CN109148274A - 一种用于SiC器件的离子注入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于SiC器件的离子注入方法。方法包括：在常温下以预定角度的掠射角进行离子注入，该方法还包括：在SiC材料表面形成用于离子注入的缓冲层；对缓冲层进行光刻形成离子注入的图案化层；以及利用图案化层进行离子注入。

Description

一种用于SiC器件的离子注入方法

技术领域

本发明涉及半导体工艺领域。更具体地，涉及一种用于SiC器件的离子注入方法。

背景技术

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。

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和内部都造成损伤。然而，由于目前通用的离子注入设备为常温注入，高温的离子注入工艺对设备以及工艺提出了更高的要求，与目前的Si基器件工艺难以兼容，这给SiC器件的产业化带来了一定的困难。因此研究常温下SiC离子注入的工艺可以简化器件制备工艺，同时降低了工艺难度和工艺成本，对实现与现有Si基器件工艺兼容，实现SiC器件的产业化发展具有积极的意义。

但是，采用常温的离子注入工艺，与高温的离子注入工艺相比，在离子注入过程中，对晶格造成的损伤会比较大，因此需要采取可以降低注入损伤的工艺方法以达到和高温注入同样的效果的用于SiC器件的离子注入方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以在常温下达到与高温注入同样效果的用于SiC器件的离子注入方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本申请提供了一种用于SiC器件的离子注入方法，该方法包括：在常温下以预定角度的掠射角进行离子注入。

优选地，所述方法还包括：在进行所述离子注入前，在SiC材料表面形成用于离子注入的缓冲层；以及对所述缓冲层进行光刻形成离子注入的图案化层。

优选地，所述预定角度的掠射角的大小为1°至10°。

优选地，所述缓冲层的厚度为20nm至200nm。

优选地，所述缓冲层的材料为SiO2或SiNx。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案能够解决高温离子注入与现有硅基器件工艺线不能兼容，对设备要求过高工艺不成熟的问题，实现了采用常温离子注入工艺达到与高温离子注入同样效果的用于SiC器件的离子注入方法。

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至图4示出根据本公开的用于SiC器件的示例性离子注入方法的工艺过程的视图。

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。

本发明实施例提供的一种用于SiC器件的离子注入方法，该方法采用带有预定的掠射角的常温离子注入，优选地，掠射角的大小可以为1°至10°。其中，掠射角为离子注入的方向与SiC材料表面的法线方向之间形成的锐角。

优选地，本发明实施例在进行上述离子注入前，在SiC材料表面形成用于离子注入的缓冲层以减小离子注入对晶格的损伤。该缓冲层可以为SiO2或SiNx，缓冲层的厚度可以为20nm至200nm。

下面结合图1至图4，描述用于SiC器件的示例性离子注入方法的工艺过程。图1至图4示出根据本公开的用于SiC器件的示例性离子注入方法的工艺过程的视图。

为描述的清楚，在本实施例中，以在N型SiC材料中注入Al离子形成P⁺为例进行说明。本领域技术人员应理解，这仅是示例性的，并不用于限制本发明。在N型SiC材料中注入其他P型掺杂离子或在P型SiC材料中注入N型掺杂离子也是可以的。

此外，本实施例中，通过采用SiO₂离子注入缓冲层以及采用带有掠射角的离子注入方式，来减少常温离子注入下对晶格的损伤。

具体地，在本实施例中，详细的步骤包括：

步骤1：

在SiC材料层1表面通过PECVD淀积SiO₂离子注入缓冲层2，SiO₂层厚度可以为100nm，如图1所示。

步骤2：

在SiO₂缓冲层2上旋涂2μm光刻胶并通过光刻、曝光、显影形成具有离子注入图案的光刻胶3；对曝光后的光刻胶3进行高温碳化作为离子注入的阻挡层，如图2所示。

在常温注入工艺中，在Al离子注入工艺前，通过预先在N-SiC材料上PECVD淀积一层SiO₂介质层作为注入缓冲层，可以避免Al离子与SiC表面的直接碰撞，减少注入损伤。缓冲层的存在除了能减少注入损伤以外，还能将SiC材料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分布。

步骤3：

参照图3，以4°的掠射角进行Al离子注入，在常温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。本领域技术人员应理解，该注入角并不是限制性的，可以根据需要进行调节，范围可以在1°至10°之间调整。

此外，当对离子注入的均匀性方面有更高要求时，可以根据需要对SiC材料进行多次注入，可以使SiC材料的注入浓度在纵向保持相同的水平。

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；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。且上述能量和注入计量也仅是列举，其他可以满足实际设计需要的能量和注入计量也是可以的。只要可以在常温下完成需要掺杂浓度即可。

进行Al离子注入时，通过采用本公开的具有一定角度的掠射角的注入方式，使得相同注入能量下，注入离子的平均注入射程是一定的，掠射注入使得垂直方向的有效注入深度和浓度分布梯度减小，使浓度分布更集中。同时，适当的注入掠射角可以减少离子注入过程中，注入离子与格点的碰撞几率，减少对晶格的损伤。

步骤4：形成碳保护层(未示出)。

去除离子注入掩膜以及SiO₂缓冲层，在SiC表面涂覆光刻胶并高温碳化。优选地，碳保护层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：Al离子激活退火。

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℃下氧化去除表面碳保护层，完成如图4所示的对SiC材料的离子注入，注入区域4示意性地示出了注入后的状态。

在高温退火过程中，会带来晶片表面SiC分解、硅原子升华的问题。所以，离子注入后，需要制作碳保护层作为离子注入后退火的保护层。离子注入完成后，碳保护层采用高温氧化的方法去除。

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 (6)

1.一种用于SiC器件的离子注入方法，其特征在于，所述方法包括：在常温下以预定角度的掠射角进行离子注入。

2.如权利要求1所述的用于SiC器件的离子注入方法，其特征在于，所述方法还包括：

在进行所述离子注入前，在SiC材料表面形成用于离子注入的缓冲层；以及

对所述缓冲层进行光刻形成离子注入的图案化层。

3.如权利要求1或2所述的用于SiC器件的离子注入方法，其特征在于，所述掠射角的大小为1°至10°。

4.如权利要求2所述的用于SiC器件的离子注入方法，其特征在于，所述缓冲层的厚度为20nm至200nm。

5.如权利要求3所述的用于SiC器件的离子注入方法，其特征在于，所述缓冲层的厚度为20nm至200nm。

6.如权利要求2所述的用于SiC器件的离子注入方法，其特征在于，所述缓冲层的材料为SiO2或SiNx。