CN105529246A - 一种通过激光刻蚀碳化硅制备碳化硅超结结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备碳化硅超结结构的方法，首先采用激光刻蚀对碳化硅外延片进行图形化刻蚀，以在所述碳化硅外延片表面形成沟槽，然后在沟槽中外延生长碳化硅，以形成碳化硅超结结构。本发明通过激光刻蚀来制备碳化硅超结结构，在SiC上刻蚀形成沟槽的效率明显增加，深宽比明显提升，同时具有均匀性好、沟槽侧壁光滑、工艺简单、可操作性强等优点。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，尤其涉及一种通过激光刻蚀碳化硅制备碳化硅超结结构的方法。
背景技术
碳化硅(SiC)材料作为第三代半导体材料具有高临界击穿电场、高的热导率、高的饱和电子漂移速度、优越的机性能和物理、化学稳定性等特点，在高温、高压、高频、大功率、抗辐射等领域。由于SiC的临界临界击穿电场强度约为硅的十倍，而饱和电子漂移速度与硅相当，因此SiC功率器件的耐压可以比硅做的更高，同等击穿电压下的比通态电阻也约为硅的百分之一。
由于硅材料特性的限制，一般硅基功率MOSFET的工作电压范围在1200V以内，而硅基IGBT器件最大的反向击穿电压仅为6500V。而报道的SiC基MOSFET最高击穿电压已经达到了10kV，SiCIGBT报道过的最高耐压也达到了20kV。并且它们做成的功率模块也有着比硅基器件更高的工作频率、更低的功耗。
但是，功率器件的外延层厚度随着设计耐压的升高而升高，对于SiC器件当反向击穿电压达到10kV时，其外延层厚度要达到100μm以上。而传统的CVD方法生长速率只有4-6μm/小时。显然，这种生长条件增加了SiC功率器件的制造成本，不能满足当前市场的要求，也减缓了SiC功率器件的研究进程。
虽然，SiC快速同质外延生长技术也获得了较高的生长速度，如：采用垂直热壁CVD系统，温度在1700℃-1800℃时，生长速率达到了50-80um/h；通过在传统气体源中添加HCl或者使用Cl元素的反应源(SiHCl3和CH3SiCl3等)来抑制硅的气相成核，在1600℃下也获得了100μm的生长速度。但是快速外延生长的外延片缺陷密度水平依然很高，影响了所制备器件的可靠性。
超结结构是硅基功率器件发展过程中提出的一项解决比通态电阻与反向耐压关系的方案，通过对外延层刻蚀并再生长后，制备出的P型区与N型区间隔的结构(如图1所示)，使得器件在反向工作时，电场在漂移区中均匀分布，这样就使得固定的耐压下，外延层所需厚度降低一倍。也就是说在不影响反向耐压的情况下，降低了一半的外延层厚度。
为了解决SiC高压器件如：PiN、MOSFET等随着击穿电压的升高所需外延层厚度升高的问题，硅基器件中的超结结构被考虑。但是，超结结构需要精准的调节P型区域N型区的宽度和浓度，以达到匹配的目的，因此需刻蚀出高深宽比、高均匀性以及无缺陷大的沟槽形貌。而传统的等离子刻蚀方法刻蚀SiC的效率低，工艺复杂、沟槽均匀性差、沟槽形貌调节难度高等问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于，提供一种通过激光刻蚀碳化硅制备碳化硅超结结构的方法，其具有效率高、工艺简单、沟槽均匀性好的优点。
(二)技术方案
本发明提供一种制备碳化硅超结结构的方法，包括：
S1，采用激光刻蚀对碳化硅外延片进行图形化刻蚀，以在碳化硅外延片表面形成沟槽；
S2，在沟槽中外延生长碳化硅，以形成碳化硅超结结构，其中外延生长的碳化硅的掺杂类型与所述碳化硅外延片的掺杂类型不同。
(三)有益效果
本发明通过激光刻蚀来制备碳化硅超结结构，在SiC上刻蚀形成沟槽的效率明显增加，深宽比明显提升，同时具有均匀性好、沟槽侧壁光滑、工艺简单、可操作性强等优点。
附图说明
图1是本发明通过激光刻蚀碳化硅制备碳化硅超结结构的流程图。
图2是SiC外延片剖面示意图。
图3是淀积了高反光层薄膜的SiC外延片剖面示意图。
图4是旋涂光刻胶并且在光刻胶上形成刻蚀图形后的剖面示意图。
图5是将刻蚀图形转移到高反光层上并且去除光刻胶后的剖面示意图。
图6是在高反光层掩膜下激光照射到SiC的剖面示意图。
图7是激光刻蚀SiC后形成沟槽的剖面示意图。
图8是去除高反层后的沟槽剖面示意图。
图9是外延生长了P型SiC后的剖面示意图。
图10是P型SiC表面经过剖光但没有完全去除的SiC超结结构剖面示意图。
图11是未去除高反层直接外延生长P型SiC后的剖面示意图。
图12是经过剖光到N型层后的SiC超结结构的剖面示意图。
图13是淀积了高反光层的石英玻璃片的剖面示意图。
图14是旋涂光刻胶并且在光刻胶上形成刻蚀图形后的石英玻璃剖面示意图。
图15是将光刻胶上的刻蚀图形转移到高反光层上后的高反光掩膜板剖面示意图。
图16是利用高反光掩膜板做掩膜进行激光刻蚀的光路示意图。
图17是电脑控制光快门和振镜进行激光直写刻蚀的光路示意图
具体实施方式
本发明提供一种制备碳化硅超结结构的方法，首先采用激光刻蚀对碳化硅外延片进行图形化刻蚀，以在所述碳化硅外延片表面形成沟槽，然后在沟槽中外延生长碳化硅，以形成碳化硅超结结构。本发明通过激光刻蚀来制备碳化硅超结结构，在SiC上刻蚀形成沟槽的效率明显增加，深宽比明显提升，同时具有均匀性好、沟槽侧壁光滑、工艺简单、可操作性强等优点。
根据本发明的一种实施方式，制备碳化硅超结结构的方法包括：
S1，采用激光刻蚀对碳化硅外延片进行图形化刻蚀，以在碳化硅外延片表面形成沟槽；
S2，在沟槽中外延生长碳化硅，以形成碳化硅超结结构，其中，碳化硅外延片为N型外延层、P型外延层、N型P型混合外延层中的一种，其掺杂浓度范围为1×1013～1×1018cm-3，外延生长的碳化硅的掺杂类型与所述碳化硅外延片的掺杂类型不同，碳化硅外延片的晶型为4H-SiC或6H-SiC，外延生长的碳化硅的晶型与碳化硅外延片的晶型一致。
根据本发明的一种实施方式，S1包括，在碳化硅外延片表面淀积至少一层高反光层薄膜；通过光刻对高反光层薄膜进行图形化刻蚀，以在碳化硅外延片表面形成图形区域；采用高能激光刻蚀对碳化硅外延片进行刻蚀，图形区域会被高能激光刻蚀掉，有高反光层薄膜覆盖的区域将被保留，从而在碳化硅外延片表面形成沟槽。
根据本发明的一种实施方式，S1包括，在透光材料表面淀积至少一层高反光层薄膜；对高反光层薄膜进行图形化刻蚀，制成高反光掩膜板；使激光光束穿过透镜后，聚焦在高反光掩膜板上，穿过高反光掩膜板的激光再次穿过透镜后，聚焦在所述碳化硅外延片表面，以对碳化硅外延片进行刻蚀，从而在碳化硅外延片表面形成沟槽。其中，透光材料可以是石英、蓝宝石、氟化钙，或者是其他高透过率且耐高温的材料。
根据本发明的一种实施方式，S1包括，使激光依次经过光快门和振镜后聚焦到碳化硅外延片表面，以对碳化硅外延片进行刻蚀，其中，光快门和振镜由计算机控制，将刻蚀图形输入到计算机后，计算机通过控制激光的通断和光束聚焦位置，在不被刻蚀的区域，计算机控制光快门将光关断，在刻蚀的区域，将光打开，计算机通过控制振镜严格控制激光光束的传播方向，出射激光经过振镜模块自带的F-theta透镜聚焦在SiC表面，以在碳化硅外延片表面形成沟槽。本步骤也可以将SiC固定在二维电动载物平台上，通过电脑控制光快门和载物平台的移动在SiC上刻蚀出图形。
根据本发明的一种实施方式，碳化硅外延片的晶型为4H-SiC或6H-SiC，其中，外延生长的碳化硅的晶型与碳化硅外延片的晶型一致。
根据本发明的一种实施方式，采用高反光层是为了对激光刻蚀产生选择性，使得在激光刻蚀完成后，高反光层掩蔽下的SiC不被刻蚀，物理性质不发生改变，可以采用的高反光层材料有单层金属如铝、银等，也可以是叠层HfO2/SiO2、SiN/SiO2、ZrO2/SiO2、Ta2O5/SiO2等，为了增加高反光层的激光反射率，也可以淀积多层高反光层，高反光层的反射率为80％-100％。
根据本发明的一种实施方式，采用干法刻蚀或湿法刻蚀对高反光层薄膜进行图形化刻蚀。
根据本发明的一种实施方式，在步骤S2中，采用激光器进行激光刻蚀，其中，激光器为微妙激光器、纳秒激光器、皮秒激光器及飞秒激光器中的一种，激光器的激光波长范围为100nm～10μm。
根据本发明的一种实施方式，在步骤S2之后，还包括，为了保证光滑的SiC表面，对碳化硅超结结构进行磨片，其中，采用的磨片方法为化学机械抛光。其中，如果高反光层薄膜对外延生长SiC没有影响，则在激光刻蚀完后可去除也可以不去除，若外延生长前未去除高反光层，则磨片至高反光层以下，以去除高反光层薄膜。
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。
实施例1：
在长有N型外延层的4H-SiC晶片上淀积5～10组Si3N4/SiO2叠层形成高反光层，总厚度为700nm～2um，如,图3所示。
通过光刻将激光刻蚀所需图形投影到SiC晶片表面的光刻胶上形成掩膜图形，如附图4所示。
随后，在光刻胶的掩膜下通过ICP干法刻蚀工艺刻蚀高反光层，刻蚀完成后采用等离子去胶方法去除光刻胶，如图5所示。
随后，在高反光层的掩膜下，采用波长为532nm，脉宽为10～800ps的皮秒激光器刻蚀SiC至所需深度，如图6和7所示。
随后，在SiC外延炉中进行外延生长，均匀的生长P型层，填满激光刻蚀形成的沟槽，如图11所示。
最后，通过化学机械抛光法，制备出光滑平整的表面结构，由于在生长P型SiC前未去除高反光层，所以抛光过程将外延层减薄至SiCN型层后结束，如附图12所示；
实施例2：
在长有N型外延层的4H-SiC晶片上淀积5～10组Si3N4/SiO2叠层形成高反光层,总厚度为700nm～2um，如图3所示。
通过光刻将激光刻蚀所需图形投影到SiC晶片表面的光刻胶上形成掩膜图形，如图4所示。
随后，在光刻胶的掩膜下通过ICP干法刻蚀工艺刻蚀高反光层，刻蚀完成后采用等离子去胶方法去除光刻胶，如图5所示。
随后，在高反光层的掩膜下，采用波长为532nm，脉宽为10～800ps的皮秒激光器刻蚀SiC至所需深度，如图6和7所示
随后，利用氢氟酸缓冲液去除SiC表面的Si3N4/SiO2高反光层，如图8所示。
随后，在SiC外延炉中进行外延生长，均匀的生长P型层，填满激光刻蚀形成的沟槽，如图9所示。
最后，通过化学机械抛光法，制备出光滑平整的表面结构。若制备器件不需要表面的P型层，则抛光过程将P型外延层减薄至SiCN型层后结束，如图12所示；若制备器件需要保留表面的P型层，则抛光至SiC表面光滑并保留所需的P型层厚度，如附图10所示。
实施例3：
首先，在石英玻璃片上淀积5～10组Si3N4/SiO2叠层形成高反光层，如图13所示。
随后，在淀积有高反光层的石英玻璃片上旋涂光刻胶并通过光刻在光刻胶上形成需要刻蚀的图形，如图14所示。
随后，通过ICP干法刻蚀的方法将刻蚀图形转移到高反光层上并且利用等离子体去胶的方法去除光刻胶，形成高反光掩膜板，如图15所示。
随后，采用波长为532nm，脉宽为10～800ps的皮秒激光经过透镜汇聚在高反光掩膜板上，透过的激光经过透镜二次汇聚在SiC上形成刻蚀槽，光路如图16所示。
随后，将刻蚀好的SiC在SiC外延炉中进行外延生长，均匀的生长P型层，填满激光刻蚀形成的沟槽，如附图9所示。
最后，通过化学机械抛光法，制备出光滑平整的表面结构。若制备器件不需要表面的P型层，则抛光过程将P型外延层减薄至SiCN型层后结束，如图12所示；若制备器件需要保留表面的P型层，则抛光至SiC表面光滑并保留所需的P型层厚度，如图10所示。
实施例4：
首先，将所需要刻蚀的图形输入电脑，之后，波长为532nm，脉宽为10～800ps的皮秒激光光束通过由电脑控制的光快门和振镜后经F-theta透镜聚焦到SiC表面，通过电脑自动控制激光的通断和光束扫描的位置将刻蚀图形转移到SiC表面，光路如图17所示。
随后，刻蚀好的SiC在SiC外延炉中进行外延生长，均匀的生长P型层，填满激光刻蚀形成的沟槽，如图9所示。
最后，通过化学机械抛光法，制备出光滑平整的表面结构。若制备器件不需要表面的P型层，则抛光过程将P型外延层减薄至SiCN型层后结束，如图12所示；若制备器件需要保留表面的P型层，则抛光至SiC表面光滑并保留所需的P型层厚度，如图10所示。
综上所述，本发明通过激光刻蚀来制备碳化硅超结结构，在SiC上刻蚀形成沟槽的效率明显增加，深宽比明显提升，同时具有均匀性好、沟槽侧壁光滑、工艺简单、可操作性强等优点。
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 (10)
1.一种制备碳化硅超结结构的方法，其特征在于，包括：
S1，采用激光刻蚀对碳化硅外延片进行图形化刻蚀，以在所述碳化硅外延片表面形成沟槽；
S2，在所述沟槽中外延生长碳化硅，以形成碳化硅超结结构，其中外延生长的碳化硅的掺杂类型与所述碳化硅外延片的掺杂类型不同。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1包括，在所述碳化硅外延片表面淀积至少一层高反光层薄膜；对所述高反光层薄膜进行图形化刻蚀，以在碳化硅外延片表面形成图形区域；采用激光刻蚀对碳化硅外延片进行刻蚀，从而在所述碳化硅外延片表面形成沟槽。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1包括，在透光材料表面淀积至少一层高反光层薄膜；对所述高反光层薄膜进行图形化刻蚀，制成高反光掩膜板；使激光光束穿过透镜后，聚焦在所述高反光掩膜板上，穿过所述高反光掩膜板的激光再次穿过透镜后，聚焦在所述碳化硅外延片表面，以对所述碳化硅外延片进行刻蚀，从而在所述碳化硅外延片表面形成沟槽。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1包括，使激光依次经过光快门和振镜后聚焦到所述碳化硅外延片表面，以对所述碳化硅外延片进行刻蚀，其中，所述光快门和振镜由计算机控制，将刻蚀图形输入到所述计算机后，所述计算机通过控制激光的通断和光束聚焦位置，以在所述碳化硅外延片表面形成沟槽。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳化硅外延片为N型外延层、P型外延层、N型P型混合外延层中的一种，其掺杂浓度范围为1×1013～1×1018cm-3。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳化硅外延片的晶型为4H-SiC或6H-SiC，其中，外延生长的碳化硅的晶型与碳化硅外延片的晶型一致。
7.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述高反光层薄膜的材料为HfO2和SiO2、SiN和SiO2、ZrO2和SiO2、Ta2O5和SiO2中的一种。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用干法刻蚀或湿法刻蚀对所述高反光层薄膜进行图形化刻蚀。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2中，采用激光器进行激光刻蚀，其中，所述激光器为微妙激光器、纳秒激光器、皮秒激光器及飞秒激光器中的一种，所述激光器的激光波长范围为100nm～10μm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S2之后，还包括，对所述碳化硅超结结构进行磨片。
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