本發(fā)明涉及一種碳化硅器件的摻雜制造工藝，更具體地說是涉及一種碳化硅半導體器件用離子注入來形成高濃度摻雜的制造方法。

背景技術：

使用硅器件的傳統(tǒng)集成電路大都只能工作在250℃以下，不能滿足高溫、高功率及高頻等要求。當中，新型半導體材料碳化硅(SiC)最受人注目和研究。

碳化硅半導體材料具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高熱導率、高臨界擊穿電場等突出優(yōu)點，特別適合制作大功率、高壓、高溫、抗輻照電子器件。

碳化硅禁帶寬度寬(210eV≤E_g≤710eV)，漏電流比硅小幾個數(shù)量級。而且，碳化硅熱穩(wěn)定性極好，本征溫度可達800℃以上，它保證了在高溫工作時的長期可靠性。通過分析優(yōu)值，如Johnson優(yōu)值(JFOM-通過材料的擊穿電場、飽和電子漂移速度來反映相應器件的高功率、高頻率性能)、Keyes優(yōu)值(KFOM-通過材料的熱導率、飽和電子漂移速度及介電常數(shù)反映相應器件的開關速度和熱限制)及熱優(yōu)值(QFOM-通過材料的擊穿電場、擊穿電場及熱導率反映相應器件的散熱性能)，會發(fā)現(xiàn)碳化硅SiC這幾個優(yōu)值都比現(xiàn)在常用的半導體材料高出很多，是實現(xiàn)結合高溫與高頻高功率的一種理想材料。

碳化硅擊穿電場較高，是硅材料的8倍，這對功率器件甚為關鍵。導通電阻是與擊穿電場的立方成反比，所以碳化硅SiC功率器件的導通電阻只有硅器件的百至二百分之一，顯著降低電子設備的能耗。因此，碳化硅SiC功率器件也 被譽為帶動“新能源革命”的“綠色能源”器件。用碳化硅SiC所制造出來的功率器件具有低比導通電阻，高工作頻率和高溫工作穩(wěn)定性的優(yōu)點，擁有很廣闊的應用前景。

隨著6H、4H-SiC體材料的相繼商品化，碳化硅SiC器件工藝，如氧化、摻雜、刻蝕及金屬、半導體接觸，都日漸成熟，這些為碳化硅SiC器件的研制及應用奠定了基礎。

其中，摻雜是制作功率器件不可缺少的工序?；谔蓟鑃iC的鍵強度高，雜質(zhì)擴散所要求的溫度(＞1800℃)。大大超過標準器件工藝的條件，層間介質(zhì)和柵極氧化層(SiO₂，Si₃N₄)等不能承受這么高的溫度，所以器件制作工藝中的摻雜不能采用擴散工藝，只能利用外延控制摻雜和高溫離子注入摻雜。

外延摻雜可利用碳化硅源氣體流量變化，使摻雜濃度控制在從輕摻雜(10¹⁴/cm³)到簡并摻雜(＞10¹⁹/cm³)的范圍。硅烷、丙烷是碳化硅SiC典型的外延氣體源。6H-SiC在硅(Si)面n型襯底上同質(zhì)外延典型的生長速率為3μm/h。在生長反應室中，通過調(diào)節(jié)氣體源的比例來進行位置競爭外延，使雜質(zhì)位于晶格位置。在碳(C)面襯底上的生長則不同，但對其生長機制尚無深刻了解。

因為不能采用擴散工藝摻雜，離子注入工藝在器件制作中非常重要。n型摻雜主要是注入氮(N)離子。鋁(Al)和硼(B)為典型的p型摻雜元素，產(chǎn)生相對深的受主能級(分別為211meV和300meV)，Al的電離能小于B的電離能，Al要求的激活溫度比B低；而B原子比Al原子輕，注入引起的損傷較少，且注入范圍更深，應根據(jù)器件工藝要求來選擇注入元素。

可是，當離子注入碳化硅過大時，會引致晶格損傷，形成非晶化的結構，大大降低碳化硅原有的性能。文獻報道了非晶化注入劑量閾值，N約為4×10¹⁵/cm²， Al約為1×10¹⁵/cm²，B約為5×10¹⁵/cm²。同時，亦需對襯底加上高溫，一般對N注入時需要約650℃，在對Al注入時需要約700～800℃，以減少注入離子時所引起的非晶化結構出現(xiàn)?，F(xiàn)有很多應用于硅工藝的離子注入機都沒法達到這么高的溫度。而且，為了確保襯底上的溫度均衡，每次進入離子注入機的襯底數(shù)量和尺寸亦受了限制。這些都令成本增加。

注入更高劑量或襯底在沒有達到所需溫度時，會引起更多晶格損傷，令晶格結構嚴重破壞，非晶化層加厚。即使注入后使用高溫退火熱處理(＞1500℃)，仍發(fā)現(xiàn)大量晶格損傷，無法令所有損傷的晶格完全復原。有些能復原的晶格亦會在再結晶的過程中產(chǎn)生應力，達到某個厚度后，令材料產(chǎn)生裂痕。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種能避免上述不足而實用可行的一種適用于碳化硅(SiC)半導體器件用離子注入來形成高濃度摻雜的加工工藝的新方法，實施本發(fā)明有如下步驟：

1.對碳化硅(SiC)晶圓工件需高濃度摻雜(＞2x10¹⁵/cm²)的區(qū)域注入摻雜離子，離子劑量需少于引起碳化硅非晶化結構出現(xiàn)的閾值(如＜2x10¹⁵/cm²)，在碳化硅晶格沒有被嚴重破壞，還未形成非晶化結構層前，停止離子注入，在注入時，襯底溫度沒有特別要求，可以低于室溫，可以是室溫，也可以高于室溫；

2.完成上述步驟1后便進行退火熱處理，把晶格損傷除掉；

3.重復步驟(1)和步驟(2)的次數(shù)至少多于一次，直至累積的劑量達到高摻雜區(qū)所需的劑量；

4.最后，使用退火熱處理，激活注入離子，形成高濃度摻雜區(qū)。

在步驟(1)中，所述的非晶化結構出現(xiàn)離子劑量閾值和停止時間是按注入離子的種類，深度，能量，角度，襯底結構，和機臺對襯底的加熱能力等而定。其中劑量范圍一般是少于2×10¹⁵/cm²。

在步驟(2)中，所述的退火熱處理溫度為600至1200℃之間，時間為10分鐘至500分鐘之間，把晶格損傷復修。

在步驟(3)中，所述的重復步驟(1)至步驟(2)的次數(shù)至少多于一次，直至累積的劑量達到高摻雜區(qū)所需的劑量。

在步驟(4)中，其中包括以下步驟：

1.清除表面的氧化層；

2.在最頂層表面沉積碳化硅(SiC)或石墨(C)層作為保護；

3.進行在步驟(4)中所述的退火熱處理，溫度為1200至1800℃之間，時間為10分鐘至1000分鐘之間，把已經(jīng)注入的摻雜離子激活；

4.清除表面保護層。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

采用本發(fā)明的制備方法，在沒有襯底溫度要求的情況下，達成沒有晶格損傷的高劑量摻雜。這樣可以在現(xiàn)有很多應用于硅工藝、沒法配備高溫加熱的離子注入機也適用于對碳化硅(SiC)半導體器件進行摻雜。而且，亦能打破了為了確保襯底上的溫度均衡，每次進入離子注入機的工件數(shù)量和尺寸的限制，這會大大減少制作成本。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的限制：

圖1是本發(fā)明實施例流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例暴露外延層示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的注入摻雜劑示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例的注入后出現(xiàn)晶格損傷區(qū)域4示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例的退火熱處理后消除晶格損傷區(qū)域5示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例經(jīng)數(shù)次注入退火后達到所需高摻雜區(qū)6的示意圖

圖7是本發(fā)明實施例的退火熱處理激活后高摻雜區(qū)域7示意圖。

參考符號表：

1 碳化硅襯底

2 碳化硅外延層

3 二氧化硅層

4 晶格空缺區(qū)域

5 退火熱處理后消除晶格損傷區(qū)域

6 經(jīng)數(shù)次注入退火后達到所需高摻雜區(qū)

7 退火熱處理激活后高濃度摻雜區(qū)域

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明涉及一種碳化硅(SiC)半導體器件用離子注入來形成高濃度摻雜的制造工藝，包括以下步驟：

首先把碳化硅(SiC)晶圓工件需要高濃度摻雜(＞2x10¹⁵/cm²)的區(qū)域暴露出來。少于對暴露出來的區(qū)域注入摻雜離子，劑量需少于產(chǎn)生非晶化閾值，例如2x10¹⁵/cm²。在晶格沒有被嚴重破壞、形成非晶化結構層前，停止離子注入。跟著利用退火熱處理，把晶格損傷除掉。然后重復以上注入低于產(chǎn)生非晶化層閾值的摻雜離子及退火熱處理步驟，直至累積劑量達到所需的高劑量摻雜為止。最后，使用退火熱處理，激活注入離子，形成高濃度摻雜區(qū)。整個流程在圖1總結。

實施例1：

如圖2所示，碳化硅外延層2置于襯底的上方，表面已經(jīng)形成氧化層3並暴露出需要高濃度摻雜(＞2x10¹⁵/cm²)的外延層區(qū)域。

如圖3所示，對碳化硅外延層2表面注入摻雜劑，n型摻雜是氮(N)離子或磷，p型摻雜為鋁(Al)或硼(B)離子。劑量為10¹⁴/cm²至10¹⁵/cm²之間，要少于產(chǎn)生非晶化的閾值，避免引起碳化硅非晶化結構出現(xiàn)。有原氧化層覆蓋的部分沒有被注入，沒有原氧化層覆蓋的外延層表面部分會被摻雜離子注入，形成摻雜區(qū)。

如圖4所示，經(jīng)過注入后，在摻雜區(qū)附近會出現(xiàn)晶格損傷區(qū)域4，但未形成非晶態(tài)化的損傷層。

如圖5所示，對碳化硅晶圓進行退火熱處理，溫度為600至1200℃，時間為 10分鐘至500分鐘之間，把晶格損傷區(qū)域4域修復，5為修復后區(qū)域。

如圖6所示，重復圖3-5步驟數(shù)次，直至累積的劑量達到高摻雜區(qū)6所需的劑量為止。

如圖7所示，使用退火熱處理，激活注入離子，形成已激活的高摻雜區(qū)7，溫度為1200至1800℃之間，時間為10分鐘至1000分鐘。

最后應說明的是：以上僅為本發(fā)明的實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明可用于涉及制造碳化硅(SiC)半導體器件工藝內(nèi)用離子注入來形成高濃度摻雜的工序，其中器件包括絕緣柵晶體管(MOS)，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或二極管、或肖特基二極管。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換，但是凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。