CN108807157A - 一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法及注入掩膜结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了半导体器件生产领域内的一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法，包括如下步骤：在SiC外延片表面形成一层离子注入牺牲层SiO2；在牺牲层SiO2表面涂覆光刻胶；光刻、显影、曝光、高温碳化后形成离子注入阻挡层；借助上述图案化阻挡层，对上述SiC外延片进行离子注入；高温退火激活注入杂质，本发明采用固化后的光刻胶作为离子注入的阻挡层，简化了工艺，并且采用SiO2介质层作为注入牺牲层来减小离子注入对SiC材料表面的损伤，可用于半导体器件生产中。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件加工工艺，特别涉及一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法。
背景技术
电力电子技术是使用例如晶闸管、GTO、IGBT等电力电子器件对电能进行变换和控制的一门电子技术，在当今能源开发和利用中发挥着举足轻重的作用。当前，传统的硅基电力电子器件的水平基本上维持在109-1010W•Hz，已逼近了因寄生二极管制约而能达到的硅材料的极限。为了突破目前的器件极限，一般选择采用宽能带间隙材料的半导体器件，如碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）器件。
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，成为制作大功率、高频、耐高温、抗辐射器件的理想半导体材料。碳化硅电力电子器件的击穿电压可达到硅器件的十倍，而导通电阻仅为硅器件的数十分之一，开关速度快，热导率高，电能转换损耗小，散热系统简单，最终使整个系统的体积和重量显著降低。用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，是电力电子技术最为重要的发展方向，在军事和民事领域具有重要的应用前景。
由于SiC原子结构中C-Si键键能较高，杂质扩散所要求的温度(>1800℃)大大超过标准器件工艺的条件，传统的扩散掺杂工艺已经不能用于SiC的掺杂，离子注入技术成为了目前唯一适合于SiC材料的选择性掺杂技术，是pin二极管、JBS、MOSFET、JFET及IGBT等器件制备以及结终端保护工艺中形成P型SiC的有效手段。由于SiC比Si具有更大的密度，在同能量注入下，离子在SiC中能形成的注入深度会更小。如果注入离子在SiC材料中达到较深的注入区域，其注入能量可能需要达到MeV级别。然而高能量的离子注入会在注入区域的材料表面造成严重的损伤。同时，离子注入SiC材料的杂质浓度分布近似于高斯分布，一般都是采用多次不同能量不同剂量的多次注入叠加，得到较为均匀的矩形分布，但是在表面一定厚度范围内会存在明显的拖尾现象，如图5所示。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法及注入掩膜结构，采用SiO2介质层作为注入牺牲层来减小离子注入对材料表面的损伤，同时能够解决离子注入SiC材料后的矩形杂质浓度分布不均匀现象。
本发明的目的是这样实现的：一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法，包括如下步骤：
在SiC外延片表面形成一层离子注入牺牲层SiO2；
在牺牲层SiO2表面涂覆光刻胶；
光刻、显影、曝光、高温碳化后形成离子注入阻挡层；
借助上述图案化阻挡层，对上述SiC外延片进行离子注入；
高温退火激活注入杂质；
高温氧化去除碳层。
作为本发明的进一步限定，所述注入阻挡层的厚度取决于离子注入的最高能量。
作为本发明的进一步限定，所述注入阻挡层的厚度为1μm～3μm。
作为本发明的进一步限定，所述离子注入需要多次不同剂量和能量注入的组合。
作为本发明的进一步限定，所述牺牲层的厚度为20nm～200nm。
作为本发明的进一步限定，所述注入能量在10Kev～700Kev范围内，分为n次，且n≥2，不同剂量的离子注入，注入总剂量需要大于1e13cm-2。
作为本发明的进一步限定，所述激活退火温度为1600℃以上，退火气氛为Ar、N2或者真空。
一种碳化硅离子注入掩膜结构，包括SiO2牺牲层和离子注入阻挡层，SiO2牺牲层能避免高能离子注入时对SiC表面造成的损伤，并且使得掺杂浓度较低的拖尾部分留在SiO2牺牲层中，从而在SiC材料中能获得均匀的矩形分布，离子注入阻挡层由光刻胶通过光刻、曝光、显影、高温碳化制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明采用固化后的光刻胶作为离子注入的阻挡层，简化了工艺，并且采用SiO2介质层作为注入牺牲层来减小离子注入对SiC材料表面的损伤；为了避免Al离子与SiC表面的直接碰撞，减少注入损伤，实在SiC表面生长SiO2介质层作为注入牺牲；牺牲层的存在除了能减少注入损伤以外，还能将样品表面的低注入浓度区转移到牺牲介质层中，使样品纵向注入浓度在整个注入深度有比较均一的分布。
附图说明
图1示出在SiC材料上淀积SiO2离子注入牺牲层的结构示意图。
图2示出SiO2离子注入牺牲层上涂胶光刻后形成的离子注入图案化图形的结构示意图。
图3示出离子注入过程的示意图。
图4示出离子注入完成去除表面介质层后的剖面示意图。
图5多次离子注入后，注入杂质浓度纵向分布图。
图6为实施例中低损伤离子注入方法流程图。
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和附图对本发明做进一步的说明；附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示；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。
一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法，包括如下步骤：
在SiC材料表面形成一层离子注入牺牲层SiO2；
在离子注入牺牲层SiO2表面涂覆光刻胶，进行光刻、显影、曝光、高温碳化后形成离子注入图案化图形；
借助上述图案化图形，对上述SiC材料进行离子注入；
去除表面介质层；
涂覆光刻胶并高温碳化作为后续退火的保护层；
高温退火激活注入杂质；
高温氧化去除碳层。
实施例1
本实施例中，以在N型SiC材料中注入Al离子形成P+为例进行说明。本发明实施例提供的一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法，该方法采用固化后的光刻胶作为离子注入的阻挡层，并且采用SiO2或者SiNx介质层作为注入牺牲层层来减小离子注入对晶格的损伤。
其原理为：在常温注入工艺中，为了避免Al离子与SiC表面的直接碰撞，减少注入损伤，在Al离子注入工艺前，预先在N-SiC材料上PECVD淀积一层SiO2介质层作为注入牺牲层；牺牲层的存在不仅能减少离子注入对SiC材料表面造成的损伤，还能将样品表面的低注入浓度区转移到介质层中，使样品纵向注入浓度在整个注入深度有比较均一的矩形分布；然后在SiO2介质层上涂覆光刻胶，并通过设计好的光刻掩膜版进行曝光、显影和高温碳化操作，获得SiO2介质层上的图案化图形作为离子注入阻挡层。离子注入后，需要制作碳膜作为离子注入后退火的保护层。离子注入完成后，碳膜采用高温氧化的方法去除。
本实施例中，通过采用SiO2离子注入牺牲层层，来减少离子对SiC材料表面造成的损伤。
一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法，其制作步骤包括：
步骤1：
如图1所示，在SiC材料层1表面通过PECVD淀积SiO2离子注入牺牲层2，SiO2层厚度为100nm。
步骤2：
如图2所示，在SiO2牺牲层2上旋涂2μm光刻胶并通过光刻、曝光、显影形成离子注入图案；对曝光后的光刻胶进行高温碳化作为离子注入的阻挡层3。
步骤3：
如图3所示，进行Al离子注入，在400℃下进行不同能量和剂量组合的Al离子注入，注入能量范围为：10Kev～700KeV，注入剂量范围为1×1013～1×1015cm-2；优选地，注入能量分别为：500KeV、280KeV、30KeV，注入剂量分别为7.8×1014cm-2、5.2×1014cm-2、8.6×1013cm-2。
步骤4：
如图4所示，去除离子注入阻挡层3以及SiO2牺牲层2，在SiC表面涂覆光刻胶并高温碳化，优选地，掩膜的制备方法为在离子注入的SiC 材料表面上甩3μm 的正胶，然后在Ar气的保护下，500℃高温碳化1个小时形成。
步骤5：
在1500℃~1700℃温度范围内，氮气或者氩气或者真空环境中进行10～50min的Al离子激活退火，优选地，在温度1650℃，N2氛围保护下，退火45min。
步骤6：
1000℃下氧化去除表面保护层。
应注意的是，Al离子注入不限于本实施例中注入形式，能满足本发明中不同区域掺杂浓度即可，例如：Al离子注入的能量为30kev至550kev；所述注入的能量包括30keV、70keV、100keV、136keV、150keV、215keV、307keV、412keV和550keV；所述能量的注入剂量分别为2×1014cm-2、2.6×1014cm-2、3.5×1014cm-2、6.5×1014cm-2、5.2×1013cm-2、7.7×1013cm-2、9×1013cm-2、1.02×1014cm-2和1.67×1014cm-2。
实施例2
一种碳化硅离子注入掩膜结构，包括SiO2牺牲层2和离子注入阻挡层3，SiO2牺牲层2能避免高能离子注入时对SiC表面造成的损伤，并且使得掺杂浓度较低的拖尾部分留在SiO2牺牲层中，从而在SiC材料中能获得均匀的矩形分布，离子注入阻挡层3由光刻胶通过光刻、曝光、显影、高温碳化制成。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法，其特征在于，包括如下步骤：
在SiC外延片表面形成一层离子注入牺牲层SiO2；
在牺牲层SiO2表面涂覆光刻胶；
光刻、显影、曝光、高温碳化后形成离子注入阻挡层；
借助上述图案化阻挡层，对上述SiC外延片进行离子注入；
高温退火激活注入杂质；
高温氧化去除碳层。
2.根据权利要求1所述的一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法，其特征在于，所述注入阻挡层的厚度取决于离子注入的最高能量。
3.根据权利要求1所述的一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法，其特征在于，所述注入阻挡层的厚度为1μm～3μm。
4.根据权利要求1所述的一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法，其特征在于，所述离子注入需要多次不同剂量和能量注入的组合。
5.根据权利要求3所述的一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法，其特征在于，所述牺牲层的厚度为20nm～200nm。
6.根据权利要求1所述的一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法，其特征在于，所述注入能量在10Kev～700Kev范围内，分为n次，且n≥2，不同剂量的离子注入，注入总剂量需要大于1e13cm-2。
7.根据权利要求1所述的一种用于碳化硅的低损伤离子注入方法，其特征在于，所述激活退火温度为1600℃以上，退火气氛为Ar、N2或者真空。
8.一种碳化硅离子注入掩膜结构，其特征在于，包括SiO2牺牲层和离子注入阻挡层，SiO2牺牲层能避免高能离子注入时对SiC表面造成的损伤，并且使得掺杂浓度较低的拖尾部分留在SiO2牺牲层中，从而在SiC材料中能获得均匀的矩形分布，离子注入阻挡层由光刻胶通过光刻、曝光、显影、高温碳化制成。
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