一种用于SiC功率器件的碳保护膜的制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于SiC功率器件的碳保护膜的制备方法，及其在SiC功率器件中的应用，属于SiC功率器件领域。
【背景技术】
[0002]SiC材料作为第三代半导体材料，具有许多优越的特性，从而使SiC器件与传统器件相比优势明显，一致被认为是最具潜力的半导体器件。但是，SiC材料的一些独特性质也为其工艺制造技术带来了新的要求。由于SiC材料的杂质扩散系数较低，使得离子注入成为SiC器件选区掺杂的最佳办法。但是注入到SiC材料内部的杂质离子基本处于晶格间隙位置，为了让这些杂质离子替位到晶格点位置上，需要对离子注入后的SiC材料进行高温激活退火，退火温度对于N型杂质一般高于1400°C，P型为1600°C -1800°C。在这样高的退火温度下，SiC中的硅会挥发再沉积，导致退火后的晶圆表面出现台阶簇，使得晶圆表面形貌变差，从而严重影响器件性能。
[0003]为了解决这一问题，高温激活退火时一般会在SiC晶圆表面覆盖一层保护层，从而抑制硅的挥发和沉积。目前应用最为广泛的保护层是碳保护膜，这是因为①碳与SiC不会在高温下发生反应；②碳保护膜具有一定硬度，有效抑制SiC中硅的析出；③高温激活退火之后，碳保护膜可以通过氧化等方法有效去除，不会对器件性能造成影响。
[0004]目前比较常用的碳保护膜形成方法是光刻胶碳化法。如专利CN102386100B中记载:方法为首先将光刻胶旋涂在SiC晶圆上；之后利用烘箱烘焙带有光刻胶的SiC晶圆，使得光刻胶中的溶剂部分挥发；最后在高温炉中将带有光刻胶的SiC晶圆加热至一定温度，使得光刻胶中的有机物碳化形成碳膜。但由光刻胶形成的碳保护膜存在以下问题:
[0005]首先，光刻胶除了含有树脂、感光物质PAC和溶剂三种主要成分之外，还含有稳定剂、阻聚剂、粘度控制剂、染料及增塑剂等多种成分。上述成分中除了含有C、H、0元素之外，还可能含有N、P等元素甚至金属元素。也就是说光刻胶作为碳保护膜的成膜物质，其本身并不纯净，这导致形成的碳保护膜也不纯净。不纯的碳保护膜的保护作用将大打折扣，或者导致碳保护膜的重复性变差；而且一般的碳保护膜去除方法可能无法去除碳保护膜中的杂质，导致碳保护膜残留，从而严重影响器件性能及成品率；带有不纯净碳保护膜的SiC晶圆在高温激活退火过程中可能会对激活退火设备造成污染。
[0006]其次，光刻胶碳化形成的碳保护膜中碳碳之间的结合方式并不确定，这样的碳保护膜在经历1800°C的高温激活退火之后，碳碳之间的结合方式可能发生变化，从而使碳膜出现孔洞或裂纹，这将严重影响碳保护膜的保护效果，甚至可能导致碳保护膜失去保护作用。
[0007]再次，光刻胶碳化形成碳保护膜的过程需要先经历烘焙使得光刻胶中的溶剂充分挥发，之后又需要在800-900°C的高温下处理5-10min，才能形成碳保护膜，其工艺复杂，形成的碳保护膜保护能力受工艺影响严重。
[0008]综上所述，光刻胶的不纯净性导致光刻胶碳化形成的碳保护膜保护效果差、难完全去除并且易污染激活退火设备；光刻胶碳化形成的碳保护膜中碳碳结合方式的不确定性导致碳保护膜的高温稳定性差，从而严重影响保护效果；另外，光刻胶碳化形成的碳保护膜工艺复杂，工艺实现难度大。
[0009]针对光刻胶碳化形成碳保护膜的上述缺点，本发明将碳纳米管作为成膜材料，得到高质量碳保护膜应用于SiC功率器件。该碳保护膜制备工艺简单，且具有较佳的保护效果，不污染设备且工艺简单。
【发明内容】
[0010]本发明提供了一种用于SiC功率器件的碳保护膜的制备方法，得到的碳保护膜的纯度高、高温稳定性好。
[0011]本发明还提供了所述碳保护膜在SiC功率器件中的应用，可以有效地保护高温激活退火过程中SiC晶圆的表面形貌。
[0012]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0013]本发明提供的用于SiC功率器件的碳保护膜的制备方法，包括:将碳纳米管置于酸液中加热，将得到的具有亲水性的碳纳米管置于水中进行超声分散，然后在SiC晶圆表面旋涂成膜，最后通过烘焙使溶剂完全挥发。
[0014]在本上下文中，术语“碳纳米管”是一种具有特殊结构的一维量子材料。其径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级。主要是由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离约0.34nm，直径一般为2?20nmo
[0015]在本发明的一个实施例中，所述制备方法为:
[0016]I)将碳纳米管在50°C?60°C的酸液中加热2?5h，对碳纳米管进行酸氧改性，得到具有亲水性的碳纳米管。
[0017]碳纳米管表面有一定量的-COH、-C = O和-COOH基团。经过酸氧改性，其表面的亲水基团-COOH数目增多，从而使碳纳米管具有良好的亲水性。所述酸液优选为浓硫酸与浓硝酸的混合液，所述浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1至5:1。浓硝酸为质量分数大于69%的MOS级浓硝酸，浓硫酸为质量分数大于96%的MOS级浓硫酸。
[0018]本发明中，MOS级化学试剂是“金属-氧化物-半导体“ (Metal-oxide-semiconductor)电路专用的特纯试剂的简称，属于生产金属氧化物半导体电路专用的化学品，是一种高纯试剂。其纯度要求单项金属离子杂质含量均在10-7%?10-9%范围内，更重要的是控制产品内微粒杂质(即尘埃和不溶颗粒)的个数，即对于粒径大于0.5微米的颗粒，每毫升试剂中最多允许存在25个。
[0019]2)将步骤I)得到的具有亲水性的碳纳米管在水中超声分散30?60min，在本发明的一个实施例中为30min，使碳纳米管完全分散在水中，优选使用去离子水。
[0020]3)将步骤2)得到的在水中完全分散的碳纳米管旋涂于SiC晶圆表面，在95?105°C烘焙5?15min，使得碳保护膜中的溶剂水分部分挥发，再在290?310°C烘焙100?150min，使得碳保护膜中的溶剂水分完全挥发，仅留下碳纳米管在SiC晶圆表面成为碳保护膜，其厚度为0.9-1.5ym?
[0021]优选所述旋涂通过匀胶显影轨道或者手动匀胶机进行，旋涂转速为2500-4000rpm,时间为 20_40s。
[0022]在本发明的一个实施例中，所述旋涂的转速为3000rpm，时间为30s。第一次烘焙的条件为100°c烘焙lOmin，然后进行第二次烘焙，即在300°C烘焙120min，得到的碳保护膜厚度为(1±0.1) μπι。
[0023]本发明还提供了所述碳保护膜在SiC功率器件中的应用，包括对SiC晶圆进行离子注入，采用本发明提供的方法在离子注入后的SiC晶圆表面制备所述碳保护膜，然后高温退火激活注入离子，最后除去所述碳保护膜。一般地，所述高温退火的温度为1600?1800。。。
[0024]以SiC肖特基势皇二极管(Schottky Barrier D1de, SBD)的制备为例，首先对SiC晶圆进行标记刻蚀，然后在刻蚀后的SiC晶圆上形成离子注入掩膜，对SiC晶圆进行离子注入，之后除去离子注入掩膜，在SiC晶圆上形成碳保护膜，进行高温退火以激活注入离子，最后通过热氧化法等方法除去所述碳保护膜。
[0025]本发明将碳纳米管形成的碳保护膜应用于SiC功率器件，优势如下:
[0026]①碳纳米管的硬度很大，与金刚石相当，将其作为成膜材料能够阻止高温退火过程中，SiC晶圆表面Si的析出；
[0027]②在高温处