CN109979829A - 碳化硅激活退火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种碳化硅激活退火方法，包括以下步骤：在碳化硅晶片经过离子注入的一侧表面形成第一保护层；在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面形成第二保护层；将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理；退火处理时第二保护层的热稳定性优于第一保护层的热稳定性。通过在碳化硅表面形成第一保护层和第二保护层，在碳化硅晶片进行退火处理时，第二保护层可防止第一保护层在高温下融化及硅原子升华，第一保护层可有效阻挡碳化硅晶片表面硅原子升华和再沉积，通过两层保护层可解决退火过程中碳化硅表面硅原子的升华和沉积问题，提高了对碳化硅激活退火保护的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制备技术领域，特别是涉及一种碳化硅激活退火方法。
背景技术
碳化硅器件由于其优良的物理性能和器件特性，在电力电子器件领域的发展取得了令人瞩目的成就。在碳化硅器件制造工艺中，离子注入技术是实现掺杂的关键工艺。为了消除注入对晶格造成的损伤以及使注入的杂质激活，需要在1500℃以上的高温下对碳化硅进行退火。在如此高温下，晶片表面的碳化硅会发生分解，硅原子升华，并以Si、Si2C、SiC2等形式重新沉积在碳化硅晶片表面，导致晶片表面粗糙，影响碳化硅器件特性。
为了阻止碳化硅晶片表面硅的升华，在传统的碳化硅激活退火过程中，选用AIN作为碳化硅晶片的保护层，但在退火的高温环境下，AIN薄膜容易形成针孔，从而降低对碳化硅晶片的保护效果，保护可靠性低。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种能提高对碳化硅晶片保护可靠性的碳化硅激活退火方法。
一种碳化硅激活退火方法，包括以下步骤：
在碳化硅晶片经过离子注入的一侧表面形成第一保护层；
在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面形成第二保护层；
将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理；
退火处理时第二保护层的热稳定性优于第一保护层的热稳定性。
上述碳化硅激活退火方法，通过在碳化硅晶片经过离子注入的一侧表面形成第一保护层，再在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面形成第二保护层，最后将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理。通过在碳化硅晶片表面形成第一保护层和第二保护层，在碳化硅晶片进行退火处理时，第二保护层可防止第一保护层在高温下融化及硅原子升华，第一保护层可有效阻挡碳化硅晶片表面硅原子升华和再沉积，通过两层保护层可解决退火过程中碳化硅晶片表面硅原子的升华和沉积问题，提高了对碳化硅激活退火保护的可靠性。
在一个实施例中，在碳化硅晶片经过离子注入的一侧表面形成第一保护层的步骤，包括以下步骤：
将碳化硅晶片进行离子注入并去除离子注入掩蔽层；
将去除离子注入掩蔽层的碳化硅晶片置于充入反应气体的反应室中；
通过PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)方法在碳化硅晶片经过离子注入的一侧表面形成第一保护层。
在一个实施例中，在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面形成第二保护层的步骤，包括以下步骤：
将形成第一保护层的碳化硅晶片置于绝对真空数值小于5×10-5Torr的真空环境中；
通过溅射方法在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面淀积第二保护层。
在一个实施例中，在将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理的步骤之后，还包括以下步骤：
将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理后，去除退火处理后碳化硅晶片的第二保护层；
对去除第二保护层后的碳化硅晶片进行第一保护层去除处理。
在一个实施例中，将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理后，去除退火处理后碳化硅晶片的第二保护层的步骤，包括以下步骤：
将进行退火处理后的碳化硅晶片通过干法氧化去除第二保护层。
在一个实施例中，对去除第二保护层后的碳化硅晶片进行第一保护层去除处理的步骤，包括以下步骤：
将去除第二保护层的碳化硅晶片通过湿法腐蚀去除第一保护层。
在一个实施例中，第一保护层为二氧化硅保护层。
在一个实施例中，二氧化硅保护层的厚度为1.2μm～1.8μm。
在一个实施例中，第二保护层为碳膜保护层。
在一个实施例中，碳膜保护层厚度为30nm～80nm。
附图说明
图1为一实施例中碳化硅激活退火方法的流程图；
图2为另一实施例中碳化硅激活退火方法的流程图；
图3为另一实施例中碳化硅激活退火方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种碳化硅激活退火方法，包括以下步骤：
步骤S100，在碳化硅晶片经过离子注入的一侧表面形成第一保护层。
在完成离子注入之后，离子注入掩蔽层就不再有用，必须完全去除，在去除离子注入掩蔽层的一侧表面即为碳化硅晶片实现工艺制造的一侧表面形成第一保护层，保护高温退火过程中碳化硅晶片表面硅原子升华和沉积问题。
具体地，第一保护层的材料并不唯一，可以为二氧化硅或其它耐高温材料，在一个实施例中，第一保护层为二氧化硅保护层，进一步地，第一保护层的厚度也不唯一，可根据具体制备工艺和第一保护层的材料而定，在一个实施例中，在第一保护层为二氧化硅保护层时，二氧化硅保护层的厚度为1.2μm～1.8μm，本实施例中，选用二氧化硅保护层作为第一保护层时，二氧化硅保护层的厚度为1.4μm，通过将二氧化硅保护层厚度设置为1.4μm，可提高对碳化硅晶片的保护效果，且在后续去除工艺中也能快速有效的去除，降低去除成本，保证工艺效果。
步骤S200，在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面形成第二保护层。
在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面，即在形成第一保护层的基础上，再形成第二保护层，由于第一保护层在高温下容易发生熔融分解，因此，需要在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面再形成第二保护层，进行二次保护，第二保护层所选用材料的热稳定性优于第一层保护层所选用材料的热稳定性，从而可有效防止第一保护层在高温下发生熔融分解，以及有效解决碳化硅晶片在高温退火过程中的碳化硅表面硅原子的升华和沉积问题。
具体地，第二保护层的材料并不唯一，可以为碳、碳化硅等耐高温材料，在一个实施例中，第二保护层为碳膜保护层，进一步地，第二保护层的厚度也不唯一，可根据具体制备工艺和第二保护层的材料而定，在一个实施例中，在第二保护层为碳膜保护层时，碳膜保护层的厚度为30nm～80nm，本实施例中，选用碳膜保护层作为第二保护层时，碳膜保护层的厚度设置为50nm，通过将碳膜保护层厚度设置为50nm，可提高对二氧化硅保护层的保护效果，且在后续去除工艺中也能快速有效的去除，降低去除成本，保证工艺效果。
步骤S300，将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理。
在形成第二保护层之后，将具有两层保护层的碳化硅晶片进行退火处理，对离子注入过程中对碳化硅晶体造成的损伤进行修复，并激活离子注入过程中掺杂的元素。
在一个实施例中，将形成第二保护层后的碳化硅晶片在温度范围为1550℃～1650℃的环境下，并充入氩气进行保护，退火处理30min。
上述碳化硅激活退火方法，通过在碳化硅晶片去除离子注入掩蔽层的一侧表面形成第一保护层，再在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面形成第二保护层，最后将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理。通过在碳化硅晶片表面形成第一保护层和第二保护层，在碳化硅晶片进行退火处理时，第二保护层可防止第一保护层在高温下融化及硅原子升华，第一保护层可有效阻挡碳化硅晶片表面硅原子升华和再沉积，通过两层保护层可从根本上解决退火过程中碳化硅晶片表面硅原子的升华和沉积问题。
在一个实施例中，如图2所示，步骤S100包括步骤S120、步骤S140和步骤S160。
步骤S120，将碳化硅晶片进行离子注入并去除离子注入掩蔽层。
在碳化硅器件制造工艺中，离子注入技术是实现掺杂的关键工艺，离子注入是一种向碳化硅衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学性能的方法，在离子注入技术中，通常使用离子注入掩蔽层来定义离子注入的区域，被掩蔽层所覆盖的区域可以阻止离子注入掺杂，从而使离子注入掺杂区域更有针对性，减少不必要的工艺，一般可选择多晶硅、SiO2、Si3N4和光刻胶等作为离子注入掩蔽层材料。离子注入过程中，高能杂质离子轰击将对碳化硅晶体结构产生损伤，因此需要通过高温激活退火对晶体损伤进行修复。
步骤S140，将去除离子注入掩蔽层的碳化硅晶片置于充入反应气体的反应室中。
在经过离子注入并去除离子注入掩蔽层之后，将去除离子注入掩蔽层的碳化硅晶片置于充入反应气体的反应室中，并将去除离子注入掩蔽层的一侧表面朝上放置，通过反应气体在碳化硅晶片经过离子注入的一侧发生反应，以形成第一保护层。
具体地，反应气体的成分并不唯一，可根据具体制备工艺和第一保护层的材料而定，在一个实施例中，以第一保护层为二氧化硅保护层为例，可以选择SiH4和O2的混合气体进行反应制备SiO2，或者选择SiH4和N2O的气体进行反应制备SiO2，本实施例中，在反应室中充入的反应气体SiH4和N2O，通过SiH4和N2O进行反应制备二氧化硅保护层，反应方程式具体为：
SiH4(气态)+2N2O(气态)→SiO2(固态)+2N2(气态)+2H2(气态)
通过SiH4和N2O进行反应制备二氧化硅保护层可生成更均匀的膜，有效提高第一保护层的保护效果。
步骤S160，通过PECVD方法在碳化硅晶片经过离子注入的一侧表面形成第一保护层。
PECVD方法是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。通过PECVD方法在碳化硅晶片经过离子注入的一侧表面淀积形成第一保护层，通过将去除离子注入掩蔽层的碳化硅晶片置于充入反应气体的反应室中，并在反应气体为等离子体状态时进行反应，以使第一保护层对碳化硅晶片有优良的粘附能力，且淀积过程中产生的针孔和空洞很少，提高了第一保护层的密度。
在一个实施例中，以第一保护层为二氧化硅保护层为例，选择SiH4和N2O的等离子气体通过PECVD方法进行反应制备SiO2，淀积得到均匀的二氧化硅保护层，反应温度为400℃，通过PECVD方法淀积得到二氧化硅保护层，针孔较少，可提高二氧化硅保护层的保护效果。
在一个实施例中，如图2所示，步骤S200包括步骤S220和步骤S240。
步骤S220，将形成第一保护层的碳化硅晶片置于绝对真空数值小于5×10-5Torr的真空环境中。
在形成第一保护层之后，为避免第一保护层因高温退火而发生熔融反应，需要在形成第一保护层的基础上再形成第二保护层，以防止第一保护层发生熔融反应，以及防止碳化硅晶片表面硅原子升华和再沉积问题，具体为将形成第一保护层的碳化硅晶片置于绝对真空数值小于5×10-5Torr的真空环境中，5×10-5Torr可表示为5E-5Torr，即在绝对真空度优于5E-5Torr的真空环境中进行第二保护层的制备，严格控制制备环境中氧气的含量，还可防止制备环境中氧气与其它反应气体产生反应，使制备的第二保护层保护效果达到最佳。
步骤S240，通过溅射方法在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面淀积第二保护层。
将形成第一保护层的碳化硅晶片置于绝对真空度优于5E-5Torr的真空环境中后，通过溅射方法在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面淀积第二保护层，溅射方法具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点。溅射方法也可视具体工艺而定，包括二级溅射、三级或四级溅射、磁控溅射、对靶溅射、射频溅射、偏压溅射、非对称交流射频溅射、离子束溅射以及反应溅射等。
在一个实施例中，采用磁控溅射的方法在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面淀积第二保护层。磁控溅射方法为物理气相沉积的一种，具备高速、低温、低损伤等优点，基本原理为通过在阴极靶表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率，可以在较低的溅射电压和气压下工作，降低薄膜污染的倾向；另一方面也提高了入射到衬底表面的原子的能量，因而可以在很大程度上改善薄膜的质量，以提高保护层的保护效果。
在一个实施例中，以第二保护层为碳膜保护层为例，将形成第一保护层的碳化硅晶片置于绝对真空度优于5E-5Torr的真空环境中，采用石墨碳为溅射的靶材，石墨碳作为阴极靶，通过磁控溅射在碳化硅晶片形成第一保护层的表面上，形成碳膜保护层。通过磁控溅射的方法淀积碳膜保护层，可在较低的溅射电压和气压下工作，降低薄膜污染的倾向，使淀积的碳膜保护层的保护效果达到最佳。
在一个实施例中，如图2所示，碳化硅激活退火方法还包括步骤S400和步骤S500。
步骤S400，将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理后，去除退火处理后碳化硅晶片的第二保护层。
将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理后，因第一保护层、第二保护层对器件制作再无用处，需要去除。首先去除退火处理后碳化硅晶片的第二保护层，具体地，去除第二保护层的方法并不唯一，具体去除方法可根据制备工艺和第二保护层的材料而定，一般可通过热处理、干氧氧化、高温氧化等方法去除保护层材料。
步骤S500，对去除第二保护层后的碳化硅晶片进行第一保护层去除处理。
在去除碳化硅晶片第二保护层之后，对碳化硅晶片的第一保护层进行去除处理，具体地，去除第一保护层的方法并不唯一，具体去除方法可根据制备工艺和第一保护层的材料而定，一般可通过湿法腐蚀、高温分解等方法去除保护层材料。
在一个实施例中，如图3所示，步骤S400包括步骤S420。
步骤S420，将进行退火处理后的碳化硅晶片通过干法氧化去除第二保护层。
具体地，将进行退火处理后的碳化硅晶片置于氧化炉管内，通过干法氧化去除第二保护层，氧化去除的时间和温度并不唯一，具体的氧化时间和温度可根据制备工艺和第二保护层的材料而定，以第二保护层为碳膜保护层为例，为去除退火处理后碳化硅晶片表面的碳膜保护层，将退火处理后的碳化硅晶片置于1150℃氧化炉管内，干氧氧化四小时，去除碳膜保护层。
在一个实施例中，如图3所示，步骤S500包括步骤S520。
步骤S520，将去除第二保护层的碳化硅晶片通过湿法腐蚀去除第一保护层。
在通过干氧氧化方法将第二保护层去除之后，通过湿法腐蚀去除第一保护层。腐蚀去除的时间以及腐蚀液的种类和浓度并不唯一，具体的腐蚀时间以及腐蚀液的种类和浓度可根据制备工艺和第一保护层的材料而定，一般的腐蚀液包括酸性腐蚀剂，碱性腐蚀剂以及有机腐蚀剂等，以第一保护层为二氧化硅保护层为例，将去除第二保护层的碳化硅晶片置于液态的氢氟酸腐蚀液中进行腐蚀，在腐蚀过程中，氢氟酸腐蚀液将把它所接触的材料通过化学反应逐步浸蚀溶掉，反应方程式具体为：
SiO2+4HF＝SiF4(气态)+2H2O
进一步地，氢氟酸腐蚀液的浓度为49％，在室温下腐蚀15分钟。通过湿法腐蚀去除二氧化硅保护层，工艺流程简单，腐蚀速度快，可提高操作便利性。将退火处理后的碳化硅晶片表面的第一保护层与第二保护层都去除后，即可进行后序工艺。
在一个实施例中，将经过离子注入并去除离子注入掩蔽层的碳化硅晶片置于充入反应气体的反应室中，通过PECVD方法进行反应制备二氧化硅保护层，将形成二氧化硅保护层的碳化硅晶片置于真空度优于5E-5Torr的真空环境中，通过溅射方法在碳化硅晶片形成二氧化硅保护层的一侧表面淀积碳膜保护层，将淀积碳膜保护层后的碳化硅晶片在温度范围为1550℃～1650℃的环境下，并充入氩气进行保护，退火处理30min，碳化硅晶片退火处理后使用干法氧化方法去除碳化硅晶片的碳膜保护层，去除碳膜保护层之后，再使用湿法腐蚀去除二氧化硅保护层。将去除保护层的碳化硅晶片再继续进行后序的工艺。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种碳化硅激活退火方法，其特征在于，包括以下步骤：
在碳化硅晶片经过离子注入的一侧表面形成第一保护层；
在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面形成第二保护层；
将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理；
退火处理时所述第二保护层的热稳定性优于所述第一保护层的稳定性。
2.根据权利要求1所述的碳化硅激活退火方法，其特征在于，所述在碳化硅晶片经过离子注入的一侧表面形成第一保护层的步骤，包括以下步骤：
将所述碳化硅晶片进行离子注入并去除离子注入掩蔽层；
将去除离子注入掩蔽层的碳化硅晶片置于充入反应气体的反应室中；
通过PECVD方法在所述碳化硅晶片经过离子注入的一侧表面形成第一保护层。
3.根据权利要求1所述的碳化硅激活退火方法，其特征在于，所述在碳化硅晶片经过离子注入的一侧表面形成第二保护层的步骤，包括以下步骤：
将所述形成第一保护层的碳化硅晶片置于绝对真空数值小于5×10-5Torr的真空环境中；
通过溅射方法在所述碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面淀积第二保护层。
4.根据权利要求1所述的碳化硅激活退火方法，其特征在于，在所述将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理的步骤之后，还包括以下步骤：
所述将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理后，去除退火处理后碳化硅晶片的第二保护层；
对去除第二保护层后的碳化硅晶片进行去除所述第一保护层处理。
5.根据权利要求4所述的碳化硅激活退火方法，其特征在于，所述将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理后，去除退火处理后碳化硅晶片的第二保护层的步骤，包括以下步骤：
将进行退火处理后的碳化硅晶片通过干法氧化去除所述第二保护层。
6.根据权利要求4所述的碳化硅激活退火方法，其特征在于，所述对去除第二保护层后的碳化硅晶片进行第一保护层去除处理的步骤，包括以下步骤：
将去除第二保护层的碳化硅晶片通过湿法腐蚀去除所述第一保护层。
7.根据权利要求1所述的碳化硅激活退火方法，其特征在于，所述第一保护层为二氧化硅保护层。
8.根据权利要求7所述的碳化硅激活退火方法，其特征在于，所述二氧化硅保护层的厚度为1.2μm～1.8μm。
9.根据权利要求1所述的碳化硅激活退火方法，其特征在于，所述第二保护层为碳膜保护层。
10.根据权利要求9所述的碳化硅激活退火方法，其特征在于，所述碳膜保护层厚度为30nm～80nm。
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