CN106653581A - 一种用于碳化硅高温退火表面保护的碳膜快速制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于碳化硅高温退火表面保护的碳膜快速制备方法，即在碳化硅器件离子注入激活前旋涂光敏抗蚀剂，对旋涂在碳化硅正反面的光敏抗蚀剂进行快速热退火，热分解后形成均匀碳膜；高温退火激活过程中，碳膜抑制碳化硅器件表层的碳化硅材料分解；退火激活后，通过热氧化彻底去除碳膜。本发明可以有效地保护碳化硅器件表面，降低高温退火引起碳化硅器件表面粗糙度，显著增加碳化硅离子注入激活工艺的效率。

Description

一种用于碳化硅高温退火表面保护的碳膜快速制备方法
技术领域
本发明属于半导体微电子器件制备技术领域，涉及一种碳化硅高温退火表面保护碳膜的快速制备方法。
背景技术
碳化硅（SiC）作为第三代宽禁带半导体材料，具有热导率高、击穿场强高、饱和电子漂移速度高等特点，这些优越的性能使碳化硅电子器件能在高温、高功率和高频等恶劣环境下可靠地工作，相比硅、锗、砷化镓、磷化铟等传统半导体具有明显优势。
在微电子器件制备过程中，一般通过掺杂的方式在半导体基体材料中引入不同于宿主材料的其它杂质原子，经过激活后，这些杂质原子的类型和浓度会直接决定最终半导体材料的导电类型和导电能力强弱。常用的掺杂方式有扩散掺杂、离子注入和外延掺杂。其中，外延掺杂通常用于器件结构制备前生长特定掺杂浓度的大面积晶元，难以对芯片局部区域进行选择性的掺杂。此外，由于碳化硅材料具有极为稳定的共价键，扩散掺杂方式难以将杂质原子扩散进入碳化硅材料。可行的是，由于离子注入具有较好的控制性和选择性，还可在离子注入过程中加以高温的辅助，因此，高温离子注入是对碳化硅材料局部区域进行掺杂的有效方式。目前，离子注入已被广泛地应用于碳化硅PiN二极管、结势垒肖特基二极管（JBS），场效应晶体管（JFET和MOSFET），门极可关断晶闸管（GTO），或者绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等功率器件中的结终端扩展、场保护环、欧姆接触工艺。
由于碳化硅材料的共价键很强，在对碳化硅进行高能离子注入过程中，一般采用多次高能离子注入在碳化硅材料中形成箱体形状分布。对碳化硅器件进行离子注入后，杂质原子不能直接改变材料的电学性能，通常还需要在1600℃以上的高温下进行一定时间的热退火以激活杂质离子，从而改变碳化硅器件中的载流子浓度。此外，在退火过程中，高能离子注入引起的碳化硅晶格损伤也会得到较好地修复。因此，离子注入后的高温退火工艺是影响碳化硅电子器件最终电学性能的关键因素。
在1600℃以上的高温对碳化硅器件进行热退火的过程中，碳化硅表面的材料会发生分解：即硅原子升华，碳元素残留在器件表面，形成难以去除的粉末状碳颗粒，即使采用RCA标准清洗工艺也难以获得洁净平坦的碳化硅表面。残留在碳化硅器件表面的粉末状碳颗粒对最终器件的性能有显著的不利影响，如使器件表面粗糙度增加、降低器件的欧姆接触性能和可靠性、影响器件中载流子迁移率等。目前常用的保护高温退火过程中碳化硅表面方法有：在高温退火过程中在碳化硅表面覆盖碳化硅粉末抑制碳化硅自身分解，或者通过溅射镀膜方式在离子注入后的碳化硅表面沉积一层碳膜或者氮化铝薄膜等。这些方法虽然能对碳化硅表面起到一定的保护作用，但是对设备的要求较高，且工艺时间长、成本也较高。
因此，需要一种工艺简单、快速且有效的方法实现碳化硅器件在高温退火过程中的表面保护；此外，保护方法不能引入额外的缺陷以致降低碳化硅器件的性能。
发明内容
为了解决上述碳化硅器件高温退火存在的技术难题，本发明提供了一种碳化硅高温退火表面保护碳膜的快速制备方法，该方法工艺简单、快速且有效，在不引入额外缺陷的前提下，可实现碳化硅器件高温退火过程中的表面保护。
本发明采用的技术方案如下：
一种碳化硅高温退火表面保护碳膜的快速制备方法，其特征在于：碳化硅器件高温激活前，在碳化硅器件的正、反两面旋涂光敏抗蚀剂，低温烘烤去除光致抗蚀剂中的有机溶剂；通过快速热退火方法使光致抗蚀剂在无氧环境下热分解，形成均匀的碳膜；覆盖有碳膜的碳化硅器件在高温下进行退火激活杂质离子；杂质离子注入激活后，在纯氧气和高温环境下，去除碳化硅器件正、反两面的碳膜。
所述碳化硅器件可以是PiN二极管，或者是结势垒肖特基二极管（JBS），或者是门极可关断晶闸管（GTO），或者是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。
所述光致抗蚀剂是正性或者负性，低温烘烤的温度为90-110℃，烘烤时间2-5分钟。
碳膜的具体制备工艺是：碳化硅器件正、反两面的光致抗蚀剂在700-900℃的快速热退火炉中发生热分解，热分解生成的碳在碳化硅器件表面形成均匀的碳膜；快速热退火炉中的快速热退火过程在标准大气压的氮气或者氩气保护环境下进行。
覆盖有碳膜的碳化硅器件在1600-1800℃高温下进行退火激活杂质离子的过程，是在真空或者氩气保护下进行。
碳膜去除工艺是在800-1100℃的温度范围进行，在纯氧气环境下对碳膜进行氧化，完全去除碳化硅器件正、反两面的碳膜。
本发明的有益效果如下：
与现有技术相比，本发明采用快速退火，使旋涂在碳化硅表面的光敏抗蚀剂在无氧环境下热分解，工艺简单、耗时短，可实现性强，可快速形成均匀的碳膜保护层，用于高温退火过程中碳化硅表面保护；提高了碳化硅芯片加工效率，降低芯片成本；本发明能有效保护碳化硅基片正、反两面，避免在高温退火中碳化硅分解导致基片表面粗超度增加，也避免了高温退火过程引入额外的表面缺陷。
附图说明
图1是本发明碳膜保护的碳化硅结势垒肖特基二极管注入后退火的截面示意图；
图2是本发明碳膜保护的碳化硅PiN二极管结终端扩展区域的截面示意图；
其中，附图标记为：1-N型外延层，2-P型离子注入层，31-正面碳膜保护层，32-反面碳膜保护层，4- N型重掺杂碳化硅外延层，5- N型轻掺杂碳化硅外延层，6-P型重掺杂的结终端扩展区域，7-P型重掺杂的阳极接触区域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，应当理解，附图中的结构是示意而非限定性的，故各部分的尺寸特征未按比例画出。
实施例1
本实施例是结势垒二极管制备过程中离子注入工艺后的高温退火表面保护，有源区经过离子注入掺杂后，在1600℃高温退火激活过程中的保护。
经过常规图形化和离子注入后，在碳化硅外延基片上形成离子注入区域，碳化硅外延基片可以是p型掺杂或n型掺杂，离子注入区则是与碳化硅外延基片相反的掺杂类型，如图1所示的工艺步骤截面示意图，1为N型外延层，2为P型离子注入层。
所述离子注入后的碳化硅外延基片的正面和反面分别旋涂光敏抗蚀剂，厚度均为3微米，在110℃热板上软烘烤5分钟。
随后将软烘烤后的基片放入快速退火炉中进行退火，退火过程中使用高纯氮气或者氩气保护，温度为900℃保持5-10分钟，经过热分解后在碳化硅外延基片正面碳膜保护层31和反面碳膜保护层32形成致密的碳膜保护层。
将采用所述方法保护的碳化硅外延基片在真空和氩气保护环境中，1600℃退火20分钟，激活注入的离子。
完成退火激活后，在1000℃高温炉中通入纯氧气，对外延基片两侧的碳膜进行氧化2小时，彻底去除碳化硅基片正面碳膜保护层31和反面碳膜保护层32的碳膜。
实施例2
本实施例是碳化硅PiN二极管制备过程中结终端保护区离子注入后的高温退火表面保护，采用本发明所述的方法对碳化硅基片正、反面进行保护。
如图2所示，在N型轻掺杂碳化硅外延层5上经过常规图形化和离子注入后，形成P型重掺杂的结终端扩展区域6；随后采用本方法在N型重掺杂的碳化硅基片背面4上旋涂光敏抗蚀剂形成反面碳膜保护层32，在正面旋涂光敏抗蚀剂形成正面碳膜保护层31，完全覆盖P型重掺杂的结终端扩展区域6和P型重掺杂的阳极接触区域7，然后在110℃烘箱软烘烤30分钟去除光敏抗蚀剂中的有机溶剂。
随后将软烘烤后的基片放入快速退火炉中进行退火，退火过程中使用高纯氮气或者氩气保护，温度为900℃保持5-10分钟，经过热分解后在碳化硅外延基片形成致密的正面碳膜保护层31和反面碳膜保护层32。
将采用本方法保护的碳化硅外延基片在真空和氩气保护环境中，1600℃退火20分钟，激活P型重掺杂的结终端扩展区域6的注入离子。
完成退火激活后，在1000℃高温炉中通入纯氧气，对外延基片两侧的碳膜进行氧化2小时，彻底去除碳化硅基片的正面碳膜保护层31和反面碳膜保护层32的碳膜。

Claims (6)

1.一种碳化硅高温退火表面保护碳膜的快速制备方法，其特征在于：碳化硅器件高温激活前，在碳化硅器件的正、反两面旋涂光敏抗蚀剂，低温烘烤去除光致抗蚀剂中的有机溶剂；通过快速热退火方法使光致抗蚀剂在无氧环境下热分解，形成均匀的碳膜；覆盖有碳膜的碳化硅器件在高温下进行退火激活杂质离子；杂质离子注入激活后，在纯氧气和高温环境下，去除碳化硅器件正、反两面的碳膜。
2.根据权利要求1所述的碳化硅高温退火表面保护碳膜的快速制备方法，其特征在于：所述碳化硅器件是PiN二极管，或者是结势垒肖特基二极管，或者是门极可关断晶闸管，或者是绝缘栅双极型晶体管。
3.根据权利要求1所述的碳化硅高温退火表面保护碳膜的快速制备方法，其特征在于：所述光致抗蚀剂是正性或者负性，低温烘烤的温度为90-110℃，烘烤时间2-5分钟。
4.根据权利要求1所述的碳化硅高温退火表面保护碳膜的快速制备方法，其特征在于：碳膜的具体制备工艺是：碳化硅器件正、反两面的光致抗蚀剂在700-900℃的快速热退火炉中发生热分解，热分解生成的碳在碳化硅器件表面形成均匀的碳膜；快速热退火炉中的快速热退火过程在标准大气压的氮气或者氩气保护环境进行。
5.根据权利要求1所述的碳化硅高温退火表面保护碳膜的快速制备方法，其特征在于：覆盖有碳膜的碳化硅器件在1600-1800℃高温下进行退火激活杂质离子的过程，是在真空或者氩气保护下进行。
6.根据权利要求1所述的碳化硅高温退火表面保护碳膜的快速制备方法，其特征在于：碳膜去除工艺是在800-1100℃的温度范围进行，在纯氧气环境下对碳膜进行氧化，完全去除碳化硅器件正、反两面的碳膜。
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