会导致一部分注入离子从SiC表面逸出。SiC表面的粗糙度会直接影响到器件的可靠性和成品率，注入离子从SiC表面逸出会影响到 注入效果。为了解决这些问题目前常用的方法有三种：（1）把经过离子注入的SiC放入在高温下能够产生含Si气氛的环境中，例如使用硅烷做退火时的保护气体，或者在高温炉内撒上SiC粉末。这种方法的缺点是Si的升华现象能够大幅减少但还是不能完全避免；（2）在高温退火前进行一次预激活退火，在SiC表面形成一层富碳层或氧化层作为高温退火时的保护层，形成密封体系来防止高温下Si的升华和注入离子的逸出，采用保护层后SiC表面状况能得到明显改善，但这种方法会损坏一部分SiC外延层；（3）在注入后的SiC表面制备一层高温稳定材料作为高温退火时的保护层，这种方法基本能够完全保护SiC表面在高温退火过程中不受影响，减少注入离子的逸出，但工艺复杂，生产成本较高。上述保护SiC表面的方法均有其不足，目前还缺少一种工艺简单，生产成本低，能够完全保护SiC表面在高温退火过程中不受影响的方法。

在高温退火的过程中，退火条件十分重要，退火条件包括：退火温度，退火时间，升温速率，保护气体类型和气压。大量研究表明，退火温度越高，退火时间越长，激活率越高，但高温会使SiC表面形成大的起伏缺陷，温度越高，时间越长，由起伏缺陷造成的SiC表面粗糙的情况就越严重；在退火过程中注入离子会不断从SiC表面逸出，退火温度和退火时间会直接影响到注入离子的逸出数量，从而最终影响到注入效果；保护气体的类型和气压会影响到保护层的效果，也会影响到SiC的表面状况。目前常用的退火条件通常采用硅烷或含氢的惰性气体作为保护气体，保护气体属于有毒或危险气体，需要使用尾气处理系统，工艺时间较长，导致生产成本较高。

综上所述，为了提高SiC器件的可靠性和成品率，降低生产成本。目前常用的SiC高温退火方法还有许多缺陷，保护层的制备和退火条件都还有改进的必要。

发明内容

本发明提出的是一种用于制造碳化硅器件的高温退火方法，其目的是为了解决现有技术所存在的上述不足， 提出了一种生产成本低，工艺简单，退火效果好的高温退火方法。

本发明的技术解决方案：该方法包括以下步骤：

1）使用酸性溶液清洗经过离子注入的SiC晶片； 

2）在SiC晶片上涂覆一层有机化合物作为保护层； 

3）将SiC晶片放入高温退火炉，充入氩气作为保护气体； 

4）将高温退火炉气压设为第一气压，将SiC晶片作第一次升温，加热到第一温度，保持温度进行保护层碳化；

5）将高温退火炉气压设为第二气压，将SiC晶片作第二次升温，由第一温度升温加热到第二温度，保持温度进行高温退火；

6）将高温退火炉气压设为第三气压，将SiC晶片由第二温度降温到室温。

本发明的有益效果：1）采用碳化后的光刻胶作为高温退火时的保护层，保护层的制备不需要使用额外的设备，在高温炉内就可以完成，工艺简单，生产成本低；2）保护气体采用氩气，设备不需要尾气处理系统，成本低；3）退火时间减少，升温速率提高，能够大幅缩短工艺时间；4）能够完全保护SiC表面在高温退火过程中不受影响，最终提高器件的可靠性和成品率。

附图说明

附图1是本发明的较佳实施例的退火过程中的温度与时间的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

参照附图，

1）使用盐酸和硝酸混合溶液（其重量比为1:1），清洗经过离子注入的SiC晶片，类型4H-SiC ；

2）在SiC晶片上涂覆一层ArF光刻胶作为保护层； 

3）将SiC晶片放入高温退火炉，充入氩气作为保护气体； 

4）将高温退火炉气压设为10Pa，将SiC晶片作第一次升温，加热到1000℃，，升温速率100℃/分钟，保持温度10分钟，进行保护层碳化；

5）将高温退火炉气压设为1000Pa，将SiC晶片作第二次升温，由1000℃加热到2000℃，升温速率100℃/分钟，保持温度1分钟，进行高温退火；

6）将高温退火炉气压设为2000Pa，将SiC晶片由2000℃降温到室温。

实施例2

对照附图，

1）使用硫酸清洗经过离子注入的SiC晶片，然后使用盐酸清洗经过离子注入的SiC晶片，类型6H-SiC； 

2）在SiC晶片上涂覆一层电子束光刻胶作为保护层； 

3）将SiC晶片放入高温退火炉，充入氩气作为保护气体； 

4）将高温退火炉气压设为0.0001Pa，将SiC晶片作第一次升温，加热到850℃，升温速率80℃/分钟，保持温度30分钟，进行保护层碳化；

5）将高温退火炉气压设为500Pa，将SiC晶片作第二次升温，由850℃加热到1850℃，升温速率200℃/分钟，保持温度5分钟，进行高温退火；

6）将高温退火炉气压设为1000Pa，将SiC晶片由1850℃降温到室温。

所述的步骤1）使用酸性溶液混合溶液清洗经过离子注入的SiC晶片。这一步骤能除去SiC晶片表面附着的杂质，防止杂质在高温退火过程中与SiC发生反应，在表面形成缺陷，也能避免杂质和SiC的扩散影响退火效果。

所述的步骤2）可以使用G-line，H-line，I-line光刻胶，氩F光刻胶，KrF光刻胶，EUV光刻胶和电子束光刻胶作为保护层，工艺简单，成本低。

所述的步骤3）保护层的制备和高温退火在同一台高温炉内完成，无需额外的设备，工艺简单，采用氩气作为保护气体，设备不需要尾气处理系统，使用成本低。

所述的步骤4）将高温退火炉气压设为第一气压，将SiC晶片作第一次升温，加热到第一温度，保持温度进行保护层碳化。这一步骤中气压的范围是0.00001Pa-10Pa，气压太高会影响SiC的表面平整度，气压太低，碳化过程中保护层的碳离子会逸出，导致保护层不致密。这一步骤中升温速率不大于100℃/秒，升温速率太快会造成光刻胶保护层中出现气泡，使碳化后的保护层不致密，影响退火效果。这一步骤中保持温度的时间范围是10分钟-30分钟，时间太长SiC表面会形成大量缺陷，影响平整度，时间太短光刻胶中的溶剂无法完全蒸发，保护层无法完全碳化，碳化不完全的保护层在高温退火过程中会开裂甚至脱落。第一温度的范围是850℃-1000℃，在碳化阶段温度太高会导致光刻胶中溶剂蒸发速度过快，使碳化后的保护层不致密，温度太低则溶剂无法完全蒸发，不能形成碳化保护层。

所述的步骤5）将高温退火炉气压设为第二气压，将SiC晶片作第二次升温，由第一温度升温加热到第二温度，保持温度进行高温退火。这一步骤中气压的范围是500Pa-1000Pa，气压太低会增大SiC的表面粗糙度，气压太高会影响退火时的温度均匀性。这一步骤中升温速率不小于100℃/秒，由于SiC晶片表面已经形成致密的保护层，快速升温不会影响SiC晶片的表面平整度，还能缩短工艺时间。这一步骤中保持温度的时间范围是1分钟-5分钟，时间太长SiC表面会形成的缺陷会大量增多，影响表面平整度，时间太短又会影响激活率。第二温度的范围是1850℃-2000℃，退火温度越高，激活率越高，但高温会使SiC表面形成大的起伏缺陷，温度越高，由起伏缺陷造成的SiC表面粗糙的情况就越严重。

碳化硅晶片的类型还包括在碳化硅衬底上生长了一层或多层碳化硅薄膜的外延片。

Claims (1)

1.一种用于制造碳化硅器件的高温退火方法，其特征是该方法包括如下步骤：

1）使用酸性溶液清洗经过离子注入的SiC晶片； 

2）在SiC晶片上涂覆一层有机化合物作为保护层； 

3）将SiC晶片放入高温退火炉，充入氩气作为保护气体； 

4）将高温退火炉气压设为第一气压，将SiC晶片作第一次升温，加热到第一温度，保持温度进行保护层碳化；

5）将高温退火炉气压设为第二气压，将SiC晶片作第二次升温，由第一温度升温加热到第二温度，保持温度进行高温退火；

6）将高温退火炉气压设为第三气压，将SiC晶片由第二温度降温到室温；

所述的酸性溶液包括硫酸，盐酸，硝酸中的一种溶液或二种的混合溶液；所述的作为保护层的有机化合物包括G-line，H-line，I-line光刻胶，ArF光刻胶，KrF光刻胶，EUV光刻胶和电子束光刻胶；所述的保护层碳化和高温退火在同一退火炉中进行；所述的第一气压的范围是0.00001Pa-10Pa，第一次升温的速率的范围是80℃/分钟-100℃/分钟，第一温度的范围是850℃-1000℃，保护层碳化的保持温度的时间范围是10分钟-30分钟；所述的第二气压的范围是500Pa-1000Pa，第二次升温的速率的范围是100℃/分钟-200℃/分钟，第二温度的范围是1850℃-2000℃，高温退火的保持温度的时间范围是1分钟-5分钟；所述的第三气压大于第二气压；所述的碳化硅晶片的类型包括6H-SiC，4H-SiC；所述的碳化硅晶片的类型包括在碳化硅衬底上生长了一层或多层碳化硅薄膜的外延片。