CN103560078A - 一种精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，包括：清洗碳化硅外延衬底；在碳化硅外延衬底表面生长足以抵挡高温高能量离子注入的高温离子注入掩蔽层；在高温离子注入掩蔽层上生长用于控制刻蚀工艺的刻蚀阻挡层；在刻蚀阻挡层上涂敷光刻胶，采用光刻显影技术在刻蚀阻挡层表面形成选择性高温离子区域窗口；从选择性高温离子区域窗口依次对刻蚀阻挡层和高温离子注入掩蔽层进行刻蚀直至碳化硅外延衬底的表面；去除光刻胶及剩余的刻蚀阻挡层，得到侧壁光滑、陡直、可控的厚介质离子注入掩蔽层。本发明精确的对刻蚀面进行角度控制，得到侧壁光滑、陡直的厚介质离子注入掩蔽层，保证了选择性离子注入区域内的均一性良好、可控性强。
Description
技术领域
本发明涉及离子注入掩模制备技术和刻蚀/腐蚀技术领域，具体涉及一种精确控制碳化硅(SiC)高温离子注入掩模陡直性的方法。
背景技术
碳化硅材料具有优良的物理和电学特性，以其宽的禁带宽度、高的热导率、大的饱和漂移速度和高的临界击穿电场等独特优点，成为制作高功率、高频、耐高温、抗辐射器件的理想半导体材料，在军事和民事方面具有广阔的应用前景。以SiC材料制备的电力电子器件已成为目前半导体领域的热点器件和前沿研究领域之一。
掩模技术是半导体制造中的重要工艺之一，它是进行选择性掺杂，保护退火的一种重要方法。最常用的离子注入掩模是绝缘掩蔽膜和金属掩蔽膜，虽然金属掩蔽膜具有较大的阻止本领，见专利ZL200610108343.5野中贤一等“离子注入掩模、碳化硅半导体器件及他们的制造方法”，但是金属掩蔽层的去除非常困难，在样品表面不能完全去除，易导致器件的表面漏电，造成器件性能变差甚至失效。因此，在高温高能离子注入领域中，主要用的是绝缘掩蔽薄膜。
对于碳化硅电力电子器件来说，为获得均一性良好的箱型注入，基本上都需要进行高温、高能多次注入，根据LSS理论，需要的注入掩模厚度较厚，如用多晶硅、SiO2、Si3N4介质作注入掩模层时，都需要达到微米量级；
同时，为实现SiC电力电子器件终端保护环设计结构的选择性掺杂，以及JBS器件有源区P+栅格的选择性掺杂，都需要对厚介质掩模进行图形光刻并刻蚀出选择性注入区域，特别是针对高压器件终端保护环结构，如1200V SiC JBS器件，场限环终端保护结构就需要15个，间距为1μm(甚至间距更小)的保护环。如果厚介质掩模制作不光滑、陡直，就会造成选择性离子注入区域掺杂不均匀，特别是环的边缘处不均匀，很容易造成电场分布的不均匀，从而引起器件击穿性能的下降。所以，这种选择性区域的厚介质离子注入掩模的制作，非常关键，对刻蚀的要求非常高，需要精确控制刻蚀面的角度，形成光滑、陡直的侧壁。为避免金属造成的污染，一般采用光刻胶作为介质掩模的刻蚀阻挡层，但光刻胶很容易在干法刻蚀过程中变形，刻蚀阻挡层的变化，会引起刻蚀面的形变，得不到碳化硅器件制造过程中所需的侧壁陡直的离子注入掩模。
本发明选择合适的刻蚀阻挡层材料和刻蚀技术，可以精确的对刻蚀面进行角度控制，得到侧壁光滑、陡直的厚介质离子注入掩蔽层，保证了选择性离子注入区域内的均一性良好、可控性强，提高了器件击穿性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为实现选择性离子注入区域掺杂均匀，提高器件击穿特性，本发明提出了一种精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，包括以下步骤：清洗碳化硅外延衬底；在碳化硅外延衬底表面生长足以抵挡高温高能量离子注入的高温离子注入掩蔽层；在高温离子注入掩蔽层上生长用于控制刻蚀工艺的刻蚀阻挡层；在刻蚀阻挡层上涂敷光刻胶，采用光刻显影技术在刻蚀阻挡层表面形成选择性高温离子区域窗口；从选择性高温离子区域窗口依次对刻蚀阻挡层和高温离子注入掩蔽层进行刻蚀直至碳化硅外延衬底的表面；去除光刻胶及剩余的刻蚀阻挡层，得到侧壁光滑、陡直、可控的厚介质离子注入掩蔽层。
上述方案中，所述清洗碳化硅外延衬底采用标准RCA清洗，并用N2吹干。
上述方案中，所述高温离子注入掩蔽层采用的材料是多晶硅、SiO2、Si3N4中的任一种或者多种组合。
上述方案中，所述刻蚀阻挡层采用的材料是与高温离子注入掩蔽层的腐蚀或刻蚀选择比高于10的材料，例如非晶硅或单晶硅。
上述方案中，所述从选择性高温离子区域窗口依次对刻蚀阻挡层和高温离子注入掩蔽层进行刻蚀，采用一次刻蚀形成，或者采用分步或分设备刻蚀形成。
上述方案中，所述刻蚀阻挡层采用非晶硅，所述对刻蚀阻挡层进行刻蚀，采用干法刻蚀使用的刻蚀气体为HBr、Cl2中的任一种或其混合物，必要时还可以添加SF6、O2等气体。
上述方案中，所述对高温离子注入掩蔽层进行刻蚀，采用干法刻蚀使用的气体是CF4、C4F8、CHF3、SF6中的任一种或多种的任意混合物，必要时还可以添加O2或Ar等气体。
上述方案中，所述刻蚀阻挡层采用非晶硅，所述去除光刻胶及剩余的刻蚀阻挡层，采用的腐蚀液为含NH3液体的1#液。
(三)有益效果
本发明提供的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，有益效果在于：
1)本发明提供的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，选择性高温离子注入掩模，具有良好的阻挡效果，不仅可以满足高温高能离子注入要求，且经过高温离子注入后容易去除，无残留，工艺简单，易于实现，优于金属掩蔽层，不影响器件性能；
2)本发明提供的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，选择性高温离子注入掩模刻蚀侧壁陡直、光滑，可以满足离子注入区域选择性掺杂的要求，避免注入死角，保证选择性离子注入区域能够均匀注入，提高器件击穿特性。
3)本发明提供的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，选择合适的刻蚀阻挡层材料和刻蚀技术，可以精确的对刻蚀面进行角度控制，得到侧壁光滑、陡直的厚介质离子注入掩蔽层，保证了选择性离子注入区域内的均一性良好、可控性强，提高了器件击穿性能。
4)本发明提供的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，适用于碳化硅SBD、JBS二极管、MOSFET器件以及其他需要使用高温高能量离子注入的碳化硅器件。
附图说明
图1是本发明提供的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法流程图；
图2是采用本发明提供方法获得的离子注入掩模(左)与常规技术形成的离子注入掩模(右)的SEM图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：清洗碳化硅外延衬底；其中，清洗碳化硅外延衬底采用标准RCA清洗，并用N2吹干。
步骤2：在碳化硅外延衬底表面生长足以抵挡高温高能量离子注入的高温离子注入掩蔽层；其中，高温离子注入掩蔽层采用的材料是多晶硅、SiO2、Si3N4中的任一种或者多种组合。
步骤3：在高温离子注入掩蔽层上生长用于控制刻蚀工艺的刻蚀阻挡层；其中，刻蚀阻挡层采用的材料是与高温离子注入掩蔽层的腐蚀或刻蚀选择比高于10的材料，例如非晶硅或单晶硅。
步骤4：在刻蚀阻挡层上涂敷光刻胶，采用光刻显影技术在刻蚀阻挡层表面形成选择性高温离子区域窗口；
步骤5：从选择性高温离子区域窗口依次对刻蚀阻挡层和高温离子注入掩蔽层进行刻蚀直至碳化硅外延衬底的表面；
其中，从选择性高温离子区域窗口依次对刻蚀阻挡层和高温离子注入掩蔽层进行刻蚀，采用一次刻蚀形成，或者采用分步或分设备刻蚀形成。刻蚀阻挡层一般采用非晶硅，对刻蚀阻挡层进行刻蚀采用干法刻蚀使用的刻蚀气体为HBr、Cl2中的任一种或其混合物，必要时可以添加SF6或O2等气体。对高温离子注入掩蔽层进行刻蚀，采用干法刻蚀使用的气体是CF4、C4F8、CHF3、SF6中的任一种或多种的任意混合物，必要时可以添加O2或Ar气体。
步骤6：去除光刻胶及剩余的刻蚀阻挡层，得到侧壁光滑、陡直、可控的厚介质离子注入掩蔽层。其中，刻蚀阻挡层一般采用非晶硅，去除光刻胶及剩余的刻蚀阻挡层采用的腐蚀液为含NH3液体的1#液。
实施例
本发明以在碳化硅外延衬底上精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法为例，对本发明进行详细说明，具体工艺步骤如下：
1)采用标准RCA清洗(3#，1#各10min)碳化硅外延衬底，并用N2吹干芯片。
2)在碳化硅外延衬底上采用PECVD生长的方法，270℃生长2μm的高温离子注入掩蔽层，生长速率为1000A/3min。
3)在高温离子注入掩蔽层上，采用LPCVD法550℃生长500A非晶硅层作为刻蚀阻挡层，生长速率为10-20A/min。
4)匀i线光刻胶1μm，对光刻胶进行曝光2000J/cm2，显影1min，得到选择性离子注入区域窗口。
5)采用不同刻蚀设备，分步干法刻蚀(腐蚀)方法，从选择性离子注入区域窗口依次对非晶硅层和高温离子注入掩蔽层进行刻蚀直至碳化硅外延衬底的表面；
(1)采用RIE1设备刻蚀非晶硅层的过程，刻蚀工艺条件为：
Power：100W，Cl2：100sccm，HBr：50sccm.Pressure：500mTorr，刻蚀速率：3000A/min。
(2)采用RIE2设备刻蚀SiO2离子注入掩蔽层的过程，刻蚀工艺条件为：
Power：500W，Ar2：100sccm，CF4：10sccm，CHF3：50sccm.Pressure：100mTorr，刻蚀速率：1000A/min。
6)腐蚀掉光刻胶及去除剩余的刻蚀阻挡层，得到侧壁光滑、陡直、可控的厚介质离子注入掩蔽层。
如图2所示，图2示出了采用本发明提供方法获得的离子注入掩模(左)与常规技术形成的离子注入掩模(右)的SEM图，从图2可以看出，采用本发明提供方法获得的离子注入掩模(左图)与常规技术形成的离子注入掩模(右图)相比，侧壁更加光滑和陡直，保证了选择性离子注入区域内的均一性良好、可控性强，进而提高了器件击穿性能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，其特征在于，包括：
清洗碳化硅外延衬底；
在碳化硅外延衬底表面生长足以抵挡高温高能量离子注入的高温离子注入掩蔽层；
在高温离子注入掩蔽层上生长用于控制刻蚀工艺的刻蚀阻挡层；
在刻蚀阻挡层上涂敷光刻胶，采用光刻显影技术在刻蚀阻挡层表面形成选择性高温离子区域窗口；
从选择性高温离子区域窗口依次对刻蚀阻挡层和高温离子注入掩蔽层进行刻蚀直至碳化硅外延衬底的表面；
去除光刻胶及剩余的刻蚀阻挡层，得到侧壁光滑、陡直、可控的厚介质离子注入掩蔽层。
2.根据权利要求1所述的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，其特征在于，所述清洗碳化硅外延衬底采用标准RCA清洗，并用N2吹干。
3.根据权利要求1所述的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，其特征在于，所述高温离子注入掩蔽层采用的材料是多晶硅、SiO2、Si3N4中的任一种或者多种组合。
4.根据权利要求1所述的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，其特征在于，所述刻蚀阻挡层采用的材料是与高温离子注入掩蔽层的腐蚀或刻蚀选择比高于10的材料。
5.根据权利要求4所述的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，其特征在于，所述与高温离子注入掩蔽层的腐蚀或刻蚀选择比高于10的材料是非晶硅或单晶硅。
6.根据权利要求1所述的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，其特征在于，所述从选择性高温离子区域窗口依次对刻蚀阻挡层和高温离子注入掩蔽层进行刻蚀，采用一次刻蚀形成，或者采用分步或分设备刻蚀形成。
7.根据权利要求6所述的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，其特征在于，所述刻蚀阻挡层采用非晶硅，所述对刻蚀阻挡层进行刻蚀，采用干法刻蚀使用的刻蚀气体为HBr、C12中的任一种或其混合物。
8.根据权利要求7所述的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，其特征在于，所述对刻蚀阻挡层进行刻蚀，采用干法刻蚀使用的刻蚀气体为在HBr、Cl2的任一种或其混合物中添加SF6或O2气体。
9.根据权利要求6所述的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，其特征在于，所述对高温离子注入掩蔽层进行刻蚀，采用干法刻蚀使用的气体是CF4、C4F8、CHF3、SF6中的任一种或多种的任意混合物。
10.根据权利要求9所述的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，其特征在于，所述对高温离子注入掩蔽层进行刻蚀，采用干法刻蚀使用的气体是在CF4、C4F8、CHF3、SF6的任一种或多种的任意混合物中添加O2或Ar气体。
11.根据权利要求1所述的精确控制碳化硅高温离子注入掩模陡直性的方法，其特征在于，所述刻蚀阻挡层采用非晶硅，所述去除光刻胶及剩余的刻蚀阻挡层，采用的腐蚀液为含NH3液体的1#液。
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