CN108847384A - 一种在碳化硅基片上生长氧化层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在碳化硅基片上生长氧化层的方法，包括如下步骤：S1：在碳化硅基片(1)的表面覆盖一掩膜层(2)，然后对掩膜层(2)进行图形化处理，使得碳化硅基片(1)表面的第一待氧化区域裸露，其第二待氧化区域被掩膜层(2)覆盖；S2：向第一待氧化区域注入氧离子和氮离子(3)，在碳化硅基片(1)的表面形成一离子注入层(4)；S4：进行高温热氧化处理，在所述碳化硅基片(1)的表面形成一氧化层(5)，且离子注入层(4)的氧化层(5)厚度大于碳化硅基片(1)表面其余区域的氧化层(5)厚度。所述方法通过氧离子的注入使得碳化硅表面非晶化，提高了氧化速度，同时通过氮离子的注入降低了二氧化硅与碳化硅界面态密度，从而可以提高了二氧化硅与碳化硅界面质量。

Description

一种在碳化硅基片上生长氧化层的方法
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(含外延层)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，生成的氧化硅的界面状态有问题，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。在有的情况下，技术人员可以选择在碳化硅外延片上直接沉积介质层的方法来。但是，这种方法沉积的氧化膜质量不高，应用范围很小。另外在刻蚀介质层后会形成结构尖角，从而引起电场聚集，导致器件漏电或击穿，并不会像选择区自然氧化层那样形成平缓的过渡结构。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。
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。碳化硅氧化生长后，在二氧化硅与碳化硅的界面处存在大量的碳簇和硅-碳悬挂键。一方面，碳簇和硅-碳悬挂键能够俘获沟道电子，使其不能参与电流输运，从而减小表面反型层的电荷密度；另一方面，在低场下，碳簇和硅-碳悬挂键俘获的电子作为一个库伦散射中心，能够降低表面反型层的迁移率，从而极大地阻碍碳化硅功率器件的发展。
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，并且改善氧化层/碳化硅界面状态。
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(含外延层)上快速生长氧化层的方法。
为解决上述技术问题，发明采用如下的技术方案：
一种在碳化硅基片上生长氧化层的方法，包括如下步骤：
S1：在所述碳化硅基片的表面覆盖一掩膜层，然后对掩膜层进行图形化处理，使得所述碳化硅基片表面的第一待氧化区域裸露，其第二待氧化区域被掩膜层覆盖；
S2：向第一待氧化区域注入所述氧离子和氮离子，在所述碳化硅基片的表面形成一所述离子注入层；
S4：进行高温热氧化处理，在所述碳化硅基片的表面形成一所述氧化层，且所述离子注入层的所述氧化层厚度大于所述碳化硅基片表面其余区域的所述氧化层厚度。
优选地，在所述步骤S2之后、且所述步骤S4之前还包括如下步骤：S3：所述氧离子和氮离子注入完毕后，去除所述掩膜层。
优选地，所述氧离子的注入能量为10keV至1MeV，其注入剂量为1×1014cm-2至1×1018cm-2；所述氮离子的注入能量为10keV至1MeV，其注入剂量为1×1012cm-2至1×1015cm-2。
优选地，所述高温热氧化处理的温度为900℃至2000℃。
为解决上述技术问题，发明还采用如下的技术方案：
一种在碳化硅基片上生长氧化层的方法，包括如下步骤：
S1：通过离子注入的方式向碳化硅基片内注入氧离子和氮离子，在碳化硅基片的表面形成一离子注入层；
S2：进行高温热氧化处理，使得离子注入层被氧化，形成一氧化层。
优选地，在所述步骤S1之前还包括如下步骤：S0：在所述碳化硅基片上沉积一层垫层。
优选地，在所述步骤S2之后还包括如下步骤：S3：通过湿法刻蚀或者干法刻蚀将所述氧化层5去除。
优选地，所述氧离子的注入能量为小于或等于100keV，其注入剂量为1×1012cm-2至1×1018cm-2，其注入温度为0至1000℃；所述氮离子的注入能量为小于或等于100keV，其注入剂量为1×1012cm-2至1×1015cm-2。
优选地，所述氧离子的注入能量为10keV至1MeV，其注入剂量为1×1012cm-2至1×1018cm-2，其注入温度为0至1000℃；所述氮离子的注入能量为10keV至1MeV，其注入剂量为1×1012cm-2至1×1015cm-2。
优选地，所述高温热氧化处理的温度为900℃至2000℃。
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：
本发明的在碳化硅基片上生长氧化层的方法，通过氧离子的注入使得碳化硅表面非晶化，提高了氧化速度，同时通过氮离子的注入降低了二氧化硅与碳化硅界面态密度，从而可以实现碳化硅基LOCOS工艺，避免结构尖端导致的电场聚集效应，并提高了二氧化硅与碳化硅界面质量。
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1提供的在碳化硅基片上生长氧化层的方法的流程图；
图2-5为本发明实施例1提供的在碳化硅基片上生长氧化层的方法的步骤示意图；
图6为本发明实施例2提供的在碳化硅基片上生长氧化层的方法的流程图；
图7-9为本发明实施例2提供的在碳化硅基片上生长氧化层的方法的步骤示意图；
图10为本发明实施例3提供的在碳化硅基片上生长氧化层的方法的流程图；
图11-14为本发明实施例3提供的在碳化硅基片上生长氧化层的方法的步骤示意图。
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。
实施例1
本实施例提供一种在碳化硅基片(含外延层)上生长氧化层的方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
S1-1：在碳化硅基片1的表面覆盖一掩膜层2，然后对掩膜层2进行图形化处理，使得碳化硅基片1表面的第一待氧化区域裸露，其第二待氧化区域被掩膜层2覆盖，如图2所示；
S1-2：向第一待氧化区域注入氧离子和氮离子3，如图3所示，在碳化硅基片1的表面形成一离子注入层4，如图4所示；
S1-3：氧离子和氮离子3注入完毕后，去除掩膜层2，如图4所示；
S1-4：进行高温热氧化处理，在碳化硅基片1的表面形成一氧化层5，且离子注入层4对应的氧化层5厚度大于碳化硅基片1表面其余区域的氧化层5厚度，如图5所示。
在本实施例中，掩膜层2的材质可以是光刻胶、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或氮化铝(AlN)，也可以是由光刻胶、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)和氮化铝(AlN)中任意两种及以上组成的混合物。
上述步骤S1-2中，氧离子的注入能量为10keV至1MeV，其注入剂量为1×1014cm-2至1×1018cm-2。上述步骤S1-2中，氮离子的注入能量为10keV至1MeV，其注入剂量为1×1012cm-2至1×1015cm-2。
上述步骤S1-2中，对于离子注入层4所在区域的周边区域(图中未示出)，其虽然没有被直接注入氧离子和氮离子，但是，氧离子的扩散导致该区域的氧元素浓度高于碳化硅材料本身的氧元素浓度，氮离子的扩散导致该区域的氮元素浓度高于碳化硅材料本身的氮元素浓度。在本实施例中，离子注入层4所在区域周边的、氧元素浓度和氮元素浓度分别高于碳化硅材料本身的氧元素浓度和氮元素浓度的区域称为富氧富氮区。
上述步骤S1-2中，所形成的离子注入层4所在区域包括离子注入损伤区(图中未示出)和上述富氧富氮区(图中未示出)。
上述步骤S1-4中，高温热氧化处理的温度为900℃至2000℃。
上述步骤S1-4中，通过高温热氧化处理使得离子注入层4的氧离子全部被氧化，避免注入的氧离子残留。
上述步骤S1-4中，在进行高温热氧化处理的过程中，所形成的氧化层5与碳化硅基片1之间的界面被氮化，使得氮原子堆积在二氧化硅与碳化硅的界面处，从而能够分解二氧化硅与碳化硅界面处的碳簇，降低界面态密度。
上述步骤S1-4中，由于氧离子和氮离子注入以及氧化本身的边缘效应，在进行上述高温热氧化处理的过程中，在第一待氧化区域与第二待氧化区域的连接处，氧化层5的厚度平缓过渡，形成“鸟嘴”形结构，从而避免氧化层厚度突变造成的不良后果。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述方法不包括上述步骤S1-3，即掩膜层2一直保留至上述步骤S1-4进行高温热氧化处理之后。相应地，上述步骤S1-4中，在碳化硅基片1表面的除离子注入层4之外的区域(即被掩膜层覆盖的区域)不形成氧化层5或者其厚度非常薄。
上述步骤S1-4中，上述氧化层5为二氧化硅层。
实施例2
如图6所示，本实施例提供一种在碳化硅基片(含外延层)上生长氧化层的方法，该方法能够在碳化硅基片(含外延层)上快速生长高质量且具有优良界面的氧化层，该方法包括如下步骤：
S2-1：通过离子注入的方式向碳化硅基片1内注入氧离子和氮离子3，如图7所示，在碳化硅基片1的表面形成一离子注入层4，如图8所示；
S2-2：进行高温热氧化处理，使得离子注入层4被氧化，形成一氧化层5，如图9所示。
在本实施例的一种优选实施方式中，在上述步骤S2-1之前，还包括如下步骤：S2-0：在碳化硅基片1上沉积一层垫层。在此实施方式中，上述步骤S2-1中，氧离子和氮离子3穿过上述垫层注入到碳化硅基片1内，由于垫层的阻挡作用，氧离子和氮离子3在碳化硅基片1内的注入深度较之无垫层的情形有所降低。优选地，垫层的材质为二氧化硅。
在本实施例的一种优选实施方式中，在上述步骤S2-0之前，还可以包括如下步骤：在碳化硅基片1上淀积一掩膜层2，然后通过光刻对掩膜层2进行图形化处理，使得碳化硅基片1表面的第一待氧化区域裸露，其第二待氧化区域被掩膜层2覆盖(同实施例1，图2)。在此实施方式中，上述步骤S2-1中，氧离子和氮离子3仅注入到第一待氧化区域，第二待氧化区域由于掩膜层2的遮挡不会被注入氧离子和氮离子3(同实施例1，图3和图4)。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述步骤S2-1中，氧离子的注入能量为小于或等于100keV，氧离子的注入剂量为1×1012cm-2至1×1018cm-2，氧离子的注入温度为0至1000℃。上述步骤S2-1中，氮离子的注入能量为小于或等于100keV，氮离子的注入剂量为1×1012cm-2至1×1015cm-2。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述步骤S2-2中，高温热氧化处理的温度为900℃至2000℃。
上述步骤S2-2中，上述氧化层5为二氧化硅层。
在本实施例的一种优选实施方式中，掩膜层2的材质可以是光刻胶、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或氮化铝(AlN)，也可以是由光刻胶、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)和氮化铝(AlN)中任意两种及以上组成的混合物。
实施例3
如图10所示，本实施例提供一种在碳化硅基片(含外延层)上生长氧化层的方法，该方法能够在碳化硅基片(含外延层)上快速生长牺牲氧化层，该方法包括如下步骤：
S3-1：通过离子注入的方式向碳化硅基片1内注入氧离子和氮离子3，如图11所示，在碳化硅基片1的表面形成一离子注入层4，如图12所示；
S3-2：进行高温热氧化处理，使得离子注入层4被氧化，形成一氧化层5，如图13所示；
S3-3：通过湿法刻蚀或者干法刻蚀将上述氧化层5去除，如图14所示。
在本实施例的一种优选实施方式中，在上述步骤S3-1之前，还可以包括如下步骤：S3-0：在碳化硅基片1上淀积一掩膜层2，然后通过光刻对掩膜层2进行图形化处理，使得碳化硅基片1表面的第一待氧化区域裸露，其第二待氧化区域被掩膜层2覆盖(同实施例1，图2)。在此实施方式中，上述步骤S3-1中，氧离子和氮离子3仅注入到第一待氧化区域，第二待氧化区域由于掩膜层2的遮挡不会被注入氧离子和氮离子3(同实施例1，图3和图4)。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述步骤S3-1中，氧离子的注入能量为10keV至1MeV，氧离子的注入剂量为1×1012cm-2至1×1018cm-2，氧离子的注入温度为0至1000℃。上述步骤S3-1中，氮离子的注入能量为10keV至1MeV，氮离子的注入剂量为1×1012cm-2至1×1015cm-2。
在本实施例的一种优选实施方式中，上述步骤S3-2中，高温热氧化处理的温度为900℃至2000℃。
上述步骤S3-2中，上述氧化层5为二氧化硅层。
在本实施例的一种优选实施方式中，掩膜层2的材质可以是光刻胶、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)或氮化铝(AlN)，也可以是由光刻胶、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)和氮化铝(AlN)中任意两种及以上组成的混合物。
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 (10)

1.一种在碳化硅基片上生长氧化层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在所述碳化硅基片(1)的表面覆盖一掩膜层(2)，然后对掩膜层(2)进行图形化处理，使得所述碳化硅基片(1)表面的第一待氧化区域裸露，其第二待氧化区域被掩膜层(2)覆盖；
S2：向第一待氧化区域注入所述氧离子和氮离子(3)，在所述碳化硅基片(1)的表面形成一所述离子注入层(4)；
S4：进行高温热氧化处理，在所述碳化硅基片(1)的表面形成一所述氧化层(5)，且所述离子注入层(4)的所述氧化层(5)厚度大于所述碳化硅基片(1)表面其余区域的所述氧化层(5)厚度。
2.根据权利要求1所述的在碳化硅基片上生长氧化层的方法，其特征在于，在所述步骤S2之后、且所述步骤S4之前还包括如下步骤：
S3：所述氧离子和氮离子(3)注入完毕后，去除所述掩膜层(2)。
3.根据权利要求1或2所述的在碳化硅基片上生长氧化层的方法，其特征在于，所述氧离子的注入能量为10keV至1MeV，其注入剂量为1×1014cm-2至1×1018cm-2；所述氮离子的注入能量为10keV至1MeV，其注入剂量为1×1012cm-2至1×1015cm-2。
4.根据权利要求1或2所述的在碳化硅基片上生长氧化层的方法，其特征在于，所述高温热氧化处理的温度为900℃至2000℃。
5.一种在碳化硅基片上生长氧化层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过离子注入的方式向碳化硅基片(1)内注入氧离子和氮离子(3)，在碳化硅基片(1)的表面形成一离子注入层(4)；
S2：进行高温热氧化处理，使得离子注入层(4)被氧化，形成一氧化层(5)。
6.根据权利要求5所述的在碳化硅基片上生长氧化层的方法，其特征在于，在所述步骤S1之前还包括如下步骤：
S0：在所述碳化硅基片(1)上沉积一层垫层。
7.根据权利要求5所述的在碳化硅基片上生长氧化层的方法，其特征在于，在所述步骤S2之后还包括如下步骤：
S3：通过湿法刻蚀或者干法刻蚀将所述氧化层(5)去除。
8.根据权利要求5或6所述的在碳化硅基片上生长氧化层的方法，其特征在于，所述氧离子的注入能量为小于或等于100keV，其注入剂量为1×1012cm-2至1×1018cm-2，其注入温度为0至1000℃；所述氮离子的注入能量为小于或等于100keV，其注入剂量为1×1012cm-2至1×1015cm-2。
9.根据权利要求5或7所述的在碳化硅基片上生长氧化层的方法，其特征在于，所述氧离子的注入能量为10keV至1MeV，其注入剂量为1×1012cm-2至1×1018cm-2，其注入温度为0至1000℃；所述氮离子的注入能量为10keV至1MeV，其注入剂量为1×1012cm-2至1×1015cm-2。
10.根据权利要求5-7中任一项所述的在碳化硅基片上生长氧化层的方法，其特征在于，所述高温热氧化处理的温度为900℃至2000℃。
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