本發(fā)明屬于半導(dǎo)體微電子器件制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳化硅高溫退火表面保護(hù)碳膜的快速制備方法。

背景技術(shù)：

碳化硅（SiC）作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有熱導(dǎo)率高、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、飽和電子漂移速度高等特點(diǎn)，這些優(yōu)越的性能使碳化硅電子器件能在高溫、高功率和高頻等惡劣環(huán)境下可靠地工作，相比硅、鍺、砷化鎵、磷化銦等傳統(tǒng)半導(dǎo)體具有明顯優(yōu)勢(shì)。

在微電子器件制備過(guò)程中，一般通過(guò)摻雜的方式在半導(dǎo)體基體材料中引入不同于宿主材料的其它雜質(zhì)原子，經(jīng)過(guò)激活后，這些雜質(zhì)原子的類(lèi)型和濃度會(huì)直接決定最終半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)型和導(dǎo)電能力強(qiáng)弱。常用的摻雜方式有擴(kuò)散摻雜、離子注入和外延摻雜。其中，外延摻雜通常用于器件結(jié)構(gòu)制備前生長(zhǎng)特定摻雜濃度的大面積晶元，難以對(duì)芯片局部區(qū)域進(jìn)行選擇性的摻雜。此外，由于碳化硅材料具有極為穩(wěn)定的共價(jià)鍵，擴(kuò)散摻雜方式難以將雜質(zhì)原子擴(kuò)散進(jìn)入碳化硅材料。可行的是，由于離子注入具有較好的控制性和選擇性，還可在離子注入過(guò)程中加以高溫的輔助，因此，高溫離子注入是對(duì)碳化硅材料局部區(qū)域進(jìn)行摻雜的有效方式。目前，離子注入已被廣泛地應(yīng)用于碳化硅PiN二極管、結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管（JBS），場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET和MOSFET），門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO），或者絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等功率器件中的結(jié)終端擴(kuò)展、場(chǎng)保護(hù)環(huán)、歐姆接觸工藝。

由于碳化硅材料的共價(jià)鍵很強(qiáng)，在對(duì)碳化硅進(jìn)行高能離子注入過(guò)程中，一般采用多次高能離子注入在碳化硅材料中形成箱體形狀分布。對(duì)碳化硅器件進(jìn)行離子注入后，雜質(zhì)原子不能直接改變材料的電學(xué)性能，通常還需要在1600℃以上的高溫下進(jìn)行一定時(shí)間的熱退火以激活雜質(zhì)離子，從而改變碳化硅器件中的載流子濃度。此外，在退火過(guò)程中，高能離子注入引起的碳化硅晶格損傷也會(huì)得到較好地修復(fù)。因此，離子注入后的高溫退火工藝是影響碳化硅電子器件最終電學(xué)性能的關(guān)鍵因素。

在1600℃以上的高溫對(duì)碳化硅器件進(jìn)行熱退火的過(guò)程中，碳化硅表面的材料會(huì)發(fā)生分解：即硅原子升華，碳元素殘留在器件表面，形成難以去除的粉末狀碳顆粒，即使采用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝也難以獲得潔凈平坦的碳化硅表面。殘留在碳化硅器件表面的粉末狀碳顆粒對(duì)最終器件的性能有顯著的不利影響，如使器件表面粗糙度增加、降低器件的歐姆接觸性能和可靠性、影響器件中載流子遷移率等。目前常用的保護(hù)高溫退火過(guò)程中碳化硅表面方法有：在高溫退火過(guò)程中在碳化硅表面覆蓋碳化硅粉末抑制碳化硅自身分解，或者通過(guò)濺射鍍膜方式在離子注入后的碳化硅表面沉積一層碳膜或者氮化鋁薄膜等。這些方法雖然能對(duì)碳化硅表面起到一定的保護(hù)作用，但是對(duì)設(shè)備的要求較高，且工藝時(shí)間長(zhǎng)、成本也較高。

因此，需要一種工藝簡(jiǎn)單、快速且有效的方法實(shí)現(xiàn)碳化硅器件在高溫退火過(guò)程中的表面保護(hù)；此外，保護(hù)方法不能引入額外的缺陷以致降低碳化硅器件的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述碳化硅器件高溫退火存在的技術(shù)難題，本發(fā)明提供了一種碳化硅高溫退火表面保護(hù)碳膜的快速制備方法，該方法工藝簡(jiǎn)單、快速且有效，在不引入額外缺陷的前提下，可實(shí)現(xiàn)碳化硅器件高溫退火過(guò)程中的表面保護(hù)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種碳化硅高溫退火表面保護(hù)碳膜的快速制備方法，其特征在于：碳化硅器件高溫激活前，在碳化硅器件的正、反兩面旋涂光敏抗蝕劑，低溫烘烤去除光致抗蝕劑中的有機(jī)溶劑；通過(guò)快速熱退火方法使光致抗蝕劑在無(wú)氧環(huán)境下熱分解，形成均勻的碳膜；覆蓋有碳膜的碳化硅器件在高溫下進(jìn)行退火激活雜質(zhì)離子；雜質(zhì)離子注入激活后，在純氧氣和高溫環(huán)境下，去除碳化硅器件正、反兩面的碳膜。

所述碳化硅器件可以是PiN二極管，或者是結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管（JBS），或者是門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO），或者是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。

所述光致抗蝕劑是正性或者負(fù)性，低溫烘烤的溫度為90-110℃，烘烤時(shí)間2-5分鐘。

碳膜的具體制備工藝是：碳化硅器件正、反兩面的光致抗蝕劑在700-900℃的快速熱退火爐中發(fā)生熱分解，熱分解生成的碳在碳化硅器件表面形成均勻的碳膜；快速熱退火爐中的快速熱退火過(guò)程在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的氮?dú)饣蛘邭鍤獗Ｗo(hù)環(huán)境下進(jìn)行。

覆蓋有碳膜的碳化硅器件在1600-1800℃高溫下進(jìn)行退火激活雜質(zhì)離子的過(guò)程，是在真空或者氬氣保護(hù)下進(jìn)行。

碳膜去除工藝是在800-1100℃的溫度范圍進(jìn)行，在純氧氣環(huán)境下對(duì)碳膜進(jìn)行氧化，完全去除碳化硅器件正、反兩面的碳膜。

本發(fā)明的有益效果如下：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用快速退火，使旋涂在碳化硅表面的光敏抗蝕劑在無(wú)氧環(huán)境下熱分解，工藝簡(jiǎn)單、耗時(shí)短，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，可快速形成均勻的碳膜保護(hù)層，用于高溫退火過(guò)程中碳化硅表面保護(hù)；提高了碳化硅芯片加工效率，降低芯片成本；本發(fā)明能有效保護(hù)碳化硅基片正、反兩面，避免在高溫退火中碳化硅分解導(dǎo)致基片表面粗超度增加，也避免了高溫退火過(guò)程引入額外的表面缺陷。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明碳膜保護(hù)的碳化硅結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管注入后退火的截面示意圖；

圖2是本發(fā)明碳膜保護(hù)的碳化硅PiN二極管結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)域的截面示意圖；

其中，附圖標(biāo)記為：1-N型外延層，2-P型離子注入層，31-正面碳膜保護(hù)層，32-反面碳膜保護(hù)層，4- N型重?fù)诫s碳化硅外延層，5- N型輕摻雜碳化硅外延層，6-P型重?fù)诫s的結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)域，7-P型重?fù)诫s的陽(yáng)極接觸區(qū)域。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，附圖中的結(jié)構(gòu)是示意而非限定性的，故各部分的尺寸特征未按比例畫(huà)出。

實(shí)施例1

本實(shí)施例是結(jié)勢(shì)壘二極管制備過(guò)程中離子注入工藝后的高溫退火表面保護(hù)，有源區(qū)經(jīng)過(guò)離子注入摻雜后，在1600℃高溫退火激活過(guò)程中的保護(hù)。

經(jīng)過(guò)常規(guī)圖形化和離子注入后，在碳化硅外延基片上形成離子注入?yún)^(qū)域，碳化硅外延基片可以是p型摻雜或n型摻雜，離子注入?yún)^(qū)則是與碳化硅外延基片相反的摻雜類(lèi)型，如圖1所示的工藝步驟截面示意圖，1為N型外延層，2為P型離子注入層。

所述離子注入后的碳化硅外延基片的正面和反面分別旋涂光敏抗蝕劑，厚度均為3微米，在110℃熱板上軟烘烤5分鐘。

隨后將軟烘烤后的基片放入快速退火爐中進(jìn)行退火，退火過(guò)程中使用高純氮?dú)饣蛘邭鍤獗Ｗo(hù)，溫度為900℃保持5-10分鐘，經(jīng)過(guò)熱分解后在碳化硅外延基片正面碳膜保護(hù)層31和反面碳膜保護(hù)層32形成致密的碳膜保護(hù)層。

將采用所述方法保護(hù)的碳化硅外延基片在真空和氬氣保護(hù)環(huán)境中，1600℃退火20分鐘，激活注入的離子。

完成退火激活后，在1000℃高溫爐中通入純氧氣，對(duì)外延基片兩側(cè)的碳膜進(jìn)行氧化2小時(shí)，徹底去除碳化硅基片正面碳膜保護(hù)層31和反面碳膜保護(hù)層32的碳膜。

實(shí)施例2

本實(shí)施例是碳化硅PiN二極管制備過(guò)程中結(jié)終端保護(hù)區(qū)離子注入后的高溫退火表面保護(hù)，采用本發(fā)明所述的方法對(duì)碳化硅基片正、反面進(jìn)行保護(hù)。

如圖2所示，在N型輕摻雜碳化硅外延層5上經(jīng)過(guò)常規(guī)圖形化和離子注入后，形成P型重?fù)诫s的結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)域6；隨后采用本方法在N型重?fù)诫s的碳化硅基片背面4上旋涂光敏抗蝕劑形成反面碳膜保護(hù)層32，在正面旋涂光敏抗蝕劑形成正面碳膜保護(hù)層31，完全覆蓋P型重?fù)诫s的結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)域6和P型重?fù)诫s的陽(yáng)極接觸區(qū)域7，然后在110℃烘箱軟烘烤30分鐘去除光敏抗蝕劑中的有機(jī)溶劑。

隨后將軟烘烤后的基片放入快速退火爐中進(jìn)行退火，退火過(guò)程中使用高純氮?dú)饣蛘邭鍤獗Ｗo(hù)，溫度為900℃保持5-10分鐘，經(jīng)過(guò)熱分解后在碳化硅外延基片形成致密的正面碳膜保護(hù)層31和反面碳膜保護(hù)層32。

將采用本方法保護(hù)的碳化硅外延基片在真空和氬氣保護(hù)環(huán)境中，1600℃退火20分鐘，激活P型重?fù)诫s的結(jié)終端擴(kuò)展區(qū)域6的注入離子。

完成退火激活后，在1000℃高溫爐中通入純氧氣，對(duì)外延基片兩側(cè)的碳膜進(jìn)行氧化2小時(shí)，徹底去除碳化硅基片的正面碳膜保護(hù)層31和反面碳膜保護(hù)層32的碳膜。