CN103928345B - 离子注入形成n型重掺杂漂移层台面的umosfet制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的UMOSFET器件制备方法，外延生长N型漂移区；离子注入形成N+阱；N+阱刻蚀为台面；外延生长P‑外延层；外延生长N+源区层；刻蚀成槽；刻蚀形成源区；氧化形成槽栅；淀积多晶硅；开接触孔：制备钝化层，开电极接触孔；制备电极：蒸发金属，制备电极。本发明通过离子注入和刻蚀工艺提高了带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件中的N型漂移区台面的掺杂浓度，降低了该器件的导通电阻。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件制备方法。
背景技术
第三代半导体材料碳化硅具有宽带隙，高临界击穿电场，高电子饱和漂移速度和较高的热导率等优良的物理和化学性质，在高温，高压，大功率半导体器件中具有很大优势。
功率MOSFET作为开关，其正向导通电阻和反向击穿电压是一对矛盾关系，而纵向结构的UMOSFET消除了寄生积累层电阻和JFET电阻，所以UMOSFET在这方面和横向结构的MOSFET相比具有一定的优势。
UMOSFET自身也存在缺点，其槽栅拐角处的电场集中效应导致器件提前发生击穿，降低了器件的可靠性。一种能够降低槽栅拐角电场的带有N-漂移层台面的SiC UMOSFET器件已经被发明出来，该器件的P-外延层包裹了槽栅拐角，以SiC PN结界面代替了拐角的SiO2/SiC界面来承受反向电压，提高了器件的可靠性。
但是由于该方案中P-外延层包裹了槽栅拐角，使导电通路在台面处变窄，而且台面处的杂质浓度和漂移层浓度相等，掺杂浓度较低，这都是对导通电阻不利的因素。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的UMOSFET制备方法，用以克服上述技术缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的UMOSFET制备方法，该具体过程为：
步骤a，外延生长N型漂移区：在碳化硅N+衬底样片上外延生长厚度约为12μm～25μm，氮离子掺杂浓度为1×1015cm-3～5×1015cm-3的N型漂移区；
步骤b，离子注入形成N+阱：在N型漂移区中进行离子注入，形成重掺杂的N+阱，N+阱宽度为3μm～4μm，注入杂质为氮离子，深度为0.5μm，掺杂浓度为1×1017cm-3；
步骤c，N+阱刻蚀为台面：把N+阱刻蚀成一个台面，台面高度和N+阱的深度相等，台面宽度与阱的宽度相等；
步骤d，外延生长P-外延层：在N型漂移区和N+漂移层台面上生长一层P-外延层，厚度为3μm，铝离子掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1018cm-3；
步骤e，外延生长N+源区层：在P-外延层上生长一层N+源区层，厚度为0.5μm，掺杂浓度为5×1018cm-3；
步骤f，刻蚀成槽：在N型重掺杂漂移层台面正上方采用ICP刻蚀形成槽，宽度为6μm，深度为3μm，这样槽的两个底角被P-外延层包裹；
步骤g，刻蚀形成源区：采用ICP刻蚀形成源区接触；
步骤h，氧化形成槽栅：通过热氧化工艺制备槽栅介质SiO2，厚度为100nm。
步骤i，淀积多晶硅：在槽栅内的槽栅介质SiO2上淀积polySi层；
步骤j，开接触孔：制备钝化层，开电极接触孔；
步骤k，制备电极：蒸发金属，制备电极。
进一步，在上述步骤a中，先对N型的碳化硅衬底片进行RCA标准清洗，然后在整个衬底片上外延生长厚度为12μm～25μm，氮离子掺杂浓度为1×1015cm-3～5×1015cm-3的N-漂移层，其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，掺杂源采用液态氮气。
进一步，上述步骤b的具体过程为：
步骤b01，采用低压化学汽相淀积方式在整个碳化硅表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，再淀积厚度为1μm的Al作为氮离子注入的阻挡层，通过光刻和刻蚀形成N+阱注入区，N+阱注入区宽度为3-4μm；
步骤b02，在500℃的环境温度下进行三次氮离子注入，先后注入能量分别为520keV、300keV、150keV，对应的剂量为9.8×1011cm-2、7×1011cm-2、4.9×1011cm-2，注入深度为0.5μm；
步骤b03，采用标准RCA对碳化硅表面进行清洗，烘干后做C膜保护。然后在1750℃氩气氛围中进行离子激活退火，时间为15min。
进一步，上述步骤c中，N+阱宽度为3μm～4μm，注入杂质为氮离子，深度为0.5μm，掺杂浓度为1×1017cm-3，其工艺条件为：注入温度500℃，离子激活退火温度1750℃，退火时间10min。
进一步，上述步骤d中，在N型漂移区和N+漂移层台面上生长一层P-外延层，厚度为3μm，铝离子掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1018cm-3；N+阱刻蚀为台面，台面的高度等于N+阱宽度，其工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
进一步，在上述步骤e中，在P-外延层上生长一层厚度为0.5μm，氮离子掺杂浓度为5×1018cm-3的N型碳化硅外延层，作为N+源区层，其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，掺杂源采用液态氮气。
进一步，在上述步骤f中，首先磁控溅射一层的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜，然后涂胶光刻，进行ICP刻蚀，刻蚀出槽的宽度为6μm，深度为3μm，最后去胶，去刻蚀掩膜，清洗成光片；工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
进一步，在上述步骤g中，首先磁控溅射一层的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜，然后涂胶光刻，进行ICP刻蚀，形成源区接触孔，最后去胶，去刻蚀掩膜，清洗成光片；工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
进一步，在上述步骤h中，采用干氧工艺在1150℃下制备SiO2栅，厚度为100nm，然后在1050℃，N2氛围下进行退火，降低SiO2薄膜表面的粗糙度。
进一步，在上述步骤i中，采用低压热壁化学汽相淀积法生长ploySi填满沟槽，淀积温度为600～650℃，淀积压强为60～80Pa，反应气体为硅烷和磷化氢，载运气体为氦气，然后涂胶光刻，刻蚀ploySi层，形成多晶硅栅，最后去胶，清洗。
与现有技术相比较本发明的有益效果在于：本发明通过离子注入和刻蚀工艺提高了带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件中的N型漂移区台面的掺杂浓度，降低了该器件的导通电阻；离子注入工艺可以精确的控制注入离子的浓度和深度，另外对于基体材料来说，离子注入没有明显界面，因此不存在粘附破裂和剥落问题，而且离子注入不浪费材料节省成本。
附图说明
图1为本发明带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件的结构示意图；
图2为本发明带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件的制作工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
请参阅图2所示，其为本发明带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件的结构示意图，该具体过程为：
步骤a，外延生长N型漂移区：在碳化硅N+衬底样片上外延生长厚度约为12μm～25μm，氮离子掺杂浓度为1×1015cm-3～5×1015cm-3的N型漂移区；
步骤b，离子注入形成N+阱：在N型漂移区中进行离子注入，形成重掺杂的N+阱，N+阱宽度为3μm～4μm，注入杂质为氮离子，深度为0.5μm，掺杂浓度为1×1017cm-3；
步骤c，N+阱刻蚀为台面：把N+阱刻蚀成一个台面，台面高度和N+阱的深度相等，N+阱宽度为3μm～4μm，注入杂质为氮离子，深度为0.5μm，掺杂浓度为1×1017cm-3，其工艺条件为：注入温度500℃，离子激活退火温度1750℃，退火时间10min。
步骤d，外延生长P-外延层：在N型漂移区和N+漂移层台面上生长一层P-外延层，厚度为3μm，铝离子掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1018cm-3；N+阱刻蚀为台面，台面的高度等于N+阱宽度，其工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
步骤e，外延生长N+源区层：在P-外延层上生长一层N+源区层，厚度为0.5μm，掺杂浓度为5×1018cm-3；
步骤f，刻蚀成槽：在N型重掺杂漂移层台面正上方采用ICP刻蚀形成槽，宽度为6μm，深度为3μm，这样槽的两个底角被P-外延层包裹；
步骤g，刻蚀形成源区：采用ICP刻蚀形成源区接触；
步骤h，氧化形成槽栅：通过热氧化工艺制备槽栅介质SiO2，厚度为100nm。
步骤i，淀积多晶硅：在槽栅内的槽栅介质SiO2上淀积polySi层；
步骤j，开接触孔：制备钝化层，开电极接触孔；
步骤k，制备电极：蒸发金属，制备电极。
基于上述步骤的各实施例，如下所述：
实施例一：
步骤a1，外延生长N型漂移区，如图2中的a所示；
先对N型的碳化硅衬底片进行RCA标准清洗，然后在整个衬底片上外延生长厚度为12μm，氮离子掺杂浓度为1×1015cm-3的N-漂移层，其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，掺杂源采用液态氮气。
步骤b1，离子注入形成N+阱，如图2中的b所示；
步骤b11，采用低压化学汽相淀积方式在整个碳化硅表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，再淀积厚度为1μm的Al作为氮离子注入的阻挡层，通过光刻和刻蚀形成N+阱注入区，N+阱注入区宽度为3μm；
步骤b12，在500℃的环境温度下进行三次氮离子注入，先后注入能量分别为520keV、300keV、150keV，对应的剂量为9.8×1011cm-2、7×1011cm-2、4.9×1011cm-2，注入深度为0.5μm；
步骤b13，采用标准RCA对碳化硅表面进行清洗，烘干后做C膜保护。然后在1750℃氩气氛围中进行离子激活退火，时间为15min。
步骤c1，N+阱刻蚀为台面，如图2中的c所示；
首先磁控溅射一层的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜，然后涂胶光刻，进行ICP刻蚀，将N+阱刻蚀成台面结构，台面高度等于N+阱深度。最后去胶，去刻蚀掩膜，清洗成光片。ICP刻蚀工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
步骤d1，外延生长P-外延层，如图2中的d所示；
在N型漂移区和重掺杂的漂移区台面上生长一层厚度为3μm，铝离子掺杂浓度为5×1017cm-3的P-外延层，其外延生长工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，掺杂源采用三甲基铝。
步骤e1，外延生长N+源区层，如图2中的e所示；
在P-外延层上生长一层厚度为0.5μm，氮离子掺杂浓度为5×1018cm-3的N型碳化硅外延层，作为N+源区层，其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，掺杂源采用液态氮气。
步骤f1，刻蚀成槽，如图2中的f所示；
首先磁控溅射一层的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜，然后涂胶光刻，进行ICP刻蚀，刻蚀出槽的宽度为6μm，深度为3μm，最后去胶，去刻蚀掩膜，清洗成光片。工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
步骤g1，刻蚀形成源区，如图2中的g所示；
首先磁控溅射一层的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜，然后涂胶光刻，进行ICP刻蚀，形成源区接触孔，最后去胶，去刻蚀掩膜，清洗成光片。工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
步骤h1，氧化形成槽栅，如图2中的h所示；
采用干氧工艺在1150℃下制备SiO2栅，厚度为100nm，然后在1050℃，N2氛围下进行退火，降低SiO2薄膜表面的粗糙度。
步骤i1，淀积多晶硅，如图2中的i所示；
采用低压热壁化学汽相淀积法生长ploySi填满沟槽，淀积温度为600～650℃，淀积压强为60～80Pa，反应气体为硅烷和磷化氢，载运气体为氦气，然后涂胶光刻，刻蚀ploySi层，形成多晶硅栅，最后去胶，清洗。
步骤j1，开接触孔，如图2中的j所示；
在器件表面淀积一层场氧或者Si3N4层，然后涂胶光刻，腐蚀钝化层开电极接触孔，最后去胶，清洗。
步骤k1，制备电极，如图2中的k所示；
电子束蒸发Ti/Ni/Au制作正面栅，源电极，然后涂胶光刻，金属腐蚀形成正面栅，源电极接触图形，去胶，清洗。
在背面电子束蒸发Ti/Ni/Au制作背面漏电极，然后制作正面栅，源电极，最后在Ar气氛中围快速退火3min，温度为1050℃。
实施例二：
步骤a2，外延生长N型漂移区；
先对N型的碳化硅衬底片进行RCA标准清洗，然后在整个衬底片上外延生长厚度为25μm，氮离子掺杂浓度为5×1015cm-3的N-漂移层，其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，掺杂源采用液态氮气。
步骤b2，离子注入形成N+阱；
步骤b21，采用低压化学汽相淀积方式在整个碳化硅表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，再淀积厚度为1μm的A1作为氮离子注入的阻挡层，通过光刻和刻蚀形成N+阱注入区，N+阱注入区宽度为4μm；
步骤b22，在500℃的环境温度下进行三次氮离子注入，先后注入能量分别为520keV、300keV、150keV，对应的剂量为9.8×1011cm-2、7×1011cm-2、4.9×1011cm-2，注入深度为0.5μm；
步骤b23，采用标准RCA对碳化硅表面进行清洗，烘干后做C膜保护。然后在1750℃氩气氛围中进行离子激活退火，时间为15min。
步骤c2，与实施例一的步骤c1相同；
步骤d2，外延生长P-外延层；
在N型漂移区和重掺杂的漂移区台面上生长一层厚度为3μm，铝离子掺杂浓度为1×1018cm-3的P-外延层，其外延生长工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，掺杂源采用三甲基铝。
步骤e2，与实施例一的步骤e1相同。
步骤f2，与实施例一的步骤f1相同。
步骤g2，与实施例一的步骤g1相同。
步骤h2，与实施例一的步骤h1相同。
步骤i2，与实施例一的步骤i1相同。
步骤j2，与实施例一的步骤j1相同。
步骤k2，与实施例一的步骤k1相同。
实施例三：
步骤a3，外延生长N型漂移区；
先对N型的碳化硅衬底片进行RCA标准清洗，然后在整个衬底片上外延生长厚度为20μm，氮离子掺杂浓度为3×1015cm-3的N-漂移层，其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，掺杂源采用液态氮气。
步骤b3，离子注入形成N+阱；
步骤b31，采用低压化学汽相淀积方式在整个碳化硅表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，再淀积厚度为1μm的Al作为氮离子注入的阻挡层，通过光刻和刻蚀形成N+阱注入区，N+阱注入区宽度为3.5μm。
步骤b32，在500℃的环境温度下进行三次氮离子注入，先后注入能量分别为520keV、300keV、150keV，对应的剂量为9.8×1011cm-2、7×1011cm-2、4.9×1011cm-2，注入深度为0.5μm；
步骤b33，采用标准RCA对碳化硅表面进行清洗，烘干后做C膜保护。然后在1750℃氩气氛围中进行离子激活退火，时间为15min。
步骤c3，与实施例一的步骤c1相同。
步骤d3，外延生长P-外延层；
在N型漂移区和重掺杂的漂移区台面上生长一层厚度为3μm，铝离子掺杂浓度为8×1017cm-3的P-外延层，其外延生长工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，掺杂源采用三甲基铝。
步骤e3，与实施例一的步骤e1相同。
步骤f3，与实施例一的步骤f1相同。
步骤g3，与实施例一的步骤g1相同。
步骤h3，与实施例一的步骤h1相同。
步骤i3，与实施例一的步骤i1相同。
步骤j3，与实施例一的步骤j1相同。
步骤k3，与实施例一的步骤k1相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的UMOSFET制备方法，其特征在于，该具体过程为：
步骤a，外延生长N型漂移区：在碳化硅N+衬底样片上外延生长厚度为12μm～25μm，氮离子掺杂浓度为1×1015cm-3～5×1015cm-3的N型漂移区；
步骤b，离子注入形成N+阱：在N型漂移区中进行离子注入，形成重掺杂的N+阱，N+阱宽度为3μm～4μm，注入杂质为氮离子，深度为0.5μm，掺杂浓度为1×1017cm-3；
步骤c，N+阱刻蚀为台面：把N+阱刻蚀成一个台面，台面高度和N+阱的深度相等，台面宽度与阱的宽度相等；
步骤d，外延生长P-外延层：在N型漂移区和N+漂移层台面上生长一层P-外延层，厚度为3μm，铝离子掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1018cm-3；
步骤e，外延生长N+源区层：在P-外延层上生长一层N+源区层，厚度为0.5μm，掺杂浓度为5×1018cm-3；
步骤f，刻蚀成槽：在N型重掺杂漂移层台面正上方采用ICP刻蚀形成槽，宽度为6μm，深度为3μm，这样槽的两个底角被P-外延层包裹；
步骤g，刻蚀形成源区：采用ICP刻蚀形成源区接触；
步骤h，氧化形成槽栅：通过热氧化工艺制备槽栅介质SiO2，厚度为100nm；
步骤i，淀积多晶硅：在槽栅内的槽栅介质SiO2上淀积polySi层；
步骤j，开接触孔：制备钝化层，开电极接触孔；
步骤k，制备电极：蒸发金属，制备电极。
2.根据权利要求1所述的离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的UMOSFET制备方法，其特征在于，在上述步骤a中，先对N型的碳化硅衬底片进行RCA标准清洗，然后在整个衬底片上外延生长厚度为12μm～25μm，氮离子掺杂浓度为1×1015cm-3～5×1015cm-3的N-漂移层，其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，掺杂源采用液态氮气。
3.根据权利要求1或2所述的离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的UMOSFET制备方法，其特征在于，上述步骤b的具体过程为：
步骤b01，采用低压化学汽相淀积方式在整个碳化硅表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，再淀积厚度为1μm的Al作为氮离子注入的阻挡层，通过光刻和刻蚀形成N+阱注入区，N+阱注入区宽度为3-4μm；
步骤b02，在500℃的环境温度下进行三次氮离子注入，先后注入能量分别为520keV、300keV、150keV，对应的剂量为9.8×1011cm-2、7×1011cm-2、4.9×1011cm-2，注入深度为0.5μm；
步骤b03，采用标准RCA对碳化硅表面进行清洗，烘干后做C膜保护，然后在1750℃氩气氛围中进行离子激活退火，时间为15min。
4.根据权利要求3所述的离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的UMOSFET制备方法，其特征在于，上述步骤c中，N+阱宽度为3μm～4μm，注入杂质为氮离子，深度为0.5μm，掺杂浓度为1×1017cm-3，其工艺条件为：注入温度500℃，离子激活退火温度1750℃，退火时间10min。
5.根据权利要求3所述的离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的UMOSFET制备方法，其特征在于，上述步骤d中，在N型漂移区和N+漂移层台面上生长一层P-外延层，厚度为3μm，铝离子掺杂浓度为5×1017cm-3～1×1018cm-3；N+阱刻蚀为台面，台面的高度等于N+阱宽度，其工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
6.根据权利要求3所述的离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的UMOSFET制备方法，其特征在于，在上述步骤e中，在P-外延层上生长一层厚度为0.5μm，氮离子掺杂浓度为5×1018cm-3的N型碳化硅外延层，作为N+源区层，其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，掺杂源采用液态氮气。
7.根据权利要求6所述的离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的UMOSFET制备方法，其特征在于，在上述步骤f中，首先磁控溅射一层的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜，然后涂胶光刻，进行ICP刻蚀，刻蚀出槽的宽度为6μm，深度为3μm，最后去胶，去刻蚀掩膜，清洗成光片；工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
8.根据权利要求6所述的离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的UMOSFET制备方法，其特征在于，在上述步骤g中，首先磁控溅射一层的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜，然后涂胶光刻，进行ICP刻蚀，形成源区接触孔，最后去胶，去刻蚀掩膜，清洗成光片；工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
9.根据权利要求8所述的离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的UMOSFET制备方法，其特征在于，在上述步骤h中，采用干氧工艺在1150℃下制备SiO2栅，厚度为100nm，然后在1050℃，N2氛围下进行退火，降低SiO2薄膜表面的粗糙度。
10.根据权利要求8所述的离子注入形成N型重掺杂漂移层台面的UMOSFET制备方法，其特征在于，在上述步骤i中，采用低压热壁化学汽相淀积法生长ploySi填满沟槽，淀积温度为600～650℃，淀积压强为60～80Pa，反应气体为硅烷和磷化氢，载运气体为氦气，然后涂胶光刻，刻蚀ploySi层，形成多晶硅栅，最后去胶，清洗。
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