一种碳化硅功率器件及其制备方法
阅读说明：本技术 一种碳化硅功率器件及其制备方法 (Silicon carbide power device and preparation method thereof ) 是由 黄兴 陈欣璐 于 2021-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种碳化硅功率器件及其制备方法,涉及碳化硅功率器件领域,在第二导电类型注入基区、第一导电类型注入源区注入之前先制作耐1600℃以上高温的栅氧层和多晶SiC或AlN栅极,并将栅氧层和栅极作为上述离子注入的掩蔽层,再进行离子退火,既节省了现有光刻工序中用来形成第二导电类型注入基区和第一导电类型注入源区的光刻板,缩短了碳化硅器件的制备周期,也相应节省了形成第二导电类型注入基区的和第一导电类型注入源区的蚀刻步骤,减少由于蚀刻精度导致的器件沟道不均匀问题,最终提升了碳化硅功率器件良率,降低了相应的制造成本。(The invention provides a silicon carbide power device and a preparation method thereof, and relates to the field of silicon carbide power devices.A gate oxide layer and a polycrystalline SiC or AlN grid which can resist the high temperature of more than 1600 ℃ are firstly manufactured before a second conductive type injection base region and a first conductive type injection source region are injected, the gate oxide layer and the grid are used as masking layers for ion injection, and then ion annealing is carried out, so that a photoetching plate for forming the second conductive type injection base region and the first conductive type injection source region in the existing photoetching process is saved, the preparation period of the silicon carbide device is shortened, the etching steps for forming the second conductive type injection base region and the first conductive type injection source region are correspondingly saved, the problem of uneven device channels caused by etching precision is reduced, the yield of the silicon carbide power device is finally improved, and the corresponding manufacturing cost is reduced.)
技术领域
本发明涉及碳化硅功率器件领域，特别涉及一种碳化硅功率器件及其制备方法。
背景技术
碳化硅是目前发展最快的宽禁带功率半导体材料，使用碳化硅材料制造的功率器件比硅材料制造器件具有更高的击穿电压以及更快的开关速度。但现有碳化硅功率器件的制作工艺复杂，制作周期长，大大限制了碳化硅功率器件的应用。
请参考图1～图5，分别对应现有技术中碳化硅功率器件制造工艺的步骤一至步骤五。
在步骤一中：清洗碳化硅半导体基底后，在外延层表面沉积SiO2层，将其在第一光刻板下进行相应第一光刻工序以生成第一掩蔽层，再通过第一掩蔽层进行离子注入形成第二导电类型重注入体区；
在步骤二中：剥离第一掩蔽层，在外延层表面沉积SiO2层，将其在第二光刻板下进行相应第二光刻工序以生成第二掩蔽层，再通过第二掩蔽层进行离子注入形成第二导电类型注入基区；
在步骤三中：剥离第二掩蔽层，在外延层表面沉积SiO2层，将其在第三光刻板下进行相应第三光刻工序以生成第三掩蔽层，再通过第三掩蔽层进行离子注入形成第一导电类型注入源区；
在步骤四中：剥离第三掩蔽层，进行离子退火，碳化硅器件的离子退火温度需要在1600℃以上，退火后，在外延层表面沉积SiO2层和多晶硅层，将其在第四光刻板下进行相应第四光刻工序以生成栅极；
在步骤五中：在外延层表面沉积电极间隔离介质层，对电极间隔离介质层进行第五光刻蚀刻工序从而形成栅源极间介质、源极区域；在源极区域形成源极电极，在衬底背面形成漏极电极。
综上所述，在现有的碳化硅功率器件制造工艺中，至少需要五层光刻板，此外还需要对离子注入的掩蔽层进行3次蚀刻，由此产生的问题在于相关制造工艺繁杂，大大增加了光刻蚀刻工序中的精确度要求，从而影响器件良率，此外相关制造工艺繁杂也产生了器件制造周期长，间接得提高了碳化硅功率器件的制造成本。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供一种碳化硅功率器件及其制备方法，大大降低了工艺复杂度、大大减小了碳化硅流片周期从而间接得降低了碳化硅功率器件的制造成本。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种碳化硅功率器件的制备方法，包括：提供碳化硅半导体基底，所述碳化硅半导体基底包括第一导电类型半导体衬底和位于所述第一导电类型半导体衬底表面的第一导电类型碳化硅外延层；在外延层表面形成第一掩蔽材料层；进行第一光刻蚀刻工序，形成具有注入窗口的第一掩蔽层；对所述注入窗口进行第一离子注入形成第二导电类型重注入体区；剥离第一掩蔽层；形成栅氧材料层以及在栅氧材料层表面的栅极材料层，所述栅氧材料层耐1600℃以上高温，所述栅极材料层为多晶SiC层或AlN层；对栅氧材料层和栅极材料层进行第二光刻蚀刻工序，形成栅极结构，所述栅极结构包括位于外延层表面的栅氧层和位于栅氧层之上的栅极；通过以栅极结构作为第二掩蔽层进行第二离子注入形成第二导电类型注入基区，所述第二离子注入为倾斜离子注入；通过以栅极结构作为第二掩蔽层进行第三离子注入形成第一导电类型注入源区，所述第三离子注入为倾斜离子注入或垂直离子注入；在所述栅极结构和碳化硅外延层表面溅射形成碳膜，然后进行离子退火，离子退火后去除碳膜；分别形成栅源极间介质、源极电极、漏极电极。
可选的，在栅氧材料层表面形成多晶SiC层或AlN层的栅极材料层具体包括：将SiH4、C3H8通过化学气相沉积形成多晶SiC层；或将AlCl3、NH3通过化学气相沉积形成AlN层。
可选的，对栅氧材料层和栅极材料层进行第二光刻蚀刻工序，形成栅极结构具体包括：在碳化硅半导体基底的栅极材料层表面旋涂均匀的光刻胶膜；将碳化硅半导体基底放入光刻机并在栅极结构光刻板下进行曝光；将完成曝光的碳化硅半导体基底进行显影；将完成显影的栅氧材料层和栅极材料层进行蚀刻；依次用丙酮、甲醇、去离子水去除光刻胶膜，最终在碳化硅半导体基底外延层表面形成栅极结构。
可选的，所述栅氧材料层为Al2O3层或耐高温High-K材料层。
可选的，形成所述栅氧材料层的沉积工艺为原子层沉积。
可选的，所述倾斜离子注入的角度为0～90度。
可选的，所述在栅极结构和碳化硅外延层表面形成碳膜，通过高温碳化光刻胶或磁控溅射的方法实现。
可选的，所述离子退火在1600℃～1800℃下进行。
可选的，所述离子退火后去除碳膜通过O2等离子体清洗的方法实现。
本发明实施例还提供了一种碳化硅功率器件，通过上述的一种碳化硅功率器件的制备方法制得。
综上所述，本发明的有益效果在于：
本发明实施例提供了一种碳化硅功率器件及其制备方法，在第二导电类型注入基区、第一导电类型注入源区注入之前先制作栅氧层和栅极，并将栅氧层和栅极作为上述离子注入的掩蔽层进行离子注入，再进行离子退火，既节省了在现有光刻工序中用来形成第二导电类型注入基区和第一导电类型注入源区的光刻板，缩短了碳化硅功率器件的制备周期，也相应节省了形成第二导电类型注入基区的和第一导电类型注入源区的蚀刻步骤，从而减少由于蚀刻精度导致的器件沟道不均匀问题，还解决了离子退火后，碳析出导致外延层表面粗糙不平，进而导致栅氧生长质量变差影响器件中载流子迁移率的问题，最终提升了碳化硅功率器件良率，降低了相应的制造成本。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1～图5所示为现有技术的碳化硅功率器件制备方法的流程结构示意图；
图6～图11所示为本发明实施例的碳化硅功率器件制备方法的流程结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明实施例首先提供了一种碳化硅功率器件的制备方法。
请参考图6，提供碳化硅半导体基底，所述碳化硅半导体基底包括第一导电类型半导体衬底101和位于所述第一导电类型半导体衬底101表面的第一导电类型碳化硅外延层102；在外延层表面形成第一掩蔽材料层；进行第一光刻蚀刻工序，形成具有注入窗口的第一掩蔽层；对注入窗口进行第一离子注入形成第二导电类型重注入体区103。
在本发明实施例中，所述第一导电类型半导体衬底101为第一导电类型碳化硅衬底。
在本发明实施例中，所述第一掩蔽材料层为SiO2层，在其他实施例中，可以根据需要，在外延层102表面沉积其他材料层作为第一掩蔽材料层。
在本实施例中，第一导电类型半导体衬底和第一导电类型碳化硅外延层采用P型掺杂，第二导电类型重注入体区的第一离子注入采用N型掺杂，在其他实施例中，第一导电类型半导体衬底和第一导电类型碳化硅外延层也可采用N型掺杂，第二导电类型重注入体区的第一离子注入也可采用P型掺杂。
在本发明实施例中，所述进行第一光刻蚀刻工序，形成具有注入窗口的第一掩蔽层具体包括：在第一掩蔽材料层表面旋涂均匀的光刻胶膜；将碳化硅半导体基底放入光刻机并在重注入体区光刻板下进行曝光；将完成曝光的光刻胶膜进行显影；以显影后的光刻胶膜为掩膜，对第一掩蔽材料层进行蚀刻；依次用丙酮、甲醇、去离子水去除光刻胶膜，最终在碳化硅外延层102表面形成具有注入窗口的第一掩蔽层。
剥离第一掩蔽层；采用化学试剂剥离的方法去除第一掩蔽层，在剥离第一掩蔽层之后，还需要将碳化硅半导体基底进行清洗，去除碳化硅外延层102表面因为可能被污染而混入相应杂质。相关的清洗步骤可将碳化硅半导体基底在超声环境中依次用丙酮、甲醇、去离子水进行清洗，最后氮气吹干，也可以采用其他的例如RCA Cleaning等清洗方式，故在此不再赘述。
请参考图7，为在碳化硅外延层表面形成栅极结构。
形成栅极结构的步骤包括：先在外延层102表面形成栅氧材料层；在栅氧材料层表面形成栅极材料层；在所述栅极材料层表面旋涂均匀的光刻胶膜；将碳化硅半导体基底放入光刻机并在栅极结构光刻板下进行曝光；将完成曝光的光刻胶膜进行显影；以显影后的光刻胶膜为掩膜，对栅氧材料层、栅极材料层进行蚀刻；依次用丙酮、甲醇、去离子水去除光刻胶膜，最终在碳化硅半导体基底外延层102表面形成栅极结构，所述栅极结构包括位于外延层102表面的栅氧层106和位于栅氧层之上的栅极107；其中栅氧材料层为Al2O3层或耐高温High-K材料层，所述栅极材料层为多晶SiC层或AlN层。
在其他实施例中，也可以先在外延层表面沉积栅氧材料层，将其在栅氧层对应的光刻板下进行相应光刻蚀刻工序以生成栅氧层，再在栅氧层表面生长多晶SiC层，将其在栅极对应的光刻板下进行相应光刻蚀刻工序以生成栅极。
在本发明实施例中，可通过原子层沉积(ALD)工艺，使三甲基铝(TMA)在200℃～300℃温度下、去离子水环境下进行约20nm的生长，再在900℃～1100℃温度下进行退火，最终在碳化硅半导体基底外延层102表面形成耐1600℃高温的Al2O3层。
在其他实施例中，可采用耐高温High-K材料层作为栅氧材料层，所述耐高温High-K材料层由以HFO2和ZrO2为代表，熔点在1600℃以上的High-K材料制成，在此不再赘述。
可通过在栅氧材料层表面进行磁控溅射、等离子增强化学气相沉积PECVD、常压化学气相沉积APCVD等方式形成多晶SiC层，在本发明实施例中，将SiH4、C3H8在1500℃以上的温度下，通过化学气相沉积APCVD形成多晶SiC层。
在本发明实施例中，将AlCl3、NH3在600℃以上的温度下，通过化学气相沉积APCVD在Al2O3层表面形成AlN层。
请参考图8，通过以栅极结构作为第二掩蔽层进行第二离子注入，形成第二导电类型注入基区104。
形成第二导电类型注入基区104的具体步骤包括：在完成相应必要的清洗步骤之后，以栅极结构作为第二掩蔽层进行第二离子注入，从而在外延层102内部形成第二导电类型注入基区104，第二离子注入采用倾斜离子注入，倾斜离子注入的夹角为0～90°，倾斜离子注入后第二导电类型注入基区104在上表面靠近第二掩蔽层端形成圆弧型注入形貌。
本发明实施例采用倾斜离子注入法来定义沟道，相比现有工艺可以使用更宽的光刻精度定义出更短的沟道，更容易减小碳化硅功率器件的导通电阻Rdson。
在本实施例中，第二导电类型注入基区的第二离子注入采用N型掺杂，在其他实施例中，第二导电类型注入基区的第二离子注入也可采用P型掺杂。
请参考图9，通过以栅极结构作为第二掩蔽层进行第三离子注入，形成第一导电类型注入源区105。
形成第一导电类型注入源区105的具体步骤包括：以栅极结构作为第二掩蔽层进行第三离子注入，从而在第二导电类型注入基区104内部形成第一导电类型注入源区105，所述第三离子注入可采用倾斜离子注入或垂直离子注入。
在本实施例中，第一导电类型注入源区105的第三离子注入采用P型掺杂，在其他实施例中，第一导电类型注入源区105的第三离子注入也可采用N型掺杂。
相比现有工艺，本发明实施例的一种碳化硅功率器件制备方法在使用栅氧层以及栅极构成的以栅极结构作为第二掩蔽层来进行离子注入，节省了在光刻工序中用来形成第二导电类型注入基区的和第一导电类型注入源区的光刻板，缩短了制备周期，且也相应节省了形成第二导电类型注入基区的和第一导电类型注入源区的蚀刻步骤，从而减少由于蚀刻精度导致的器件沟道不均匀问题。
在第二导电类型注入基区104内部形成第一导电类型注入源区105之后，需要对上述离子注入产生的相应离子注入区进行退火来修复离子注入后的注入损伤，本发明实施例在离子退火前，先在所述栅极结构和碳化硅外延层表面形成碳膜，后进行离子退火，离子退火后去除碳膜。
现有工艺中，碳化硅器件的离子退火温度需要在1600℃以上，由SiO2构成的栅氧层的熔点在1600℃～1700℃之间，如果在碳化硅功率器件的栅极和栅氧层形成后再进行离子退火，会破坏栅极和栅氧层的原有特性，故现有工艺中，一般先进行离子注入形成相应离子注入区，再进行离子退火，最后再形成栅氧层和栅极。
在本发明实施例中，通过先在栅极结构和碳化硅外延层表面形成碳膜保护层，起到保护栅极和栅氧层的作用，以及采用了更高耐温的多晶SiC或AlN作为栅极，使本发明实施例的碳化硅功率器件的栅极和栅氧层在离子退火后仍能保持原有特性。
此外，本发明实施例提供的一种碳化硅功率器件制备方法还通过更耐高温的Al2O3层或耐高温High-K材料层来制造栅氧层，同样能使栅极以及栅氧层在离子退火后仍能保持原有特性。
在本发明实施例中，先通过高温碳化光刻胶或磁控溅射的方法在所述栅极结构和碳化硅外延层表面形成一层碳膜；然后将在1600℃～1800℃下进行离子退火；离子退火后通过O2等离子清洗的方法去除碳膜。
在先进行离子退火再进行栅极结构制备的现有工艺中，离子退火后，碳化硅受热碳析出导致晶圆表面出现台阶簇，使得晶圆表面形貌变差，进一步导致后续栅氧生长质量变差，影响器件中载流子迁移率。而本发明实施例提供的一种碳化硅功率器件制备方法，由于先在外延层表面形成栅极结构，再进行退火，解决了离子退火后，碳析出导致外延层表面粗糙，影响碳化硅功率器件栅氧层质量的问题。
请参考图10，在进行离子退火和必要的清洗步骤后，需在栅极表面形成覆盖栅极的栅源极间介质，首先沉积电极间隔离介质层，对电极间隔离介质层进行第三光刻蚀刻工序从而形成栅源极间介质、源极区域。
请参考图11，在形成栅源极间介质、源极区域之后，分别在第一导电类型半导体衬底背面、源极区域沉积欧姆接触金属并进行欧姆接触退火，在源极区域沉积AlCu金属形成源极电极，在所述第一导电类型半导体衬底背面沉积Ti/Ni/Ag金属形成漏极电极。
在本实施例中，正面和背面的金属欧姆接触同时形成，在其他实施例中可以先形成正面金属欧姆接触和AlCu源极电极，减薄晶圆后，在背面进行欧姆接触金属沉积并使用激光退火。本发明实施例还提供了一种通过上述碳化硅功率器件的制备方法制得的碳化硅功率器件。
请参考图11，所述碳化硅功率器件包括：碳化硅半导体基底，所述碳化硅半导体基底包括所述第一导电类型半导体衬底101和位于所述衬底第一表面的碳化硅外延层102；
位于所述第一导电类型半导体衬底另一表面的漏极电极以及位于外延层表面的栅极结构和覆盖所述栅极结构的栅源极间介质，所述栅极结构包括位于外延层102表面的栅氧层106和位于栅氧层106表面的栅极107；所述栅氧层106的材料为Al2O3或耐高温High-K，所述栅极107的材料为多晶SiC或AlN；
位于所述碳化硅外延层102表面延伸至所述外延层102内部的离子注入区，所述离子注入区包括第二导电类型注入基区104、第二导电类型重注入体区103和第一导电类型注入源区105，其中第二导电类型注入基区104位于栅极结构两侧，第一导电类型注入源区105位于所述第二导电类型注入基区104表面上方且靠近栅极结构，第二导电类型重注入体区103位于所述第二导电类型注入基区104表面上方且远离栅极结构；
以及位于离子注入区表面的源极电极。
在本发明实施例提供的一种碳化硅功率器件中，所述第一导电类型为P型掺杂，所述第二导电类型为N型掺杂，即所述第一导电类型注入源区为P型注入基区，第二导电类型注入基区为N型注入基区，所述第二导电类型注入源区为N型注入源区。
在其他实施例中，所述第一导电类型也可以为N型掺杂，所述第二导电类型也可以为P型掺杂。
在本发明实施例的一种碳化硅功率器件中，所述第一导电类型半导体衬底101为第一导电类型碳化硅衬底。
本发明实施例的一种碳化硅功率器件由于采用倾斜离子注入，第二导电类型注入基区104在上表面靠近第二掩蔽层端形成圆弧型注入形貌。
具体的，本发明实施例的碳化硅功率器件是一种碳化硅功率MOSFET器件，在其他实施例中，所述碳化硅功率器件还可以为碳化硅IGBT器件。
最后说明，任何依靠本发明装置结构以及所述实施例的技术方案，进行的部分或者全部技术特征的修改或者等同替换，所得到的本质不脱离本发明的相应技术方案，都属于本发明装置结构以及所述实施方案的专利范围。
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