RU198723U1

RU198723U1 - MASK FOR IONIC ALLOYING IN SILICON CARBIDE PLATES WITH ALUMINUM

Info

Publication number: RU198723U1
Application number: RU2020114051U
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Брюхно; Сергей Борисович Рыбалка
Original assignee: Акционерное общество "ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ"
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2020-07-23

Abstract

Полезная модель относится к области электронной техники, а более конкретно - к конструкции масок для планарной технологии изготовления полупроводниковых приборов на основе карбида кремния с использованием процессов ионного легирования алюминия.Техническим результатом данной полезной модели является исключения влияния маски на свойства легированного алюминием карбида кремния.Технический результат достигается тем, что в отличие от известной маски, предлагаемая маска для ионного легирования в пластины карбида кремния алюминием, состоящая из маскирующего слоя неорганического материала на поверхности карбида кремния и сформированных в этом слое участков для легирования алюминием, маскирующий слой выполнен из слоя алюминия на слое двуокиси кремния толщиной 0,03-0,08 мкм, примыкающего к карбиду кремния.The utility model relates to the field of electronic engineering, and more specifically to the design of masks for the planar technology of manufacturing semiconductor devices based on silicon carbide using processes of ionic alloying of aluminum. The technical result of this utility model is to eliminate the effect of the mask on the properties of aluminum-doped silicon carbide. is achieved by the fact that, in contrast to the known mask, the proposed mask for ionic doping into silicon carbide plates with aluminum, consisting of a masking layer of inorganic material on the surface of silicon carbide and areas formed in this layer for alloying with aluminum, the masking layer is made of an aluminum layer on a layer of dioxide silicon with a thickness of 0.03-0.08 microns, adjacent to silicon carbide.

Description

Полезная модель относится к области электронной техники, а более конкретно к конструкции масок для планарной технологии изготовления полупроводниковых приборов на основе карбида кремния с использованием процессов ионного легирования алюминия.The utility model relates to the field of electronic engineering, and more specifically to the design of masks for a planar technology for manufacturing semiconductor devices based on silicon carbide using aluminum ion alloying processes.

Известны маски для ионного легирования в пластины полупроводников, состоящие из маскирующего слоя органического материала на поверхности полупроводника и сформированных в этом слое участков для легирования (наиболее полно конструкции масок для ионного легирования и проблемы их применения описаны в книге X. Риссел, И. Руге. Ионная имплантация. Пер. с нем. В.В. Климова, В.Н. Пальянова. / Под ред. М.И. Гусевой. - М: Наука. 1983. стр. 58-65.). В качестве маскирующего слоя выбирают фоторезист, в котором методом фотолитографии формируют области, подлежащие легированию. В областях, подлежащих легированию, фоторезист удаляется. Фоторезисты выбирают позитивными, т.к. они имеют более высокую разрешающую способность по сравнению с негативными. Толщина слоя маски фоторезиста должна быть больше наибольшей проекции пробега ионов в слое фоторезиста. В случае если в качестве полупроводникового материала используют карбид кремния, то в одном процессе легирования применяют последовательно несколько энергий имплантации в интервале от 150 до 500 кэВ, а в отдельных случаях до 1000 кэВ. Обычной энергией имплантации для карбида кремния является энергия 400-450 кэВ. В этом случае необходимая толщина маскирующего слоя фоторезиста, например, для ионов алюминия, составляет около 4 мкм. Алюминий обычно выбирают для получения областей, в которых формируют канал ДМОП транзисторов и областей, повышающих напряжение пробоя планарных переходов, например, делительных колец. Преимущество алюминия перед другими элементами, создающими слой р-типа проводимости, является то, что он полностью активируется при отжиге и позволяет получать высокую воспроизводимость пороговых напряжений МОП транзисторов.Known masks for ion doping into semiconductor wafers, consisting of a masking layer of organic material on the semiconductor surface and formed in this layer of areas for doping (the most complete design of masks for ion doping and the problems of their application are described in the book X. Rissel, I. Ruge. Ionic Implantation. Translated from German by VV Klimov, VN Palyanov. / Edited by MI Guseva. - M: Nauka. 1983. pp. 58-65.). A photoresist is selected as the masking layer, in which the regions to be doped are formed by photolithography. In the areas to be alloyed, the photoresist is removed. Photoresists are chosen to be positive because they have a higher resolution than negative ones. The thickness of the photoresist mask layer must be greater than the largest projection of the ion path in the photoresist layer. If silicon carbide is used as a semiconductor material, then in one doping process several implantation energies are used sequentially in the range from 150 to 500 keV, and in some cases up to 1000 keV. Typical implantation energy for silicon carbide is 400-450 keV. In this case, the required thickness of the masking layer of the photoresist, for example, for aluminum ions, is about 4 μm. Aluminum is usually chosen to obtain areas in which the channel of DMOS transistors is formed and areas that increase the breakdown voltage of planar junctions, for example, divider rings. The advantage of aluminum over other elements that create a p-type layer is that it is fully activated during annealing and allows high reproducibility of the threshold voltages of MOS transistors.

При применении таких слоев фоторезиста минимальная ширина щели для легирования получается не менее 5 мкм. Границы маскирующего слоя из-за явления дифракции света при фотолитографии и из-за проявления фоторезиста получаются не перпендикулярными плоскости карбидокремниевой пластины, а находятся под острым углом (около 60-45°) к поверхности пластины, и таким образом эффективная ширина области легирования увеличивается не менее, чем на 1 мкм на сторону. Кроме того, пластины карбида кремния прозрачны для излучения, используемого в фотолитографии, и в районе границы щели происходит дополнительная засветка фоторезиста за счет полного внутреннего отражения от обратной стороны карбидокремниевой пластины, что может неконтролируемо изменить локально размеры маски фоторезиста и ухудшает воспроизводимость конфигурации ионно-легированных областей. При имплантации ионов обрабатываемый образец может разогреться и органическая маска может деформироваться и существенно изменить свои размеры. Также при использовании масок из слоев органических материалов нельзя проводить легирование примесью при нагреве пластины карбида кремния (обычно свыше 400°С).When using such photoresist layers, the minimum width of the doping slit is at least 5 μm. The boundaries of the masking layer due to the phenomenon of light diffraction during photolithography and due to the development of the photoresist are obtained not perpendicular to the plane of the silicon carbide plate, but are at an acute angle (about 60-45 °) to the surface of the plate, and thus the effective width of the alloying region increases at least than 1 micron per side. In addition, silicon carbide plates are transparent for radiation used in photolithography, and in the region of the slit boundary, additional illumination of the photoresist occurs due to total internal reflection from the back side of the silicon carbide plate, which can uncontrollably change the local dimensions of the photoresist mask and impairs the reproducibility of the configuration of ion-doped regions. ... During the implantation of ions, the sample to be processed can heat up and the organic mask can deform and change its size significantly. Also, when using masks from layers of organic materials, doping with an impurity cannot be carried out when the silicon carbide plate is heated (usually over 400 ° C).

Указанные недостатки частично устранены в маске для ионного легирования в пластины карбида кремния, состоящей из маскирующего слоя неорганического материала на поверхности карбида кремния и сформированных в этом слое участков для легирования (прототип описан в книге Process technology for silicon carbide devices. - Edited by Zetterling C.M. Royal Institute of Technology, Sweden. 2002. стр. 52). В качестве маскирующего слоя выбирают двуокись кремния или металлы с большой удельной массой (золото, молибден, и т.д.). Области, подлежащие легированию, также формируют путем вытравливания материала неорганической маски методом фотолитографии. Наиболее эффективно применение металлов в качестве маски, так как материал маски устраняет дополнительную засветку фоторезиста за счет полного внутреннего отражения от обратной стороны карбидокремниевой пластины при фотолитографии и толщина маскирующего слоя металла меньше, чем у других материалов. Например, для молибдена при использовании ионов алюминия с энергии 400 кэВ, толщина маски составляет около 0,6 мкм, а толщина маски из двуокиси кремния - 2,2 мкм.These disadvantages are partially eliminated in the mask for ion doping into silicon carbide wafers, which consists of a masking layer of inorganic material on the surface of silicon carbide and doping regions formed in this layer (the prototype is described in the book Process technology for silicon carbide devices. - Edited by Zetterling CM Royal Institute of Technology, Sweden. 2002. p. 52). Silicon dioxide or metals with a high specific gravity (gold, molybdenum, etc.) are chosen as the masking layer. The regions to be alloyed are also formed by etching the material of the inorganic mask by photolithography. The use of metals as a mask is most effective, since the mask material eliminates additional illumination of the photoresist due to total internal reflection from the back side of the silicon carbide plate during photolithography and the thickness of the masking metal layer is less than that of other materials. For example, for molybdenum, when using aluminum ions with an energy of 400 keV, the thickness of the mask is about 0.6 µm, and the thickness of the silicon dioxide mask is 2.2 µm.

Однако, хотя маски из неорганического материала имеют повышенную точность за счет его малой толщины (обычно не более 1,2 мкм) часто бывает сложно обеспечить условия при которых металлы (например, молибден, золото и т.п.) не взаимодействовали бы с карбидом кремния при их нанесении, например, напылением, из-за наличия теплоты конденсации, или в процессе ионного легирования из-за необходимости нагрева подложки свыше 400°С и не создавали глубоких уровней.However, although masks made of inorganic material have increased accuracy due to its small thickness (usually no more than 1.2 microns), it is often difficult to ensure conditions under which metals (for example, molybdenum, gold, etc.) would not interact with silicon carbide when they are deposited, for example, by sputtering, due to the presence of the heat of condensation, or in the process of ion doping due to the need to heat the substrate above 400 ° C and deep levels were not created.

Техническим результатом данной полезной модели является исключения влияния маски на свойства легированного алюминием карбида кремния.The technical result of this utility model is to eliminate the effect of the mask on the properties of aluminum-alloyed silicon carbide.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известной маски, предлагаемая маска для ионного легирования в пластины карбида кремния алюминием, состоящая из маскирующего слоя неорганического материала на поверхности карбида кремния и сформированных в этом слое участков для легирования алюминием, маскирующий слой выполнен из слоя алюминия на слое двуокиси кремния толщиной 0,03-0,08 мкм, примыкающего к карбиду кремния.The technical result is achieved in that, in contrast to the known mask, the proposed mask for ion doping into silicon carbide plates with aluminum, consisting of a masking layer of inorganic material on the surface of silicon carbide and areas formed in this layer for alloying with aluminum, the masking layer is made of an aluminum layer on a layer of silicon dioxide with a thickness of 0.03-0.08 microns, adjacent to silicon carbide.

В приведенной конструкции маски в качестве маскирующего материала используется слой алюминия, то при формировании участков с ионным легированием алюминия, распыляемый ионами материал маски одинаков по свойствам с вводимой имплантацией примесью и не влияет на свойства сформированных полупроводниковых переходов.In the above design of the mask, an aluminum layer is used as a masking material, then during the formation of areas with ionic doping of aluminum, the ion-sputtered mask material is the same in properties with the impurity introduced by implantation and does not affect the properties of the formed semiconductor junctions.

Наличие дополнительного слоя из двуокиси кремния толщиной 0,03-0,08 мкм, примыкающего к карбиду кремния, позволяет использовать в процессе травления алюминиевой маски остановку процесса травления на этом слое в момент протравливания слоя алюминия. Это также уменьшает допуски и улучшает воспроизводимость размеров маски. При меньших толщинах дополнительного слоя сложно осуществить остановку процесса травления поликристаллического кремния, а при больших увеличивается трудоемкость изготовления маски за счет увеличения времени формирования окислением слоя двуокиси кремния.The presence of an additional layer of silicon dioxide with a thickness of 0.03-0.08 microns, adjacent to silicon carbide, allows using in the process of etching an aluminum mask to stop the etching process on this layer at the moment of etching the aluminum layer. It also reduces tolerances and improves mask size reproducibility. At smaller thicknesses of the additional layer, it is difficult to stop the etching process of polycrystalline silicon, and at large thicknesses, the laboriousness of making the mask increases due to an increase in the time of formation by oxidation of the silicon dioxide layer.

Т.к. для изготовления маски используются материалы, которые не дают рекомбинационных центров и не взаимодействуют с карбидом кремния при температуре проведения операции ионного легирования, то предлагаемая маска имеет преимущества перед другими металлическими, например, молибденовой или золотой.Because For the manufacture of the mask, materials are used that do not give recombination centers and do not interact with silicon carbide at the temperature of the ion doping operation, the proposed mask has advantages over other metal ones, for example, molybdenum or gold.

На фиг. 1-4 приведены конструкция предлагаемой маски и последовательность ее изготовления.FIG. 1-4 show the design of the proposed mask and the sequence of its manufacture.

Позициями на фиг. 1-4 обозначены:The positions in FIG. 1-4 are designated:

1 - пластина карбида кремния с эпитаксиальным слоем;1 - silicon carbide plate with an epitaxial layer;

2 - слой окисла;2 - oxide layer;

3 - слой алюминия;3 - aluminum layer;

4 - слой фоторезиста;4 - photoresist layer;

5 - области, в которых будет проводиться ионное легирование;5 - areas in which ion doping will be carried out;

6 - имплантация ионами алюминия;6 - implantation with aluminum ions;

7 - легированные области.7 - doped areas.

На пластину карбида кремния с эпитаксиальным слоем 1 (см. фиг. 1) толщиной 13 мкм и концентрацией n примеси 3⋅10¹⁵ см^-3 последовательно наносят слой окисла 2 толщиной 0,05 мкм методом термического окисления при температуре 1100°С в атмосфере сухого кислорода, слой алюминия 3 толщиной 1,6 мкм методом напыления в вакууме электронным лучом.On a silicon carbide plate with an epitaxial layer 1 (see Fig. 1) with a thickness of 13 μm and an impurity concentration n of 3⋅10 ¹⁵ cm ^-3 , an oxide layer 2 with a thickness of 0.05 μm is successively applied by thermal oxidation at a temperature of 1100 ° C in a dry atmosphere oxygen, a layer of aluminum 3 with a thickness of 1.6 microns by sputtering in vacuum with an electron beam.

Затем на пластину наносят слой фоторезиста 4 (см. фиг. 2),проводят фотолитографию, вскрывая область фоторезиста в местах, где необходимо провести ионное легирование примеси. Затем вытравливают слой алюминия 3 методом реактивного ионного травления до остановки на слое оксида кремния 2, который вытравливают химически в растворе в буферном травителе на основе плавиковой кислоты. В результате в слое маски формируется области, в которые будет проводиться ионное легирование 5.Then a layer of photoresist 4 is applied to the plate (see Fig. 2), photolithography is carried out, exposing the region of the photoresist in places where it is necessary to carry out ion doping of the impurity. Then, the aluminum layer 3 is etched by the method of reactive ion etching until it stops on the silicon oxide layer 2, which is etched out chemically in a solution in a buffer etchant based on hydrofluoric acid. As a result, regions are formed in the mask layer into which ion doping 5 will be carried out.

Затем фоторезист удаляют (см. фиг. 3) и проводят имплантацию ионами алюминия 6 при температуре 500°С в начале энергией 150 кэВ и дозой 0,5×10¹⁴ см^-2, затем энергией 400 кэВ и дозой 1⋅10¹⁴см^-2и в эпитаксиальном слое 1 формируются легированные области 7. Маску из слоев 2, 3 и 4 удаляют. На эпитаксиальный слой наносят слой аморфного углерода толщиной 1 мкм проводят отжиг в вакууме при температуре 1550°С продолжительностью 2 часа, в результате чего получают локальные области карбида кремния р типа проводимости (см. фиг. 4). Ниже для иллюстрации приведена зависимость толщины маски из различных материалов от величины энергии ионов.Then the photoresist is removed (see Fig. 3) and implantation is carried out with aluminum ions 6 at a temperature of 500 ° C at the beginning with an energy of 150 keV and a dose of 0.5 × 10 ¹⁴ cm ^-2 , then with an energy of 400 keV and a dose of 1⋅10 ¹⁴ cm ^{- 2} and in the epitaxial layer 1 doped regions 7 are formed. The mask from layers 2, 3 and 4 is removed. On the epitaxial layer, a layer of amorphous carbon with a thickness of 1 μm is applied, annealing is carried out in vacuum at a temperature of 1550 ° C for 2 hours, as a result of which local regions of silicon carbide of p type conductivity are obtained (see Fig. 4). Below, for illustration, the dependence of the thickness of the mask made of various materials on the value of the ion energy is given.

Толщина маски в микронах для легирования ионами алюминия в зависимости от энергии ионов и используемого материала.Mask thickness in microns for doping with aluminum ions, depending on ion energy and material used.

И хотя для энергии 400 кэВ толщина маскирующего слоя алюминия больше чем в 3 раз маски из молибдена, уход размеров на маске из алюминия составляет 0,55 мкм и близок к уходу размеров маски из молибдена, который составляет около 0,4 мкм.And although for an energy of 400 keV the thickness of the masking layer of aluminum is more than 3 times the molybdenum mask, the size drift on the aluminum mask is 0.55 μm and is close to the size drift of the molybdenum mask, which is about 0.4 μm.

Указанная маска применяется для изготовления диодов Шоттки на напряжение до 1700 В на карбиде кремния и служит для формирования делительных колец и так называемых блокирующих переходов в контакте Шоттки (JBS - структур).This mask is used to fabricate Schottky diodes for voltages up to 1700 V on silicon carbide and serves to form dividing rings and so-called blocking junctions in the Schottky contact (JBS - structures).

Claims

Mask for ionic alloying into silicon carbide plates with aluminum, consisting of a masking layer of inorganic material on the surface of silicon carbide and areas formed in this layer for alloying with aluminum, characterized in that the masking layer is made of an aluminum layer on a layer of silicon dioxide 0.03-0 , 08 microns, adjacent to silicon carbide.