CN106469646B - 一种碳化硅器件用离子注入来形成高掺杂的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳化硅器件用离子注入来形成高掺杂的制造方法，包括以下特征：首先把碳化硅晶圆工件需要高浓度掺杂(＞2×1015/cm2)区域暴露出来。对暴露出来的区域注入掺杂离子，剂量需少于非晶化阈值，＜2×1015/cm2。在晶格没有被严重破坏、形成非晶化结构前，停止离子注入。利用退火热处理，把晶格损伤除掉。然后重复以上注入剂量少于非晶化阈值及退火步骤，直至注入总剂量达到所需的高剂量掺杂。最后，使用退火热处理，激活注入离子，形成高浓度掺杂区。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化硅器件的掺杂制造工艺，更具体地说是涉及一种碳化硅半导体器件用离子注入来形成高浓度掺杂的制造方法。
背景技术
使用硅器件的传统集成电路大都只能工作在250℃以下，不能满足高温、高功率及高频等要求。当中，新型半导体材料碳化硅(SiC)最受人注目和研究。
碳化硅半导体材料具有宽带隙、高饱和漂移速度、高热导率、高临界击穿电场等突出优点，特别适合制作大功率、高压、高温、抗辐照电子器件。
碳化硅禁带宽度宽(2.10eV≤Eg≤7.10eV)，漏电流比硅小几个数量级。而且，碳化硅热稳定性极好，本征温度可达800℃以上，它保证了在高温工作时的长期可靠性。通过分析优值，如Johnson优值(JFOM-通过材料的击穿电场、饱和电子漂移速度来反映相应器件的高功率、高频率性能)、Keyes优值(KFOM-通过材料的热导率、饱和电子漂移速度及介电常数反映相应器件的开关速度和热限制)及热优值(QFOM-通过材料的击穿电场、击穿电场及热导率反映相应器件的散热性能)，会发现碳化硅SiC这几个优值都比现在常用的半导体材料高出很多，是实现结合高温与高频高功率的一种理想材料。
碳化硅击穿电场较高，是硅材料的8倍，这对功率器件甚为关键。导通电阻是与击穿电场的立方成反比，所以碳化硅SiC功率器件的导通电阻只有硅器件的百至二百分之一，显着降低电子设备的能耗。因此，碳化硅SiC功率器件也被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”器件。用碳化硅SiC所制造出来的功率器件具有低比导通电阻，高工作频率和高温工作稳定性的优点，拥有很广阔的应用前景。
随着6H、4H-SiC体材料的相继商品化，碳化硅SiC器件工艺，如氧化、掺杂、刻蚀及金属、半导体接触，都日渐成熟，这些为碳化硅SiC器件的研制及应用奠定了基础。
其中，掺杂是制作功率器件不可缺少的工序。基于碳化硅SiC的键强度高，杂质扩散所要求的温度(＞1800℃)。大大超过标准器件工艺的条件，层间介质和栅极氧化层(SiO2，Si3N4)等不能承受这么高的温度，所以器件制作工艺中的掺杂不能采用扩散工艺，只能利用外延控制掺杂和高温离子注入掺杂。
外延掺杂可利用碳化硅源气体流量变化，使掺杂浓度控制在从轻掺杂(1014/cm3)到简并掺杂(＞1019/cm3)的范围。硅烷、丙烷是碳化硅SiC典型的外延气体源。6H-SiC在硅(Si)面n型衬底上同质外延典型的生长速率为3μm/h。在生长反应室中，通过调节气体源的比例来进行位置竞争外延，使杂质位于晶格位置。在碳(C)面衬底上的生长则不同，但对其生长机制尚无深刻了解。
因为不能采用扩散工艺掺杂，离子注入工艺在器件制作中非常重要。n型掺杂主要是注入氮(N)离子。铝(Al)和硼(B)为典型的p型掺杂元素，产生相对深的受主能级(分别为211meV和300meV)，Al的电离能小于B的电离能，Al要求的激活温度比B低；而B原子比Al原子轻，注入引起的损伤较少，且注入范围更深，应根据器件工艺要求来选择注入元素。
可是，当离子注入碳化硅过大时，会引致晶格损伤，形成非晶化的结构，大大降低碳化硅原有的性能。文献报道了非晶化注入剂量阈值，N约为4×1015/cm2，Al约为1×1015/cm2，B约为5×1015/cm2。同时，亦需对衬底加上高温，一般对N注入时需要约650℃，在对Al注入时需要约700～800℃，以减少注入离子时所引起的非晶化结构出现。现有很多应用于硅工艺的离子注入机都没法达到这么高的温度。而且，为了确保衬底上的温度均衡，每次进入离子注入机的衬底数量和尺寸亦受了限制。这些都令成本增加。
注入更高剂量或衬底在没有达到所需温度时，会引起更多晶格损伤，令晶格结构严重破坏，非晶化层加厚。即使注入后使用高温退火热处理(＞1500℃)，仍发现大量晶格损伤，无法令所有损伤的晶格完全复原。有些能复原的晶格亦会在再结晶的过程中产生应力，达到某个厚度后，令材料产生裂痕。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能避免上述不足而实用可行的一种适用于碳化硅(SiC)半导体器件用离子注入来形成高浓度掺杂的加工工艺的新方法，实施本发明有如下步骤：
1.对碳化硅(SiC)晶圆工件需高浓度掺杂(＞2×1015/cm2)的区域注入掺杂离子，离子剂量需少于引起碳化硅非晶化结构出现的阈值(如＜2×1015/cm2)，在碳化硅晶格没有被严重破坏，还未形成非晶化结构层前，停止离子注入，在注入时，衬底温度没有特别要求，可以低于室温，可以是室温，也可以高于室温；
2.完成上述步骤1后便进行退火热处理，把晶格损伤除掉；
3.重复步骤(1)和步骤(2)的次数至少多于一次，直至累积的剂量达到高掺杂区所需的剂量；
4.最后，使用退火热处理，激活注入离子，形成高浓度掺杂区。
在步骤(1)中，所述的非晶化结构出现离子剂量阈值和停止时间是按注入离子的种类，深度，能量，角度，衬底结构，和机台对衬底的加热能力等而定。其中剂量范围一般是少于2×1015/cm2。
在步骤(2)中，所述的退火热处理温度为600至1200℃之间，时间为10分钟至500分钟之间，把晶格损伤复修。
在步骤(3)中，所述的重复步骤(1)至步骤(2)的次数至少多于一次，直至累积的剂量达到高掺杂区所需的剂量。
在步骤(4)中，其中包括以下步骤：
1.清除表面的氧化层；
2.在最顶层表面沉积碳化硅(SiC)或石墨(C)层作为保护；
3.进行在步骤(4)中所述的退火热处理，温度为1200至1800℃之间，时间为10分钟至1000分钟之间，把已经注入的掺杂离子激活；
4.清除表面保护层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用本发明的制备方法，在没有衬底温度要求的情况下，达成没有晶格损伤的高剂量掺杂。这样可以在现有很多应用于硅工艺、没法配备高温加热的离子注入机也适用于对碳化硅(SiC)半导体器件进行掺杂。而且，亦能打破了为了确保衬底上的温度均衡，每次进入离子注入机的工件数量和尺寸的限制，这会大大减少制作成本。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制：
图1是本发明实施例流程图；
图2是本发明实施例暴露外延层示意图；
图3是本发明实施例的注入掺杂剂示意图；
图4是本发明实施例的注入后出现晶格损伤区域4示意图；
图5是本发明实施例的退火热处理后消除晶格损伤区域5示意图；
图6是本发明实施例经数次注入退火后达到所需高掺杂区6的示意图
图7是本发明实施例的退火热处理激活后高掺杂区域7示意图。
参考符号表：
1 碳化硅衬底
2 碳化硅外延层
3 二氧化硅层
4 晶格空缺区域
5 退火热处理后消除晶格损伤区域
6 经数次注入退火后达到所需高掺杂区
7 退火热处理激活后高浓度掺杂区域
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及一种碳化硅(SiC)半导体器件用离子注入来形成高浓度掺杂的制造工艺，包括以下步骤：
首先把碳化硅(SiC)晶圆工件需要高浓度掺杂(＞2×1015/cm2)的区域暴露出来。少于对暴露出来的区域注入掺杂离子，剂量需少于产生非晶化阈值，例如2×1015/cm2。在晶格没有被严重破坏、形成非晶化结构层前，停止离子注入。跟着利用退火热处理，把晶格损伤除掉。然后重复以上注入低于产生非晶化层阈值的掺杂离子及退火热处理步骤，直至累积剂量达到所需的高剂量掺杂为止。最后，使用退火热处理，激活注入离子，形成高浓度掺杂区。整个流程在图1总结。
实施例1：
如图2所示，碳化硅外延层2置于衬底的上方，表面已经形成氧化层3並暴露出需要高浓度掺杂(＞2×1015/cm2)的外延层区域。
如图3所示，对碳化硅外延层2表面注入掺杂剂，n型掺杂是氮(N)离子或磷，p型掺杂为铝(Al)或硼(B)离子。剂量为1014/cm2至1015/cm2之间，要少于产生非晶化的阈值，避免引起碳化硅非晶化结构出现。有原氧化层覆盖的部分没有被注入，没有原氧化层覆盖的外延层表面部分会被掺杂离子注入，形成掺杂区。
如图4所示，经过注入后，在掺杂区附近会出现晶格损伤区域4，但未形成非晶态化的损伤层。
如图5所示，对碳化硅晶圆进行退火热处理，温度为600至1200℃，时间为10分钟至500分钟之间，把晶格损伤区域4域修复，5为修复后区域。
如图6所示，重复图3-5步骤数次，直至累积的剂量达到高掺杂区6所需的剂量为止。
如图7所示，使用退火热处理，激活注入离子，形成已激活的高掺杂区7，温度为1200至1800℃之间，时间为10分钟至1000分钟。
最后应说明的是：以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，本发明可用于涉及制造碳化硅(SiC)半导体器件工艺内用离子注入来形成高浓度掺杂的工序，其中器件包括绝缘栅晶体管(MOS)，绝缘栅双极晶体管(IGBT)或二极管、或肖特基二极管。尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种碳化硅器件用离子注入来形成高掺杂的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)把碳化硅(SiC)晶圆工件需要高浓度掺杂(＞2×1015/cm2)的区域暴露出来；对暴露出来的区域注入掺杂离子，剂量需少于非晶化阈值的少剂量注入，注入剂量＜2×1015/cm2；在晶格没有被严重破坏、形成非晶化结构层前，停止离子注入，在注入时，衬底温度没有特别要求；
(2)利用退火热处理，把晶格损伤除掉；
(3)重复上述少剂量注入掺杂离子(＜2×1015/cm2)及退火热处理步骤，直至所积累的注入剂量达到所需要的剂量(＞2×1015/cm2)；
(4)使用退火热处理，激活注入离子，形成高浓度掺杂区。
2.根据权利要求1所述的碳化硅器件用离子注入来形成高掺杂的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：
(1)要在碳化硅工件表面形成掩膜层，并通过刻蚀暴露出需要高浓度掺杂(＞2×1015/cm2)的外延层表面；
(2)对表面注入掺杂离子，离子剂量需少于引起碳化硅非晶化结构出现的阈值，＜2×1015/cm2；
(3)有原氧化层覆盖的部分没有被注入，没有原氧化层覆盖的外延层表面部分会被离子注入。
3.根据权利要求1所述的碳化硅器件用离子注入来形成高掺杂的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中的注入掺杂离子，注入的剂量要少于引起碳化硅的非晶化结构出现的阈值，注入的时间不能过长而引起非晶化的结构，在非晶化结构形成前便要停止离子注入，待退火热处理去除损伤后再注入。
4.根据权利要求2所述的碳化硅器件用离子注入来形成高掺杂的制造方法，其特征在于，该掩膜层是二氧化硅，或是氮化硅，或是光刻胶，或是二氧化硅与氮化硅的组合，或是除二氧化硅和氮化硅之外的其他用于半导体器件的介质层。
5.根据权利要求1所述的碳化硅器件用离子注入来形成高掺杂的制造方法，其特征在于，所述步骤(2)的退火热处理温度为600℃至1200℃之间，时间为10分钟至500分钟之间，把晶格损伤复修，和激活注入的部份掺杂离子。
6.根据权利要求1所述的碳化硅器件用离子注入来形成高掺杂的制造方法，其特征在于，所述步骤(3)的重复步骤(1)和步骤(2)的次数多于一次，直至累积的剂量达到高掺杂区所需的剂量。
7.根据权利要求1所述的碳化硅器件用离子注入来形成高掺杂的制造方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下步骤：
(1)清除表面的氧化层；
(2)在最顶层表面沉积碳化硅(SiC)或石墨(C)层作为保护层，或其它耐高温的惰性材料；
(3)进行在步骤(4)中所述的退火热处理，温度为1200至1800℃之间，时间为10分钟至1000分钟之间，把已经注入的掺杂离子激活；
(4)清除表面保护层。
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Also Published As
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