碳化硅半导体器件的退火方法与流程

本发明属于碳化硅半导体器件制备技术领域，具体地讲，涉及一种碳化硅半导体器件的退火方法。

背景技术：

和传统的Si单晶相比，SiC单晶具有禁带宽度大、临界击穿场强高、饱和漂移速率大和热导率高等优势，特别适合于制备大功率、高频率的电子器件。

由于杂质在SiC单晶中的扩散速率非常小，通过扩散的方式难以对SiC进行有效地掺杂，因此离子注入成为了对SiC进行掺杂的必然选择；然而，对于SiC而言，在离子注入后激活杂质所需的退火温度一般都在1500℃以上，在如此高的温度下，一方面，所注入的元素很可能从SiC表面逸出，导致达不到所需的注入效果；另一方面，SiC单晶的表面会发生升华现象，导致形貌退化以及表面粗糙度变大的问题，严重影响SiC器件的性能；因此，在高温退火过程中需要对SiC表面进行保护。

当前对离子注入之后的SiC表面进行保护的主要方式是在其表面镀保护涂层，这些保护涂层主要有AlN涂层、AlN/Al₂O₃涂层、AlN/BN涂层和碳涂层等；在这些涂层中，AlN涂层起保护作用的温度最高只能达到1600℃，AlN/Al₂O₃涂层和AlN/BN涂层最高能达到1700℃，而碳涂层能达到2000℃以上。由于SiC材料的特殊性，很多情况下SiC离子注入后的退火温度都需要达到1800℃以上，因此碳涂层得到了更多的亲睐。

虽然理论上碳涂层能在更高的温度下对SiC的离子注入退火起到保护作用，但前提是其自身的结构能够非常致密。当前制备碳涂层主要是通过光刻胶碳化的方式，即在离子注入后的SiC单晶表面旋涂一层光刻胶，然后在一定的气氛和一定温度下进行热处理，使光刻胶中的有机物分解形成一层碳膜；但该方法所制备的碳膜一般致密性较差，不能满足长时间高温退火的要求。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种碳化硅半导体器件的退火方法，该方法通过采用化学气相沉积法在经过离子注入的碳化硅晶片表面 制备一层致密的碳膜，从而对碳化硅晶片起到了退火保护的作用。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种碳化硅半导体器件的退火方法，所述碳化硅半导体器件包括具有离子注入的碳化硅晶片，所述退火方法包括步骤：A、将经过离子注入的碳化硅晶片置于化学气相沉积反应腔室中；B、将所述反应腔室抽真空，并充入保护气体；C、将充入所述保护气体后的反应腔室升温，并充入反应气体，进行热解反应，所述碳化硅晶片的经过离子注入的一侧的表面上形成碳膜；D、将镀有所述碳膜的碳化硅晶片进行退火处理。

进一步地，所述碳膜的厚度为0.2μm～5μm。

进一步地，在所述步骤C中，所述反应气体为烃类气体，所述反应气体的通气流量为0.01L/min～0.5L/min，所述反应气体通至其在所述反应腔室中的分压为0.5kPa～5kPa。

进一步地，所述烃类气体选自甲烷、丙烷中的任意一种。

进一步地，所述热解反应的温度为900℃～1400℃，时间为1h～8h。

进一步地，所述步骤C中，升温速率为10℃/min～50℃/min。

进一步地，所述步骤D具体包括：将具有所述碳膜的碳化硅晶片在所述反应腔室中以5℃/min～10℃/min的速度降温至室温；将降温后的具有所述碳膜的碳化硅晶片转移至高温退火炉中，在1500℃～2100℃的温度下退火处理1min～60min。

进一步地，在所述步骤B中，将所述反应腔体抽真空至1Pa～10Pa，所述保护气体为氮气或惰性气体，所述保护气体的通气流量为0.1L/min～5L/min，所述保护气体通至其在所述反应腔室中的压强为2×10⁴Pa～9×10⁴Pa。

进一步地，所述退火方法还包括步骤：E、将经过退火处理的镀有所述碳膜的碳化硅晶片加热去除所述碳膜。

进一步地，去除所述碳膜的具体方法为：将经过退火处理的镀有所述碳膜的碳化硅晶片转移至马弗炉中；将所述马弗炉加热至700℃～1000℃，去除所述碳膜。

本发明利用化学气相沉积法，以烃类气体作为反应气体，经其热解，在经 过离子注入的碳化硅晶片表面形成致密碳膜，从而保证在后续碳化硅晶片的退火过程中，不仅可抑制经离子注入的元素不从碳化硅晶片表面逸出，而且还可保护碳化硅晶片的表面的形貌和粗糙度在长时间高温退火时不发生恶化。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例的碳化硅半导体器件的退火方法的步骤流程图；

图2是根据本发明的实施例的具有碳膜的碳化硅晶片的SEM图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

图1是根据本发明的实施例的碳化硅半导体器件的退火方法的步骤流程图。

参照图1，根据本发明的实施例的碳化硅半导体器件的退火方法包括下述步骤：

在步骤110中，将经过离子注入的碳化硅晶片置于化学气相沉积反应腔室中。

具体地，碳化硅晶片上具有离子注入的一面朝上，也就是说，在后续碳膜的制备过程中，碳膜形成在碳化硅晶片的具有离子注入的一面的表面上，从而可在退火处理中防止经离子注入的元素逸出该碳化硅晶片。

在步骤120中，将反应腔室抽真空至10Pa，以除去氧气。

具体地，采用机械泵抽真空即可，一般情况下，机械泵抽真空只能达到1Pa左右，因此，也可以说，将反应腔室抽真空至10Pa以下，或至1Pa～10Pa即可。

在步骤130中，向经抽真空的反应腔室充入氩气。氩气作为一种保护气体充入抽真空后的反应腔室，一是使得该反应腔室在后续的升温加热过程中得到保护，二是对后续充入该反应腔室中的反应气体起到稀释的作用。

本实施例中，氩气的通气速率为0.1L/min，通气直至其在反应腔室中的压强达到5×10⁴Pa为止。但本发明并不限制于此，保护气体并不限于氩气，例如氮气或其他惰性气体等均可；且保护气体的通气速率控制在0.1L/min～5L/min内，直至其在反应腔室中的压强达到2×10⁴Pa～9×10⁴Pa即可停止通气。

在步骤140中，将充入氩气后的反应腔室升温至1200℃，并向其中充入甲烷，使得甲烷进行热解反应5h，在碳化硅晶片具有离子注入一侧的表面上沉积形成碳膜。

具体地，本实施例中控制反应腔室的升温速率为50℃/min，甲烷的通气速率为0.5L/min，通至其在反应腔室中的分压达到5kPa，停止通气，经5h的热解反应，碳化硅晶片具有离子注入一侧的表面上即可通过化学气相沉积形成一层厚度为1μm左右的致密的碳膜，如图2所示。在图2中，箭头标示区域即为经上述步骤制备得到的碳膜，而其左侧即为碳化硅晶片；从图2中可以看出，在碳化硅晶片表面形成了具有明显一维结构的碳膜；该形成的致密碳膜即可保证在后续碳化硅晶片的退火过程中，不仅可抑制经离子注入的元素不从碳化硅晶片表面逸出，而且还可保护碳化硅晶片的表面的形貌和粗糙度在长时间高温退火时不发生恶化。当然，根据本发明的退火方法并不限制于上述的热解反应温度、升温速率、反应气体种类、通气速率及反应气体压强，反应腔室以10℃/min～50℃/min的升温速率升至900℃～1400℃，并以0.01L/min～0.5L/min的通气速率将甲烷、乙烷等烃类气体通入其中，并达到0.5kPa～5kPa的压强，使得作为反应气体的上述烃类气体在上述温度下进行热解反应1h～8h，碳化硅晶片具有离子注入一侧的表面上即可通过化学气相沉积形成一层致密的碳膜。一般地，通过控制碳膜制备条件，可将碳膜的厚度控制在0.2μm～5μm的范围内。

值得说明的是，在步骤120中，对反应腔室抽真空去除其中的氧气，其目的一是防止步骤140通入的甲烷等烃类气体在高温下与氧气反应，发生爆炸现象；二是防止步骤140生成的致密碳膜发生氧化，影响碳膜质量。

在步骤150中，将镀有碳膜的碳化硅晶片转移至高温退火炉中，在2100℃下退火处理30min。

当然，在将上述镀有碳膜的碳化硅晶片转移至高温退火炉之前，首先以5℃/min～10℃/min的速度将反应腔体降至室温(25℃左右)，并向其中通入空气直至反应腔室为常压(1个大气压左右)，然后将镀有碳膜的碳化硅晶片从中取出并转移至高温退火炉中进行退火处理。

对经过离子注入的碳化硅晶片进行退火处理，是为了激活经离子注入的元素并修复离子注入导致的碳化硅晶片中晶格的损伤。

值得说明的是，经上述步骤140在碳化硅晶片表面制备得到的致密碳膜可保证该经过离子注入的碳化硅晶片在1500℃～2100℃的退火温度下退火处理1min～60min后，碳化硅晶片的表面的形貌和粗糙度仍不发生恶化。与之不同的是，现有技术中以光刻胶经热分解得到的碳膜一般致密性较差，在实际退火过程中能承受的退火温度和退火时间都有限，其退火温度一般只能达到1800℃，当达到1900℃时碳化硅表面粗糙度就开始明显增加；而退火时间一般也是1min～5min左右。然而，在实际的经离子注入的碳化硅的退火处理中，根据经离子注入的元素的不同，退火处理往往需要更高的时间和温度，有的需要在2000℃以上维持很长时间，而根据本发明的退火方法制备得到的碳膜在2100℃下能维持60min，且还能保持碳化硅表面的形貌和粗糙度不发生恶化；因此说根据本发明的退火方法制备得到的碳膜对碳化硅退火保护效果要明显优于现有技术中经光刻胶热处理得到的碳膜的退火保护效果。

在步骤160中，将经过退火的镀有碳膜的碳化硅晶片在马弗炉中加热至800℃，去除碳化硅晶片表面的碳膜。

一般地，在马弗炉中加热去除碳膜的过程，保持在空气气氛中即可。

经测试，经过退火处理且去除了碳膜的碳化硅晶片的表面粗糙度不超过1nm。

根据本发明的碳化硅半导体器件的退火方法，首先采用化学气相沉积法在碳化硅晶片具有离子注入的一侧表面上沉积形成致密碳膜，然后进行退火处理，最后采用热处理的方法将碳膜去除；不仅保证了碳化硅晶片在退火处理中，经离子注入的元素不从碳化硅晶片表面逸出，且碳化硅晶片的表面的形貌和粗糙度在长时间高温退火中不发生恶化；而且最后将形成在碳化硅晶片表面的碳膜去除，还不引入其他的杂质。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。