本發(fā)明涉及一種碳化硅半導(dǎo)體器件的摻雜制造工藝，更具體地說是涉及一種碳化硅半導(dǎo)體器件用離子注入來摻雜的加工工藝的新方法。

背景技術(shù)：

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(dāng)中，新型半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)最受人注目和研究。

碳化硅半導(dǎo)體材料具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高熱導(dǎo)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(dá)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(yīng)器件的高功率、高頻率性能)、Keyes優(yōu)值(KFOM-通過材料的熱導(dǎo)率、飽和電子漂移速度及介電常數(shù)反映相應(yīng)器件的開關(guān)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(dǎo)率反映相應(yīng)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(dǎo)體材料高出很多，是實現(xiàn)結(jié)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(guān)鍵。導(dǎo)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(dǎo)通電阻只有硅器件 的百至二百分之一，顯著降低電子設(shè)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)體接觸，都日漸成熟，這些為碳化硅SiC器件的研制及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)根據(jù)器件工藝要求來選擇注入元素。

可是，當(dāng)離子注入碳化硅過大時，會引致晶格損傷，形成非晶化的結(jié)構(gòu)，大大降低碳化硅原有的性能。文獻(xiàn)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(jié)構(gòu)出現(xiàn)。注入后，還需要經(jīng)過高溫退火熱處理(＞1600℃)，把注入的離子激活，同時令注入離子時所引起的的晶格損傷復(fù)原。由于SiC的鍵強度高，需要在高溫下才能產(chǎn)生晶格空缺，讓摻雜離子填入，獲得激活。文獻(xiàn)報道了退火溫度1300℃得到少于10％激活率；當(dāng)溫度大于1600℃時，激活率才會超過95％。

當(dāng)溫度大于1600℃時，SiC內(nèi)的Si會蒸發(fā)出來，器件晶圓表面亦會粗化，令器件效能降低?，F(xiàn)有的工藝是在晶圓最項層表面沉積碳化硅(SiC)或石墨(C)層作為保護，然后才進行退火熱處理。制作這保護層和之后的清理等工序會令成本增加。

技術(shù)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對碳化硅半導(dǎo)體器件用離子注入法形成摻雜區(qū)的加工工藝的新方法。這方法特別之處是不需要很高的退火溫度便能激活其中注入的雜質(zhì)，這溫度可少于使碳化硅表面的硅(Si)蒸發(fā)出來從而引起表面粗化。

晶格在高溫度下會強烈振動，由玻爾茲曼統(tǒng)計分怖知道，其中有部份碳化硅的原子獲得足夠大的動能從而爭脫綁束，產(chǎn)生晶格空缺和間隙原子。這新方法不是靠高溫度激活，而是靠用離子注入法，除了注入摻雜用的離子，還注入適當(dāng) 大小和能量的離子來撞擊晶格原來的原子，使其脫離原來的晶格位置，從而形成晶格空缺和間隙原子。當(dāng)空缺，原有的間隙原子(離子)和摻雜離子同時存在于一微觀小空間內(nèi)，在退火激活時，摻雜離子會比被撞脫出晶格位置來的間隙原子更容易填入空缺，釋放出一載流子而完成激活，實施本發(fā)明有如下各方案：

方案一：這方案是用來摻雜N型區(qū)的，主要步驟如下：

(1)注入適當(dāng)?shù)碾x子用來把碳化硅的原子(碳或硅，尤其碳)撞脫出離其晶格位置，形成晶格空格，所謂適當(dāng)?shù)碾x子一般是質(zhì)量較大的和有足夠注入能量和劑量，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值，如Ar/200KeV/2e14，注入時，碳化硅襯底的溫度為-100C至+120C之間，原則上，溫度愈低愈容易把原有的原子撞離它的原位置而形成晶格空缺和間隙原子；

(2)注入碳化硅的N型摻雜質(zhì)氮，或磷或氮加磷，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值，注入時，碳化硅襯底的溫度為-100C至+800C之間；

(3)然后退火激活，退火溫度少于1200C，在退火時，晶體內(nèi)已有足夠被之前離子撞擊所形成的空缺，摻雜原子會比較容易填入晶格空缺，釋放載流子，完成激活。

方案二：這方案是用來摻雜N型區(qū)的，與方案一類似，主要步驟如下：

(1)注入適當(dāng)?shù)碾x子用來把碳化硅的原子(碳或硅，尤其碳)撞脫出離其晶格位置，形成晶格空格，所謂適當(dāng)?shù)碾x子一般是質(zhì)量較大的和有足夠注入能量和劑量，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值，如Ar/200KeV/2e14，注入時，碳化硅襯底的溫度為-100C至+120C，原則上，溫度愈低愈容易把原有的 原子撞離它的原位置而形成晶格空缺；

(2)注入碳化硅的N型摻雜質(zhì)氮和付加離子硅(Si)，或磷和付加離子硅或氮加磷和付加離子硅，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值；注入的硅原子憑著″位置競爭”原理，間隙硅原子會使氮或磷較難填進硅的位置空缺並使間隙碳原子更難回到碳位置晶格空缺上，相對來說，氮更容易填進硅的空缺，磷更容易填進碳的空缺，注入時，碳化硅襯底的溫度為-100C至+800C之間；

(3)然后退火激活，退火溫度少于1200C，在退火時，晶體內(nèi)已有足夠被之前離子撞擊所形成的空缺，摻雜原子會比較容易填入晶格空缺，釋放載流子，完成激活。

方案三：這方案是用來摻雜N型區(qū)的，主要步驟如下：

(1)注入碳化硅的N型摻雜質(zhì)氮，或磷或氮加磷，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值，注入時，碳化硅襯底的溫度為-100C至+120C之間，這方式法的特點是用注入的摻雜離子把晶格位置上的原子撞脫，形成晶格空缺；

(2)然后退火激活，退火溫度少于1200C，在退火時，晶體內(nèi)已有足夠被之前離子撞擊所形成的空缺，摻雜原子會比較容易填入晶格空缺，釋放載流子，完成激活。

方案四：這方案是用來摻雜N型區(qū)的，主要步驟如下：

(1)注入碳化硅的N型摻雜質(zhì)氮和付加離子硅(C)，或磷和付加離子硅或氮加磷和付加離子硅，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值；注入的硅原子憑著″位置競爭”原理，間隙硅原子會使氮或磷較難填進硅的位置空缺並使間隙碳 原子更難回到碳位置晶格空缺上，相對來說，氮或磷更容易填進空缺，注入時，碳化硅襯底的溫度為-100C至+120C之間，這方式法的特點是主要用注入的摻雜離子把晶格位置上的原子撞脫，形成晶格空缺；

(2)然后退火激活，退火溫度少于1200C，在退火時，晶體內(nèi)已有足夠被之前離子撞擊所形成的空缺，摻雜原子會比較容易填入晶格空缺，釋放載流子，完成激活。

方案五：這方案是用來摻雜P型區(qū)的，主要步驟如下：

(1)注入適當(dāng)?shù)碾x子用來把碳化硅的原子(碳或硅，尤其硅)撞脫出離其晶格位置，形成晶格空格，所謂適當(dāng)?shù)碾x子一般是質(zhì)量較大的和有足夠注入能量和劑量，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值，如Ar/200KeV/2e14，注入時，碳化硅襯底的溫度為-100C至+120C之間，原則上，溫度愈低愈容易把原有的原子撞離它的原位置而形成晶格空缺；

(2)注入碳化硅的P型摻雜質(zhì)鋁(Al)，或硼(B)或鋁加硼，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值，注入時，碳化硅襯底的溫度為-100C至+800C；

(3)然后退火激活，退火溫度少于1200C，在退火時，晶體內(nèi)已有足夠被之前離子撞擊所形成的空缺，摻雜原子會比較容易填入晶格空缺，釋放載流子，完成激活。

方案六：這方案是用來摻雜P型區(qū)的，與方案五類似，主要步驟如下：

(1)注入適當(dāng)?shù)碾x子用來把碳化硅的原子(碳或硅，尤其硅)撞脫出離其晶格位置，形成晶格空格，所謂適當(dāng)?shù)碾x子一般是質(zhì)量較大的和有足夠注入能量和 劑量，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值，如Ar/200KeV/2e14，注入時，碳化硅襯底的溫度為-100C至+120C之間，原則上，溫度愈低愈容易把原有的原子撞離它的原位置而形成晶格空缺；

(2)注入碳化硅的P型摻雜質(zhì)鋁和付加離子碳(C)，或硼和付加離子碳，或鋁加硼和付加離子碳，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值；注入的碳原子憑著″位置競爭”原理，間隙碳原子會使鋁或硼較難填進碳的位置空缺並使間隙硅原子更難回到硅位置晶格空缺上，相對來說，鋁或硼更容易填進硅的位置空缺，注入時，碳化硅襯底的溫度為-100C至+800C之間；

(3)然后退火激活，退火溫度少于1200C，在退火時，晶體內(nèi)已有足夠被之前離子撞擊所形成的空缺，摻雜原子會比較容易填入晶格空缺，釋放載流子，完成激活。

方案七：這方案是用來摻雜P型區(qū)的，主要步驟如下：

(1)注入碳化硅的P型摻雜質(zhì)鋁，或硼或鋁加硼，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值，注入時，碳化硅襯底的溫度為-100C至+120C之間，這方式法的特點是主要用注入的摻雜離子把晶格位置上的原子撞脫，形成晶格空缺；

(2)然后退火激活，退火溫度少于1200C，在退火時，晶體內(nèi)已有足夠被之前離子撞擊所形成的空缺，摻雜原子會比較容易填入晶格空缺，釋放載流子，完成激活。

方案八：這方案是用來摻雜P型區(qū)的，主要步驟如下：

(1)注入碳化硅的P型摻雜質(zhì)鋁和付加離子碳(C)，或硼和付加離子碳，或 鋁加硼和付加離子碳，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值；注入的碳原子憑著″位置競爭”原理，間隙碳原子會使鋁或硼較難填進碳的位置空缺上並使間隙硅原子更難回到硅位置晶格空缺上，相對來說，鋁或硼更容易填進硅的位置空缺，注入時，碳化硅襯底的溫度為-100C至+120C之間，這方式法的特點是主要用注入的摻雜離子把晶格位置上的原子撞脫，形成晶格空缺；

(2)然后退火激活，退火溫度少于1200C，在退火時，晶體內(nèi)已有足夠被之前離子撞擊所形成的空缺，摻雜原子會比較容易填入晶格空缺，釋放載流子，完成激活。

以上各方案中的各種離子注入的次序先后不重要，一般來說，先注入用來制造晶格空缺的離子較易處理。如果碳化硅摻雜空間內(nèi)已有足夠多的空缺，在注入摻雜時，若果襯底已被置于300C至750C，則會有部份注入的摻雜離子會馬上填進空缺，完成激活，整個技術(shù)的內(nèi)容在圖1總結(jié)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

現(xiàn)有激活工序是使用高溫退火熱處理。溫度大于1200℃，這么高的溫度會使碳化硅器件晶圓表面粗化，做出來的器件效能大大降低。為了解決這問題，其中一些方法是在晶圓最頂層表面沉積碳化硅(SiC)或石墨(C)的保護層，制作和之后處理這保護層會令成本增加。采用本發(fā)明的制備方法，不用高溫度(大于1200C)便可產(chǎn)生足夠多的晶格空缺；注入的摻雜離子不用高溫(大于1200C)便能填進晶格空缺，完成激活。這樣可以使退火激活溫度大大減少，甚至取消這項工序，把成本降低。

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(gòu)成對本發(fā)明的限制：

圖1是本發(fā)明的技術(shù)理論示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例1的注入氬(Ar)離子示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例1的注入氮(N)摻雜離子示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例1的完成激活示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例2的注入磷(P31)摻雜離子示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例2的注入氮(N)摻雜離子示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例2的完成激活示意圖。

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 激活后的摻雜區(qū)域

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應(yīng)當(dāng)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(dǎo)體器件晶圓用離子注入來摻雜的制造工藝，包括以下步驟：

對碳化硅(SiC)晶圓工件需摻雜的區(qū)域進行注入至少一種離子，在晶格沒有形成非晶化結(jié)構(gòu)前，停止離子注入。注入的離子可以是摻雜離子(例如N，B或Al)也可以是一些較大質(zhì)量的離子，如氬(Ar)，其中一些離子的作用是用來撞擊SiC晶格內(nèi)的Si或C原子，把晶格內(nèi)的原子撞脫綁束，形成晶格空缺，其中一些離子的作用是作摻雜用的，完成所有注入后便進行退火激活，溫度少于1200℃，時間為10分鐘至300分鐘之間。

實施例1：

如圖2所示，對碳化硅外延層2表面注入適當(dāng)?shù)碾x子用來把碳化硅的原子(碳或硅，尤其碳)撞脫出離其晶格位置，形成晶格空格，如Ar/200KeV/2e14，注入時，碳化硅襯底的溫度為室溫。

如圖3所示，對碳化硅外延層2表面注入注入碳化硅的N型摻雜質(zhì)如氮(N/200KeV/2e14)，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值，注入時，碳化硅襯底的溫度為室溫。

如圖4所示，對碳化硅晶圓進行退火激活，退火溫度少于1200C，時間為10分鐘至300之間。

實施例2：

如圖5所示，對碳化硅外延層2表面注入注入碳化硅的N型摻雜質(zhì)磷(P31/ 160KeV/4e14)，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值，注入時，碳化硅襯底的溫度為室溫。

如圖6所示，對碳化硅外延層2表面注入注入碳化硅N型摻雜質(zhì)氮(N/160KeV/4e14)，注入劑量需要少于非晶化注入劑量閾值，注入時，碳化硅襯底的溫度為室溫。

如圖7所示，對碳化硅晶圓進行退火激活，退火溫度少于1200C，時間為10分鐘至300之間。

實施例2主要是用摻雜離子，尤其是磷離子，撞擊碳化硅原子，制造晶格空缺。

最后應(yīng)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(dǎo)體器件工藝內(nèi)用離子注入來形成摻雜的制造工藝，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(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)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(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之。