CN110137076A - 新型SiC功率器件高温退火保护膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及SiC功率器件领域，尤指一种新型SiC功率器件高温退火保护膜的制备方法。首先,对注入离子和去除掩膜的SiC样片进行标准清洗；然后，采用CVD法在SiC样片表面制备双层碳膜；最后,将制成的双层碳膜进行高温退火，使得双层碳膜重构成双层石墨烯；便可得到本发明所述的SiC功率器件高温退火保护膜。本发明以SiC衬底为原材料在其表面制备高质量石墨烯，使其作为SiC功率器件离子注入后高温退火的保护膜；本发明的石墨烯保护膜制备工艺简单，并且具有较佳的保护效果，不污染设备。此外，本发明所制备得到的保护膜为双层石墨烯，不但表面光滑、致密，而且纯度高、高温稳定性好，可以有效地保护SiC晶圆衬底高温退火激活过程中的表面形貌。
Description
技术领域
本发明涉及SiC功率器件领域，尤指一种新型SiC功率器件高温退火保护膜及其制备方法。
背景技术
SiC材料作为第三代半导体材料，具有许多优越的特性，从而使SiC器件与传统器件相比优势明显，一致被认为是最具潜力的半导体器件。但是，SiC材料的一些独特性质也为其工艺制造技术带来了新的要求。由于SiC材料的杂质扩散系数较低，使得离子注入成为SiC器件选区掺杂的最佳办法。但是注入到SiC材料内部的杂质离子基本处于晶格间隙位置，为了让这些杂质离子替位到晶格点位置上，需要对离子注入后的SiC材料进行高温激活退火，退火温度对于N型杂质一般高于1400℃，P型为1600℃-1800℃。在这样高的退火温度下，SiC中的硅会挥发再沉积，导致退火后的晶圆表面出现台阶簇，使得晶圆表面形貌变差，从而严重影响器件性能。
为了解决这一问题，高温激活退火时一般会在SiC晶圆表面覆盖一层保护层，从而抑制硅的挥发和沉积。目前应用最为广泛的保护层是碳保护膜，这是因为①碳与SiC不会在高温下发生反应；②碳保护膜具有一定硬度，有效抑制SiC中硅的析出；③高温激活退火之后，碳保护膜可以通过氧化等方法有效去除，不会对器件性能造成影响。
目前比较常用的碳保护膜形成方法是光刻胶碳化法。如专利CN102386100A中记载：方法为首先将光刻胶旋涂在SiC晶圆上；之后利用烘箱烘焙带有光刻胶的SiC晶圆，使得光刻胶中的溶剂部分挥发；最后在高温炉中将带有光刻胶的SiC晶圆加热至一定温度，使得光刻胶中的有机物碳化形成碳膜。但由光刻胶形成的碳保护膜存在以下问题：
首先，光刻胶除了含有树脂、感光物质PAC和溶剂三种主要成分之外，还含有稳定剂、阻聚剂、粘度控制剂、染料及增塑剂等多种成分。上述成分中除了含有C、H、O元素之外，还可能含有N、P等元素甚至金属元素。也就是说光刻胶作为碳保护膜的成膜物质，其本身并不纯净，这导致形成的碳保护膜也不纯净。不纯的碳保护膜的保护作用将大打折扣，或者导致碳保护膜的重复性变差；而且一般的碳保护膜去除方法可能无法去除碳保护膜中的杂质，导致碳保护膜残留，从而严重影响器件性能及成品率；带有不纯净碳保护膜的SiC晶圆在高温激活退火过程中可能会对激活退火设备造成污染。
其次，光刻胶碳化形成的碳保护膜中碳碳之间的结合方式并不确定，这样的碳保护膜在经历1800℃的高温激活退火之后，碳碳之间的结合方式可能发生变化，从而使碳膜出现孔洞或裂纹，这将严重影响碳保护膜的保护效果，甚至可能导致碳保护膜失去保护作用。
综上所述，光刻胶的不纯净性导致光刻胶碳化形成的碳保护膜保护效果差、难完全去除并且易污染激活退火设备；光刻胶碳化形成的碳保护膜中碳碳结合方式的不确定性导致碳保护膜的高温稳定性差，从而严重影响保护效果。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种新型SiC功率器件高温退火保护膜的制备方法，工艺简单，并且具有较佳的保护效果，不污染设备。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型SiC功率器件高温退火保护膜的制备方法，其制备步骤如下：
S1,对离子注入后且去除掩膜的SiC样片进行标准清洗；
S2，采用CVD法在SiC样片表面制备双层碳膜；
S3,将制成的双层碳膜进行高温退火，使得双层碳膜重构成双层石墨烯。
进一步地，在S1中，所述标准清洗包括以下步骤：先使用NH4OH+H2O2试剂浸泡SiC样片，取出后烘干，再使用HCl+ H2O2试剂浸泡SiC样片。
其中，SiC样片浸泡NH4OH+H2O2试剂和HCl+ H2O2试剂的时间均为10分钟。
进一步地，在S2的CVD法中，以气态CCl4为反应气体，Ar为载气，反应原理为SiC+CCl4→2C+Si Cl4↑。
其中，反应时间为20-120min。
进一步地，在S3中，将双层碳膜置于流速为25-100m1/min的Ar气中。
进一步地，在S3中，高温退火温度为1000-1200℃，高温退火为时间为10-30分钟。
本发明还保护一种经过上述制备方法所得到的SiC功率器件高温退火保护膜。
本发明的有益效果在于：本发明以SiC衬底为原材料在其表面制备高质量石墨烯，使其作为SiC功率器件离子注入后高温退火的保护膜；本发明的石墨烯保护膜制备工艺简单，并且具有较佳的保护效果，不污染设备。
此外，本发明所制备得到的保护膜为双层石墨烯，不但表面光滑、致密，而且纯度高、高温稳定性好，可以有效地保护SiC晶圆衬底高温退火激活过程中的表面形貌。
附图说明
图1 是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
请参阅图1的工艺流程图所示，本发明关于一种新型SiC功率器件高温退火保护膜的制备方法如下：首先,对离子注入后且去除掩膜的SiC样片进行标准清洗；然后，采用CVD法在SiC样片表面制备双层碳膜；最后,将制成的双层碳膜进行高温退火，使得双层碳膜重构成双层石墨烯；便可得到本发明所述的SiC功率器件高温退火保护膜。
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本申请可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。提供以下具体实施方式的目的是便于对本申请公开内容更清楚透彻的理解。
实施例1
S1:对离子注入后且去除注入掩膜的SiC样片进行标准清洗：即先使用NH4OH+H2O2试剂浸泡样片10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HCl+ H2O2试剂浸泡样片10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。
S2: 用CVD法在SiC样片表面制备双层碳膜：将SiC样片放入CVD设备腔体中，并且抽真空，Ar流量80ml/min排气10min。衬底加热到800℃，其中以气态CCl4为反应气体，Ar为载气，CCl4气化温度65℃，载气Ar流量50ml/min反应时间为20min。
S3: 双层碳膜重构成双层石墨烯：双层碳膜制备完成后，停止CCl4气体的通入，降低Ar流量为25ml/min，衬底升温到1000℃热处理30min，待双层碳膜重构成双层石墨烯后停止衬底加热，在Ar气体保护下使衬底降温到室温。
实施例2
S1:离子注入后且去除注入掩膜的SiC样片进行标准清洗：即先使用NH4OH+H2O2试剂浸泡样片10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HCl+ H2O2试剂浸泡样片10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。
S2: 用CVD法在SiC样片表面制备双层碳膜：将SiC样片放入CVD设备腔体中，并且抽真空，Ar流量80ml/min排气10min。衬底加热到900℃，其中以气态CCl4为反应气体，Ar为载气，CCl4气化温度70℃，载气Ar流量60ml/min反应时间为60min。
S3: 双层碳膜重构成双层石墨烯：双层碳膜制备完成后，停止CCl4气体的通入，提高Ar流量为80ml/min，衬底升温到1050℃热处理15min，待双层碳膜重构成双层石墨烯后停止衬底加热，在Ar气体保护下使衬底降温到室温。
实施例3
S1:离子注入后且去除注入掩膜的SiC样片进行标准清洗：即先使用NH4OH+H2O2试剂浸泡样片10分钟，取出后烘干，以去除样品表面有机残余物；再使用HCl+ H2O2试剂浸泡样片10分钟，取出后烘干，以去除离子污染物。
S2: 用CVD法在SiC样片表面制备双层碳膜：将SiC样片放入CVD设备腔体中，并且抽真空，Ar流量80ml/min排气10min。衬底加热到1100℃，其中以气态CCl4为反应气体，Ar为载气，CCl4气化温度80℃，载气Ar流量80ml/min反应时间为120min。
S3: 双层碳膜重构成双层石墨烯：双层碳膜制备完成后，停止CCl4气体的通入，提高Ar流量为100ml/min，衬底升温到1200℃热处理10min，待双层碳膜重构成双层石墨烯后停止衬底加热，在Ar气体保护下使衬底降温到室温。
需进一步的说明的是，上述实施例将CVD法在SiC样片表面制备的双层石墨烯应用于 SiC 功率器件，具有如下优势：
1）石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，达到1060GPa，将其作为成膜材料能够阻止高温退火过程中，SiC 晶圆表面 Si的析出。
2）石墨烯导热性能优异，导热系数达到5300W/m·K，比金刚石和碳纳米管都高。将其作为成膜材料能够在SiC 晶圆高温退火时，保证SiC 晶圆表面温度一致，更好的保护SiC晶圆衬底高温退火激活过程中的表面形貌。
3）石墨烯是碳原子采用sp2杂化形成的具有蜂巢状的二维晶格结构，这种结构非常稳定，不会在高温下出现微裂纹和微孔洞。
4）石墨烯具有较大的弹性模量，形成的保护膜与SiC晶圆之间不会产生过大应力，从而避免了石墨烯保护膜脱落及微裂纹现象的发生。
5）石墨烯是由单纯的碳原子构成，其成分纯净，这样的保护膜不会污染设备，同时易于去除，不易残留。
以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种新型SiC功率器件高温退火保护膜的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
S1,对离子注入后且去除掩膜的SiC样片进行标准清洗；
S2，采用CVD法在SiC样片表面制备双层碳膜；
S3,将制成的双层碳膜进行高温退火，使得双层碳膜重构成双层石墨烯。
2.根据权利要求1所述的新型SiC功率器件高温退火保护膜的制备方法，其特征在于，在S1中，所述标准清洗包括以下步骤：先使用NH4OH+H2O2试剂浸泡SiC样片，取出后烘干，再使用HCl+ H2O2试剂浸泡SiC样片。
3.根据权利要求2所述的新型SiC功率器件高温退火保护膜的制备方法，其特征在于：SiC样片浸泡NH4OH+H2O2试剂和HCl+ H2O2试剂的时间均为10分钟。
4.根据权利要求1所述的新型SiC功率器件高温退火保护膜的制备方法，其特征在于：在S2的CVD法中，以气态CCl4为反应气体，Ar为载气，反应原理为SiC+ CCl4→2C+Si Cl4↑。
5.根据权利要求4所述的新型SiC功率器件高温退火保护膜的制备方法，其特征在于：反应时间为20-120min。
6.根据权利要求1所述的新型SiC功率器件高温退火保护膜的制备方法，其特征在于：在S3中，将双层碳膜置于流速为25-100m1/min的Ar气中。
7.根据权利要求1所述的新型SiC功率器件高温退火保护膜的制备方法，其特征在于：在S3中，高温退火温度为1000-1200℃，高温退火为时间为10-30分钟。
8.一种使用权利要求1-7任一项制备方法所得的SiC功率器件高温退火保护膜。
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