CN107946180B - 一种在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法，该方法包括如下步骤：S1：在SiC基片(1)上选取待生长氧化层的区域；S2：通过离子注入的方式对所述待生长氧化层的区域注入氧离子(2)，形成氧离子注入层(3)；S3：将形成所述氧离子注入层(3)后的SiC基片(1)进行高温氧化处理，形成氧化层(4)，且所述氧化层(4)的氧化深度大于或等于所述氧离子注入层(3)的氧离子注入深度。本发明的方法可以将SiC的氧化速度有效提高一个数量级以上，并且可以通过改变氧离子注入条件实现对SiC氧化速度的人为调控，由此摆脱SiC不同晶面的氧化速度不同的制约，并改变和控制形成的氧化膜的性质。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域。更具体地，涉及一种在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法。
背景技术
碳化硅(SiC)是一种宽禁带半导体材料，具有高临界击穿电场强度、高饱和电子迁移率、高热导率等优点，特别适合应用于大功率电力传输和换能技术领域。用SiC材料制备的电力电子器件可以承载高电压、大电流，并且可以在高辐射、高温等苛刻应用环境下稳定工作。SiC材料可以用于制备肖特基二极管、PIN管等整流器件，亦可以用于制备MOSFET、JFET、IGBT等开关器件。SiC材料在MEMS器件中也有广泛应用。
在半导体器件制备过程中，氧化工艺是一种常用的制备工艺。氧化工艺可以用来生长栅极氧化层、牺牲氧化层电极之间的隔离层、以及用于注入或刻蚀等用途的掩蔽层。SiC材料是继Si材料后另一种可以直接通过热氧化生长SiO2的半导体材料，SiC材料的这一特性给SiC器件的制备带来了得天独厚的优势。
但是，SiC材料本身的化学性质非常稳定，SiC的氧化速度非常缓慢，并且需要很高的氧化温度，这导致几十纳米厚度的氧化层的生长都很缓慢，需要的时间和温度都要远远高于常见的Si的氧化，生成的氧化硅的质量和界面状态都有问题，而用于隔离或屏蔽用途的更厚的氧化层的生长则非常困难。同时，作为SiC材料中最常用的一种异型体，4H-SiC是一种各向异性材料，其不同晶面的氧化速度差异较大，其中Si晶面的氧化速度最慢，C晶面的氧化速度最快，a晶面和m晶面的氧化速度略低于C晶面。鉴于Si晶面的外延技术较为成熟，现有技术的外延片主要是基于Si晶面的外延片，这导致制备高压器件时氧化层的生长需要很长时间，并且器件不同部位的氧化速率不同将会对器件功能产生额外的不利影响，给器件结构以及工艺设计带来新的挑战。
为解决上述问题，现有技术的唯一方法是提高SiC的氧化温度。SiC的氧化温度提高使得SiC器件制备需要昂贵的仪器，产能极低，并且制备得到的氧化层、以及氧化层与碳化硅基片的界面在功能上也有诸多问题。如何提高在碳化硅基片上生长氧化层的氧化速度已经成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
因此，需要提供一种在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法，以提高SiC的氧化速度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法，以提高SiC的氧化速度。
为解决上述技术问题，发明采用如下的技术方案：
本发明。一种在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法，该方法包括如下步骤：
S1：在SiC基片上选取待生长氧化层的区域；
S2：通过离子注入的方式对所述待生长氧化层的区域注入氧离子，形成氧离子注入层；
S3：将形成所述氧离子注入层后的SiC基片进行高温氧化处理，形成氧化层，且所述氧化层的氧化深度大于或等于所述氧离子注入层的氧离子注入深度。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤S2中，注入的所述氧离子的能量为10keV至1000keV。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤S2中，注入的所述氧离子的剂量为1×1014cm-2至1×1018cm-2。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤S2中，注入的所述氧离子的温度为0-500℃。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤S2中，所述氧离子的注入角度为0-45°。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤S3中，所述高温氧化处理的温度为800-2000℃。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤S2中，注入的所述氧离子为由氧原子剥离电子后形成的氧离子，或者为由氧分子剥离电子后形成的氧离子团。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤S2中，在所述注入氧离子的同时、或者在所述注入氧离子之前或之后对所述待生长氧化层的区域注入伴随离子，且所述伴随离子为氮离子、硅离子、铝离子、硼离子和/或磷离子。
作为技术方案的进一步改进，所述步骤S3中，所述高温氧化处理的气氛为干氧气氛或湿氧气氛。
作为技术方案的进一步改进，所述干氧气氛为携带H、NO、N2O、NO2、或POCL3气体的干氧气氛；所述湿氧气氛为携带H、NO、N2O、NO2、或POCL3气体的湿氧气氛。
本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
如无特殊说明，本发明中的各原料均可通过市售购买获得，本发明中所用的设备可采用所属领域中的常规设备或参照所属领域的现有技术进行。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
1)本发明的在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法，可以将SiC的氧化速度有效提高一个数量级以上，并且可以通过改变氧离子注入条件实现对SiC氧化速度的人为调控，由此摆脱SiC不同晶面的氧化速度不同的制约。
2)采用本发明的在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法，通过氧离子注入，SiC晶格会被有效打乱，成为非晶态，Si-C键的键能降低，从而有效增加了Si与氧的反应速度。同时，注入的氧离子可以补充SiC氧化过程中对氧气的需求，增加了氧化层的生长速度，避免在氧化过程中引入非故意掺杂的杂质。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明
图1为本发明实施例提供的在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法的注入氧离子的示意图之一；
图3为本发明实施例提供的在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法的注入氧离子的示意图之二；
图4为本发明实施例提供的在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法的形成氧化层的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供的在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法包括如下步骤：
S1：在SiC基片1上选取待生长氧化层的区域；
S2：如图2和3所示，通过离子注入的方式对上述待生长氧化层的区域注入氧离子2，形成氧离子注入层3；
S3：如图4所示，将形成上述氧离子注入层3后的SiC基片1进行高温氧化处理，形成氧化层4，且氧化层4的氧化深度大于或等于氧离子注入层3的氧离子注入深度。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述步骤S2中，注入的氧离子2的能量为10keV至1000keV。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述步骤S2中，注入的氧离子2的剂量为1×1014cm-2至1×1018cm-2。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述步骤S2中，注入的氧离子2的温度为0-500℃。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述步骤S2中，氧离子2的注入角度为0-45°，以实现不同的氧离子注入深度和对SiC晶格的不同轰击效果。此处的注入角度指的是氧离子2的注入方向与SiC基片1表面法线之间的夹角。例如，图2所示的注入角度为0；图2所示的注入角度为30°。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述步骤S2中，注入的氧离子2为由氧原子剥离电子后形成的氧离子，或者为由氧分子剥离电子后形成的氧离子团。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述步骤S2中，在注入氧离子2的同时、或者在注入氧离子2之前或之后对上述待生长氧化层的区域注入伴随离子，以获得注入多种元素离子的综合效果。上述伴随离子为氮离子、硅离子、铝离子、硼离子和/或磷离子。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述步骤S3中，高温氧化处理的温度为800-2000℃。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述步骤S3中，高温氧化处理的气氛为干氧气氛或湿氧气氛。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述干氧气氛为携带H、NO、N2O、NO2、或POCL3气体的干氧气氛，上述湿氧气氛为携带H、NO、N2O、NO2、或POCL3气体的湿氧气氛。
采用本实施例的在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法，通过氧离子注入，SiC晶格会被有效打乱，成为非晶态，Si-C键的键能降低，从而有效增加了Si与氧的反应速度。同时，注入的氧离子可以补充SiC氧化过程中对氧气的需求，增加了氧化层的生长速度，避免在氧化过程中引入非故意掺杂的杂质。
采用本实施例的在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法，可以将SiC的氧化速度有效提高一个数量级以上，并且可以通过改变氧离子注入条件实现对SiC氧化速度的人为调控，由此摆脱SiC不同晶面的氧化速度不同的制约。
本实施例的在碳化硅基片上快速生长氧化层的方法，可以适用于通过氧离子注入来改变氧化场所、氧化机制、氧化速率和氧化膜以及界面性质的所有半导体器件制备工艺。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (9)
1.一种在4H-SiC基片上快速生长氧化层的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1：在4H-SiC基片(1)上选取待生长氧化层的区域；
S2：通过离子注入的方式对所述待生长氧化层的区域注入氧离子(2)，形成氧离子注入层(3)，SiC晶格被有效打乱，成为非晶态，Si-C健的键能降低；
S3：将形成所述氧离子注入层(3)后的4H-SiC基片(1)进行高温氧化处理，形成氧化层(4)，且所述氧化层(4)的氧化深度大于或等于所述氧离子注入层(3)的氧离子注入深度；
所述步骤S2中，所述氧离子(2)的注入角度为0-45°，以实现不同的氧离子注入深度和对SiC晶格的不同轰击效果。
2.根据权利要求1所述的在4H-SiC基片上快速生长氧化层的方法，其特征在于，所述步骤S2中，注入的所述氧离子(2)的能量为10keV至1000keV。
3.根据权利要求1所述的在4H-SiC基片上快速生长氧化层的方法，其特征在于，所述步骤S2中，注入的所述氧离子(2)的剂量为1×1014cm-2至1×1018cm-2。
4.根据权利要求1所述的在4H-SiC基片上快速生长氧化层的方法，其特征在于，所述步骤S2中，注入的所述氧离子(2)的温度为0-500℃。
5.根据权利要求1所述的在4H-SiC基片上快速生长氧化层的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述高温氧化处理的温度为800-2000℃。
6.根据权利要求1所述的在4H-SiC基片上快速生长氧化层的方法，其特征在于，所述步骤S2中，注入的所述氧离子(2)为由氧原子剥离电子后形成的氧离子，或者为由氧分子剥离电子后形成的氧离子团。
7.根据权利要求1所述的在4H-SiC基片上快速生长氧化层的方法，其特征在于，所述步骤S2中，在所述注入氧离子(2)的同时、或者在所述注入氧离子(2)之前或之后对所述待生长氧化层的区域注入伴随离子，且所述伴随离子为氮离子、硅离子、铝离子、硼离子和/或磷离子。
8.根据权利要求1所述的在4H-SiC基片上快速生长氧化层的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述高温氧化处理的气氛为干氧气氛或湿氧气氛。
9.根据权利要求8所述的在4H-SiC基片上快速生长氧化层的方法，其特征在于，所述干氧气氛为携带H、NO、N2O、NO2、或POCL3气体的干氧气氛；所述湿氧气氛为携带H、NO、N2O、NO2、或POCL3气体的湿氧气氛。
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