專利名稱：通過受控退火制造碳化硅功率器件的方法
發明的領域本發明涉及制造功率器件的方法，特別涉及制造碳化硅功率器件的方法。
發明的背景功率器件已廣泛應用于運載大電流和支持高電壓。現代功率器件一般由單晶硅半導體材料制造。一種廣泛應用的功率器件是功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)。在功率MOSFET中，控制信號加于通過可以是二氧化硅但并不限于此的中間隔離層與半導體表面隔開的柵極上。電流通過主要載流子的輸運發生傳導，同時不存在用于雙極晶體管工作的少數載流子注入。功率MOSFETs可以提供優異的安全工作區，可以按單元結構并聯。
如所屬領域技術人員所公知的，功率MOSFETs可以包括橫向結構或縱向結構。在橫向結構中，漏、柵和源端在襯底的同一表面上。相反，在縱向結構中，源和漏在襯底的相對表面上。
一種廣泛應用的硅功率MOSFET是利用雙擴散工藝制造的雙擴散MOSFET(DMOSFET)。這些器件中，p-基區和n+源區通過掩模中的同一開口擴散。p-基區再擴散得比n+源區深。p-基區和n+源區間橫向擴散的不同形成的表面溝道區。在1996年由PWS Publishing Company出版、由B.J.Baliga撰寫的、名為"Power Semiconductor Device"的教科書中，具體在第7章，"Power MOSFET"中，可以發現對包括DMOSFET的功率MOSFET的回顧，這里全文引用該文獻。
近年來在功率器件方面的研究還包括碳化硅(SiC)器件應用于功率器件的研究。與硅相比，碳化硅具有寬帶隙、高熔點、低介電常數、高擊穿場強、高熱傳導性和高飽和電子漂移速度。這些特征允許碳化硅功率器件可以在比常規硅基功率器件高的溫度下、高的功率和低的電阻率下工作。在Bhatnagar等人的“Comparison of 6H-SiC,3C-SiC andSi for Power Devices(對功率器件用6H-SiC,3C-SiC和Si的比較)”IEEE Transactions on electron Device,vol.40,1993 pp.645-655中，有對碳化硅器件比硅器件優異的理論分析。在授予Palmour、題為“Power MOSFET in Silicon Carbide(碳化硅中的功率MOSFET)”的美國專利5506421中，介紹了用碳化硅制造的功率MOSFET，該專利現已轉讓給本發明的受讓人。
雖然有這些潛在的優點，但仍然很難用碳化硅制造包括功率MOSFET在內的功率器件。例如，如上所述，雙擴散MOSFET(DMOSFET)一般利用雙擴散工藝制造在硅上，其中p-基區再擴散得比n+源區深。不幸的是，在碳化硅中，常規p和n型摻雜劑的擴散系數比硅小，所以利用可以接受的擴散時間和溫度，難以得到需要的p-基區和n+源區的深度。也可以用離子注入注入p-基區和n+源區。例如，參見Shenoy等人的“High-Voltage Double Implanted Power MSOFET’s in 6H-SiC(6H-SiC中的高壓雙注入功率MSOFET)”，IEEE Electron Device Letters,Vol.18,No.3,1997年3月，pp.93-95。然而，很難控制離子注入區的深度和橫向延伸范圍。另外，需要形成包圍源區的表面溝道，所以需要用兩個不同的注入掩模。因此，很難對準p-基區和源區，因而可能對器件性能有不良影響。
于1998年1月22日公開的PCT國際申請WO98/02916中介紹了一種制造在其橫向相對側邊上在碳化硅層中具有摻雜n型區的摻雜P溝道區層的方法，用于制造電壓控制的半導體器件。掩蔽層設于n型輕摻雜的碳化硅層上。在掩蔽層中腐蝕出延伸到碳化硅層的孔。n型摻雜劑注入到由孔限定的碳化硅層區域中，在該區域下面的碳化硅層表層中得到高摻雜濃度的n型區。在由該孔限定的碳化硅層區域中，注入在碳化硅中擴散率比n型摻雜劑高得多的p型摻雜劑，從而保持近表層的摻雜類型。然后，在使注入到近表層的p型摻雜劑擴散到n型輕摻雜的碳化硅層包圍區中的溫度下，加熱碳化硅層，從而形成橫向到達重摻雜n型表層，并位于該層和碳化硅層的n型輕摻雜區之間的p型摻雜劑為主的溝道區層。如該國際申請中所介紹的，在高于1650℃低于1800℃的溫度下進行加熱。
發明的概述本發明提供一種制造碳化硅功率器件的方法，掩蔽碳化硅襯底的表面，在襯底中限定開口，通過該開口，以能夠形成深p型注入的注入能量和劑量，向碳化硅襯底中注入p型摻雜劑，通過該開口，以能夠相對于深p型注入形成淺n型注入的能量和劑量，向碳化硅襯底中注入n型摻雜劑。根據本發明，在低于1650℃但較好高于約1500℃的溫度下，退火深p型注入和淺n型注入。退火時間較好在約5分鐘至約30分鐘。已發現，通過在高于約1500℃但低于1650℃的溫度下退火，深p型注入橫向擴散到包圍淺n型注入的碳化硅襯底的表面，而不會使p型注入穿過淺n型注入縱向擴散到達碳化硅襯底的表面。
根據本發明的另一方面，還可以控制從室溫到退火溫度的升溫時間。具體說，在退火前，碳化硅襯底的溫度在少于約60分鐘但多于約20分鐘的時間內，從低于約500℃升高到約1400℃。更具體說，碳化硅襯底的溫度在少于100分鐘但多于30分鐘的時間內，從室溫升高到低于1650℃的退火溫度。所以，碳化硅襯底的溫度相當快地升高，可以防止碳化硅襯底中的退火缺陷，可以防止深p型注入橫向擴散到包圍淺n型注入的碳化硅襯底的表面，同時不會使深p型注入穿過淺n型注入擴散到碳化硅襯底的表面。
根據本發明的再一方面，發現較好是控制退火后降溫的時間，從而保持擴散的p型注入。具體說，退火后，碳化硅襯底的溫度迅速下降到低于約1500℃。更具體說，碳化硅襯底的溫度在約2分鐘時內，從退火溫度下降到低于1500℃。因此，通過控制升溫時間、退火時間和/或溫度和/或降溫時間，可以制造高性能碳化硅功率器件。
應理解，注入p型摻雜劑的步驟可以在注入n型摻雜劑步驟之前進行。或者，首先注入n型摻雜劑，然后例如通過退火電激活。然后，注入p型摻雜劑。還應理解，用于碳化硅的n型摻雜劑一般包括氮，用于碳化硅的p型摻雜劑一般包括硼或鈹。目前優選鈹用于本發明的深p型注入，是由于鈹可以較深得注入，同時仍能夠形成與碳化硅襯底的突變結。
根據本發明的再一方面，在碳化硅襯底的表面任選地注入鋁阱，與橫向擴散的p型注入電接觸。鋁阱延伸穿過淺n型注入，電接觸橫向擴散的p型注入。另外，鋁阱可以形成在橫向擴散的p型注入外，并與之電接觸。應理解，鋁阱可以在淺和深注入完成后或在注入淺和深注入前進行注入。
根據本發明，通過向與橫向擴散p型注入隔開的碳化硅襯底的表面注入n型摻雜劑，限定漏區，可以制造橫向MOSFETs。柵絕緣區形成在碳化硅襯底的表面上，在碳化硅襯底表面與橫向擴散的p型注入接觸。源接觸、漏接觸和柵接觸分別形成在淺n型注入和鋁阱內、漏區上和柵絕緣區上。
根據本發明，通過在碳化硅襯底表面上形成柵絕緣區，使之在碳化硅襯底表面上與橫向擴散的p型注入接觸，可以形成縱向MOSFETs。源接觸、漏接觸和柵接觸分別形成于淺n型注入和鋁阱上，與源接觸相對的碳化硅襯底的第二表面上及柵絕緣層上。因此，通過控制升溫時間、退火時間和/或溫度和/或降溫時間，可以制高性能碳化硅功率器件。
附圖簡介

圖1A-1G是根據本發明制造碳化硅橫向功率MOSFETs的方法的剖面圖。
圖2是圖1G的俯視圖。
圖3A-3G是根據本發明制造碳化硅縱向功率MOSFET的方法的剖面圖。
圖4是圖3G的俯視圖。
圖5是展示退火期間硼擴散的曲線圖。
圖6和7是展示退火期間鈹擴散的曲線圖。
圖8是退火期間氮和硼擴散的曲線圖。
圖9是退火時間恒定、退火溫度可變條件下退火期間氮和硼擴散的曲線圖。
圖10是退火溫度恒定、退火時間可變條件下退火期間氮和硼擴散的曲線圖。
圖11是退火溫度和時間都恒定、升溫時間可變條件下退火期間氮和硼擴散的曲線圖。
圖12是非線性升溫的曲線圖。
優選實施例的具體介紹下面結合其中展示了本發明優選實施例的附圖更充分地介紹本發明。然而，本發明可以按許多不同形式實施，不應認為本發明限于這里所記載的實施例；提供這些實施例目的在于完全徹底公開本發明，向所屬領域技術人員充分傳達本發明的范圍。附圖中，為清楚起見放大了各層和區的厚度。整個說明書中類似的數字表示類似的部分。應理解，在例如層、區或襯底等部分稱作“on”另一部分，可以是直接位于另一部分上或可以存在中間部分；相反，在某一部分稱作“directly on”另一部分，是指不存在中間部分。
參見圖1A-1G，下面介紹根據本發明制造一對橫向功率MOSFET的方法。由于橫向功率MOSFETs采用自對準注入和擴散，所以碳化硅橫向功率MOSFETs也稱作橫向注入擴散MOSFETs或LIDMOSFETs。
參見圖1A，提供例如半絕緣襯底等襯底100，其上有n-漂移區102。所屬領域的技術人員應理解，襯底100可以包括摻雜或未摻雜的碳化硅或晶格與碳化硅匹配的任何其它材料，包括但不限于氮化鎵。襯底100優選是半絕緣的，防止相鄰器件間通過襯底100縱向導電。
N-型漂移區102可利用外延淀積、注入或其它常規技術形成。應理解，襯底100和n-漂移區102也可以統稱作襯底。n-漂移區102的載流子濃度可以為約1012cm-3至1017cm-3，厚度可以為約3微米至約500微米。襯底100的厚度可以為100微米至500微米。襯底100和n-漂移區102的制造對于所屬領域的技術人員來說都是公知的，這里無需贅述。
參見圖1B，在n-漂移區102的表面102a上構圖第一掩模104。第一掩模104可由二氧化硅或其它常規掩蔽材料構成。如圖1B所示，第一掩模104限定暴露n-漂移區102的表面102a的一部分的開口。如圖1B所示，通過表面102a，任意地向漂移區102注入p型離子，較好是鋁離子106，從而在漂移區102中形成任意的p+阱108。如以后將介紹的，p+阱108可以改善與p型擴散區的歐姆接觸。然后，去掉第一掩模104。
參見圖1C，在n-漂移區102上構圖由二氧化硅或其它常規掩蔽材料構成的第二掩模112，在漂移區上限定第一對開口114a和114b，其分別位于p+阱108的相對側上。然后，通過第一對開口114a和114b，向n-漂移區102注入例如硼或鈹離子116等p型摻雜劑，從而在p+阱108的相對側上形成一對深p+注入118a、118b。如以下將介紹的，由于鈹可以形成與漂移區102的突變結，所以深p+注入優選用鈹。還應理解，深p+注入118a、118b可利用一個注入和劑量形成，例如通過以180keV的能量，以4×1015cm-2的劑量注入，提供約1016cm-3的載流子濃度。也可以以40keV的能量，以3.2×1015cm-2的劑量注入鈹。或者，可以采用多種劑量和/或能量。
參見圖1D，不去掉第二掩模112，通過第一和第二開口114a和114b，注入例如氮等n型離子122，形成一對淺n+注入124a、124b。可以采用一種或多種注入，如以下所述。可以提供大于約1018cm-3的載流子濃度。應理解，由于圖1C的深p+注入和圖1D的淺n+注入使用相同的第二掩模112，所以這些注入可以自對準。
參見圖1E，去掉第二掩模112，形成第三掩模126。如圖1E所示，可以由二氧化硅或其它常規掩蔽材料構成的第三掩模126在漂移區102的表面102a上限定第二對開口128a、128b。第二對開口128a、128b與各淺n型注入124a、124b隔開，并與p+阱108相對。
再參見圖1E，通過第二對開口128a、128b，向n-漂移區102注入例如氮等p型摻雜劑130，形成一對n+漏區134a、134b。然后，去掉第三掩模126。
所屬領域的技術人員應理解，圖1B、1C、1D和1E的步驟順序可以改變。所以，例如，可以在形成圖1C的深p+注入118a、118b之后，形成圖1B的p+阱108，也可以在形成圖1D的淺n+注入124a、124b后形成。圖1B的p+阱也可以在圖1E的n+漏區134a、134b形成后形成。另外，圖1C的深p+注入118a、118b可以在形成圖1D的淺n+注入124a、124b后形成。如果是這種情況，則較好在注入了淺n+注入124a、124b后，在掩模能允許、且足以電激活n型摻雜劑的溫度和時間下進行退火。
圖1E的n+漏區134a、134b也可以在形成圖1D的淺n+注入124a、124b、圖1C的深p+注入118a、118b和/或圖1B的p+阱108之前形成。n+漏區134a、134b也可以與圖1D的淺n+區124a、124b同時注入。如果n+漏區134a、134b與淺n+注入124a、124b同時注入，則可以在第二掩模112中形成第二對開口128a、128b，從而能夠同時注入。
參見圖1F，在足以使深p型注入118a、118b橫向擴散到包圍各淺n型注入124a、124b的碳化硅襯底的表面102a的溫度和時間下進行退火，同時不使各深p型注入通過各淺n型注入124a、124b縱向擴散到碳化硅襯底的表面。例如，較好是深p型注入到淺n型注入124a、124b的縱向擴散小于淺n型注入124a、124b的厚度的0.5％。例如，可以在約1600℃下，進行5分鐘退火，使深p型注入擴散約1微米。然而，也可以采用其它退火溫度和時間。例如，可以用在約1500℃-約1600℃間的退火溫度和約1分鐘-30分鐘的退火時間，使硼從深p型注入在縱向和橫向擴散約0.5微米-3微米的距離。
因此，通過如箭頭142所示，遠離表面102a縱向，如箭頭144所示，向著表面102a橫向和縱向，從深p+注入118a、118b擴散p+摻雜劑，形成一對p+擴散區136a、136b。如箭頭144所示，橫向擴散圍繞淺n+注入124a、124b擴散到與p+阱108相對的漂移區的表面102a。如區136c所示，也可以發生到p+阱108的橫向擴散，從而進一步改善歐姆接觸。
最后，參見圖1G，形成絕緣柵及源和漏接觸。例如，可通過地毯式淀積鎳，然后構圖地毯式淀積的鎳，形成源接觸146和一對隔開的漏接觸147a、147b。圖1G中，源接觸146標記為S，漏接觸147a、147b標記為D1和D2。如圖1G所示，源接觸提供在淺n+注入124a、124b上和p+阱108上延伸的公用源接觸。漏接觸147a、147b分別電接觸n+漏134、134b。
繼續圖1G的介紹，在n-漂移區102的表面上形成一對柵絕緣區148a、148b，例如二氧化硅，每一個區與已橫向擴散到n-漂移區102的表面的p+擴散區136a、136b的一部分接觸，與p+阱108相對。于是，這些區在碳化硅襯底的表面在橫向擴散p型注入中形成一對溝道區150a、150b。因而形成與源區對準的自對準溝道區。然后，在柵絕緣對148a、148b上形成一對柵接觸152a、152b。圖1G中柵接觸標記為G1和G2，可以包括鎳。
還應理解，形成圖1G所示的絕緣區和接觸可以按與上述不同的順序形成。例如，可以與源接觸146和漏接觸147a、147b同時形成柵接觸152a、152b。優選柵接觸152a、152b在形成源接觸146和漏接觸147a、147b之前形成。
圖2是圖1G的完成器件的俯視圖。如圖所示，形成一對共源極LIDMOSFET。應理解，可以在碳化硅襯底上復制這對共源極LIDMOSFET，從而形成單元陣列。另外，如果需要不包括公共源極的單元，則可以復制圖1A-1G的左邊一半或右邊一半。
參見圖3A-3G，下面介紹根據本發明形成碳化硅縱向功率MOSFETs的方法。由于這些縱向功率MOSFETs是利用注入和擴散制造的，所以這里也稱它們為碳化硅縱向注入擴散MOSFETs(VIDMOSFETs)。
參見圖3A，提供包括n-漂移區102的碳化硅襯底100’。由于圖3A-3G示出了通過襯底導通的縱向MOSFET的制造方法，所以襯底100’較好是利用已知技術制造的n+導電類型的碳化硅襯底。n+導電類型的碳化硅襯底可以具有約1016cm-3至1019cm-3的載流子濃度。n-漂移區102也可以象圖1A所述的那樣制造。還應理解，如先前所述，n+襯底100’和n-漂移區102的組合也可以稱作襯底。
參見圖3B，在碳化硅襯底表面102a，向漂移區102注入一對隔開的p+阱108a、108b。一對隔開的p+阱108a、108b按圖1D所示的方式利用包括一對開口的第一掩模104’注入到漂移區102的表面102a中。也如所述，p+阱較好通過注入鋁離子106形成。
所屬領域的技術人員應理解，縱向碳化硅MOSFETs一般按單元重復。因此，將介紹線110a、和110b間的單元，圖3B-3G中和4中標示出了該單元。為方便展示，未示出線110a和110b外的重復單元。
參見圖3c，象圖1c所示的那樣，形成一對開口114a、114b，除改進的第二掩模112’用于在一對鋁阱108a、108b之間形成這些開口外。然后，象圖1C示的那樣，注入硼更好是鈹離子116，形成深p+注入118a、118b。
參見圖3D，像已結合圖1D介紹的那樣，利用第二掩模102’，例如用氮離子122注入淺n+注入124a、124b。
參見圖3E，按圖1F所示的那樣進行退火。應理解，由于圖3A-3G示出了縱向MOSFET的制造方法，所以可以省去圖1E所示的一對n+漏134a、134b的制造步驟。還應理解，象圖1B-1F所示的那樣，制造p+阱108a、108b、深p+注入118a、118b、和淺n+注入124a、124b的順序可以改變。
參見圖3F，在淺n型注入124a、124b上形成一對例如包括鎳的源接觸146a、146b，并在p-阱108a、108b上與之相鄰延伸，就象圖1G所示的那樣。在碳化硅襯底100的與n-漂移區102相對的面上形成漏接觸147。漏接觸147較好也包括鎳。
最后，如圖3G所示，在漂移區102的表面102a上形成柵絕緣區148，該區在擴散到碳化硅襯底表面的深p型注入136a、136b間和之上延伸，包圍各淺n型注入。因此，這些區在淺n型注入之間的碳化硅襯底表面102a上，在橫向擴散的p型注入中，形成一對溝道區150a、150b。在柵絕緣區148上形成例如包括鎳的柵接觸152。如圖1G所示的那樣，形成柵絕緣區148及源、漏和柵接觸的順序可以改變。
圖4是已完成結構的俯視圖。圖中未示出下表面上的漏接觸。
下面介紹對本發明制造碳化硅功率器件的一些附加考慮。
圖1B-1G的p+阱108和圖3B至3G的108a、108b可以這樣形成，利用以25keV的能量和2×1015cm-2的劑量的第一鋁注入，和以90keV的能量和4×1015cm-2的劑量的第二鋁注入，通過室溫或高溫下的注入，形成深為0.1微米，載流子濃度為5×1020cm-3的鋁阱。圖1C-1G和圖3C-3G的深p+區118a、118b可以這樣形成，在室溫下，以450keV的第一能量和3.2×1014cm-2的劑量，和以370keV的第二能量和1.5×1014cm-2的劑量，通過注入硼制造激活的摻雜劑濃度NA為2×1018cm-3，深度為0.4微米-1.0微米。還在碳化硅襯底的表面上，包圍淺n型注入，形成2×1018cm-3的激活摻雜劑濃度NA。最后，可以在室溫下，利用四次氮的注入，制造圖1D-1G和圖3D-3G的淺n+注入124a、124b。第一注入以25keV的能量和3×1014cm-2的劑量進行。第二、第三和第四注入分別以60keV、120keV和200keV的能量和6×1014cm-2、8×1014cm-2和1×1015cm-2的劑量進行。以形成載流子濃度為1×1020cm-3、深為0-0.4微米的淺n+區。在1600℃退火5分鐘后，在襯底表面102a上形成寬度為0.3微米的圖1G和3G所示溝道區150a、150b。p+擴散區136a、136b的深度可以從襯底表面102a延伸1.5微米。
如上所述，由于鈹可以與漂移區102形成突變結，所以深p+注入優選用鈹。圖5和6比較了退火后硼和鈹的擴散情況。
更具體說，圖5示出了對于硼來說，在室溫下，以180keV的能量和4×1015cm-2的劑量，注入到4H-SiC，提供2.3×1015cm-3的硼載流子濃度時，硼濃度與深度的關系。在1500℃退火10分鐘。如圖5所示，退火后，所注入的硼擴散，僅逐漸下降。
相反，如圖6所示，在室溫下，以40keV的能量和3.2×1015cm-2的劑量，在4H-SiC中注入鈹，提供1×1019cm-3的鈹濃度。如圖6所示，在1500℃退火10分鐘后，所注入的鈹在約1000nm處，以基本恒定的載流子濃度快速下降。因此，對于鈹來說，可以發生更深更均勻的擴散，與硼相比，可以與漂移區形成突變結。
圖7也示出了退火期間注入的鈹的擴散情況。鈹在圖6所示的條件下注入。如圖7所示，在退火溫度從1400℃升高到1700℃且恒定的退火時間為3分鐘時，擴散深度連續增大，同時可以保持均勻，并表現為突然下降。因此，鈹優于硼。
參見圖8，該圖示出了在1650℃下，在10分鐘的退火期間內所注入的硼和氮的擴散情況。圖8中，硼在室溫下，以180keV的能量和4×1015cm-2的劑量注入。分別以25和60keV的能量和1.5×1014cm-2和2.5×1014cm-2的劑量進行兩次氮注入。如圖8所示，在1650℃下的10分鐘退火期間，只有很少氮發生擴散。然而，該退火期間大量硼擴散。然而，應注意，盡管硼擴散較深，遠離淺氮注入，但硼不會通過淺氮注入擴散到碳化硅襯底的表面。
參見圖9，下面介紹根據本發明在恒定的退火時間和變化的退火溫度下硼和氮的擴散情況。硼和氮化注入條件象圖8所示的那樣。
如圖9所示，與所注入的氮一樣，在1600℃，很少氮擴散。然而，在1650℃，氮開始擴散。圖9還示出了在1500℃或1600℃很少硼擴散到淺氮注入中。然而，在1650℃，大量硼從深硼注入擴散到淺氮注入。因此，退火較好在低于1650℃但高于1550℃的溫度下進行。退火更好在約1600℃下進行。
盡管不希望受任何工作理論的限制，但理論表明，在低于1550℃時，在合理的時間內，不能提供足夠的熱能使深p型注入擴散到包圍淺n型注入的碳化硅表面中。相反，在高于1650℃的溫度下，深p型注入通過淺n型注入向碳化硅襯底表面大量縱向擴散。這種大量縱向擴散會使器件性能下降，還會減少保留下來橫向擴散到包圍淺氮注入的碳化硅襯底表面中的硼量。因此，優選退火溫度1550℃-1650℃之間。這與已公開PCT國際申請WO98/02916截然相反，在WO98/02916中，退火溫度為1650℃-1800℃。
參見圖10，還發現，退火時間對器件性能也具有顯著影響。更具體說，圖10示出了在1600℃下，退火5分鐘、10分鐘和20分鐘時，所注入的硼與氮的擴散情況。圖10的注入條件與圖8的相同。
如圖10所示，對于1600℃下退火5分鐘來說，沒有氮擴散，少量硼擴散到淺氮注入。對于10分鐘的退火來說，盡管氮發生一定縱向擴散，硼也向淺氮注入發生一定注入，這些量不足以使器件性能下降。相反，在20分鐘退火的情況下，硼向淺氮注入發生顯著擴散。因此，優選5分鐘至15分鐘間的時間，最優選10分鐘的時間。
盡管不希望受工作理論的限制，但理論表明，退火時間長于15分鐘時，甚至在低退火溫度下，硼也會向淺氮注入大量擴散。另外，對于少于5分鐘的退火時間來說，硼從深p型注入少量擴散，不足以形成提供向襯底表面橫向擴散的p+擴散區。
參見圖11，還發現，到退火溫度的升溫時間對硼從深p型注入到淺n型注入的擴散有顯著影響。更具體說，圖11示出了從室溫到1460℃的升溫時間35分鐘、40.3分鐘、48.1分鐘，和升高到1600℃的41分鐘、46分鐘和55分鐘的情況。圖10的注入條件與圖8相同，退火在1600℃下進行10分鐘。
如圖11所示，升溫時間為55分鐘時，深硼注入很少向淺氮注入擴散。相對，在升溫時間為46分鐘時，大量硼從深p型注入擴散到淺氮注入。在升溫時間為41分鐘時，發生更多擴散。
因此，碳化硅襯底的溫度較好在少于1OO分鐘但更好多于30分鐘的時間內從室溫升高到退火溫度。盡管不希望受工作理論的限制，但理論表明對于少于30分鐘的升溫時間來說，碳化硅襯底中出現退火缺陷，因而允許硼從深p型注入擴散到淺n型注入。鑒于此，最重要的是將500℃-1460℃的溫度控制在20-60分鐘內，以防止碳化硅襯底中的退火缺陷。低于500℃時，幾乎不發生擴散。在1400℃和退火溫度之間，時間間隔較好控制在1到15分鐘之間。
應理解，可以采用線性升溫。或者，可采用非線性升溫。圖12示出了圖11的升溫時間35、40.3和48.1分鐘情況下的非線性升溫分布。提供了從室溫到1460℃和1600℃的不同斜率。在最優選的實施例中，采用55分鐘的升溫時間、1600℃的退火溫度和10分鐘的退火時間。
還發現，根據本發明，碳化硅襯底的溫度應快速下降(降溫)到低于1500℃，以防止退火完成后的進一步擴散。碳化硅襯底的溫度較好是在少于2分鐘的時間內，從退火溫度下降到1500℃。所以，通過控制升溫時間、退火時間和/或溫度和/或降溫時間，可以制造高性能碳化硅功率器件。
因此，可利用自對準的源和p-基區及均勻的p-溝道，制造高性能碳化硅功率器件。可以在襯底的整個表面上橫向形成反型層。對于低閾值電壓和較高激活的注入n+源來說，可以實現p-基區的逆向分布。由于不必用鋁作p-基區，所以可以實現較高質量和/或較薄的柵氧化區，因而可以進一步降低閾值電壓。
另外，p-基區處不必存在強電場，所以可以避免與散射或場強有關的問題。在n+氧化物中不必存在尖角，所以可以減少導通態工作時熱電子的注入。由于擴散溝道可以提供沒有反應離子腐蝕損傷的碳化硅/二氧化硅界面，從而提供低界面俘獲密度和固定電荷，所以可以使溝道具有高遷移率。
最后，通過省去了至少一個掩模，并提供自對準，可以降低嚴密對準容差的要求，所以可以簡化制造。因此，可以提供制造碳化硅功率器件的改進方法。
在附圖和說明書中，公開了本發明的典型優選實施例，盡管使用了特定術語，但它們僅用于一般意義上的描述，并非為了限制，本發明的范圍記載了以下的權利要求書中。
權利要求
1．一種制造碳化硅功率器件的方法，包括以下步驟掩蔽碳化硅襯底的表面，在表面限定開口；以形成深p型注入的注入能量和劑量，通過所說開口向碳化硅襯底注入p型摻雜劑；以相對于深p型注入形成淺n型注入的注入能量和劑量，通過所說開口向碳化硅襯底注入n型摻雜劑；在低于1650℃的溫度下退火深p型注入和淺n型注入。
2．根據權利要求1的方法，其中退火步驟包括在高于1500℃但低于1650℃的溫度下退火的步驟。
3．根據權利要求2的方法，其中退火步驟還包括在高于約1500℃但低于約1650℃的溫度下，以約5分鐘至約30分鐘的時間退火的步驟。
4．根據權利要求1的方法，其中退火步驟以前是以少于約60分鐘但多于約20分鐘的時間，將碳化硅襯底的溫度從低于約500℃的溫度升高到約1400℃的步驟。
5．根據權利要求1的方法，其中退火步驟以前是以少于約100分鐘但多于約30分鐘的時間，將碳化硅襯底的溫度從約室溫升高到低于1650℃的退火溫度的步驟。
6．根據權利要求1的方法，其中退火步驟以前是非常迅速地將碳化硅襯底的溫度從約室溫升高到低于1650℃的退火溫度的步驟，從而防止碳化硅襯底中產生退火缺陷。
7．根據權利要求6的方法，其中升溫步驟包括將碳化硅襯底的溫度非常迅速地從室溫非線性升高到低于1650℃的退火溫度的步驟，從而防止碳化硅襯底中產生退火缺陷。
8．根據權利要求1的方法，其中退火步驟后是迅速將碳化硅襯底的溫度降至低于約1500℃的步驟。
9．根據權利要求8的方法，其中迅速降溫的步驟包括在少于2分鐘的時間內將碳化硅襯底的溫度從低于1650℃的退火溫度降低到低于約1500℃的步驟。
10．根據權利要求1的方法，其中在低于1650℃的退火步驟進行一定時間，該時間足以使深p型注入橫向擴散到包圍淺n型注入的碳化硅襯底的表面，同時不會使深p型注入通過淺n型注入縱向擴散到碳化硅襯底表面。
11．根據權利要求1的方法，其中注入p型摻雜劑的步驟在注入n型摻雜劑的步驟之前。
12．根據權利要求1的方法其中注入n型摻雜劑的步驟在注入p型摻雜劑的步驟之前；其中在注入n型摻雜劑和p型摻雜劑的步驟之間進行以下步驟電激活n型摻雜劑。
13．根據權利要求1的方法其中注入p型摻雜劑的步驟包括以形成深p型注入的多個注入能量和劑量，通過所說開口向碳化硅襯底注入p型摻雜劑的步驟；及其中注入n型摻雜劑的步驟包括以相對于深p型注入形成淺n型注入的多個注入能量和劑量，通過所說開口向碳化硅襯底注入n型摻雜劑的步驟。
14．根據權利要求13的方法其中注入p型摻雜劑的步驟包括通過所說開口向碳化硅襯底注入硼，從而形成深p型注入的步驟；及其中注入n型摻雜劑的步驟包括通過所說開口向碳化硅襯底注入氮，從而相對于深p型注入形成淺n型注入的步驟。
15．根據權利要求13的方法其中注入p型摻雜劑的步驟包括通過所說開口向碳化硅襯底注入鈹，從而形成深p型注入的步驟；及其中注入n型摻雜劑的步驟包括通過所說開口向碳化硅襯底注入氮，從而相對于深p型注入形成淺n型注入的步驟。
16．根據權利要求10的方法，還包括在碳化硅襯底表面形成鋁阱，電接觸橫向擴散的p型注入的步驟。
17．根據權利要求10的方法，還包括以下步驟與橫向擴散的p型注入隔開，向碳化硅襯底的表面注入n型摻雜劑，從而限定漏區；在碳化硅襯底的所說表面上形成柵絕緣區，使之在碳化硅襯底的所說表面接觸橫向擴散p型注入；及分別在淺n型注入和鋁阱上、在漏區和柵絕緣區上形成源接觸、漏接觸和柵接觸，從而形成橫向MOSFET。
18．根據權利要求10的方法，還包括以下步驟在碳化硅襯底的所說表面上形成柵絕緣區，使之在碳化硅襯底的所說表面與橫向擴散的p型注入接觸；及分別在淺n型注入和鋁阱上、在與源接觸相對的碳化硅襯底的第二表面上及柵絕緣區上形成源接觸、漏接觸和柵接觸，從而形成縱向MOSFET。
19．根據權利要求16的方法，其中形成鋁阱的步驟包括在碳化硅襯底表面形成鋁阱的步驟，鋁阱延伸穿過淺n型注入，并電接觸橫向擴散p型注入。
20．根據權利要求16的方法，其中形成鋁阱的步驟包括在碳化硅襯底表面形成鋁阱的步驟，所說鋁阱在橫向擴散p型注入的外部并與橫向擴散p型注入電接觸。
21．一種制造碳化硅功率器件的方法，包括以下步驟掩蔽碳化硅襯底的表面，在該表面限定開口；以形成深p型注入的注入能量和劑量，通過所說開口向碳化硅襯底注入p型摻雜劑；以相對于深p型注入形成淺n型注入的注入能量和劑量，通過所說開口向碳化硅襯底注入n型摻雜劑；在少于約100分鐘但多于約30分鐘的時間內，將碳化硅襯底的溫度從室溫升高到低于1650℃的溫度；及退火深p型注入和淺n型注入。
22．根據權利要求21的方法，其中升溫步驟包括在少于約60分鐘但多于30分鐘的時間內，將碳化硅襯底的溫度從低于500℃的溫度升高到約1400℃的步驟。
23．根據權利要求21的方法，其中升溫步驟包括在少于約100分鐘但多于約30分鐘的時間內，將碳化硅襯底的溫度從室溫線性或非線性升高到低于1650℃的溫度的步驟。
24．根據權利要求21的方法，其中退火步驟包括在低于1650℃的溫度下退火深p型注入和淺n型注入的步驟。
25．根據權利要求24的方法，其中退火步驟包括在高于1550℃但低于1650的溫度下退火的步驟。
26．根據權利要求25的方法，其中退火步驟還包括在約5分鐘到約30分鐘時間內，在高于約1550℃但低于1650℃的溫度下退火的步驟。
27．根據權利要求21的方法，其中退火步驟進行一定時間，該時間足以使深p型注入橫向擴散到包圍淺n型注入的碳化硅襯底的表面，但不會使深p型注入通過淺n型注入縱向擴散到碳化硅襯底的表面。
28．根據權利要求21的方法，其中退火步驟之后是將碳化硅襯底的溫度迅速降低到低于約1500℃的步驟。
29．根據權利要求28的方法，其中迅速降溫的步驟包括在少于2分鐘的時間內，將碳化硅襯底的溫度從低于1650℃的退火溫度降低到低于約1500℃的步驟。
30．根據權利要求21的方法，其中注入p型摻雜劑的步驟在注入n型摻雜劑的步驟之前。
31．根據權利要求21的方法其中注入n型摻雜劑的步驟在注入p型摻雜劑的步驟之前；其中在注入n型摻雜劑和p型摻雜劑的步驟之間進行以下步驟電激活n型摻雜劑。
32．根據權利要求21的方法其中注入p型摻雜劑的步驟包括以形成深p型注入的多個注入能量和劑量，通過所說開口向碳化硅襯底注入p型摻雜劑的步驟；及其中注入n型摻雜劑的步驟包括以相對于深p型注入形成淺n型注入的多個注入能量和劑量，通過所說開口向碳化硅襯底注入n型摻雜劑的步驟。
33．根據權利要求32的方法其中注入p型摻雜劑的步驟包括通過所說開口向碳化硅襯底注入硼，從而形成深p型注入的步驟；及其中注入n型摻雜劑的步驟包括通過所說開口向碳化硅襯底注入氮，從而相對于深p型注入形成淺n型注入的步驟。
34．根據權利要求32的方法其中注入p型摻雜劑的步驟包括通過所說開口向碳化硅襯底注入鈹，從而形成深p型注入的步驟；及其中注入n型摻雜劑的步驟包括通過所說開口向碳化硅襯底注入氮，從而相對于深p型注入形成淺n型注入的步驟。
35．根據權利要求27的方法，還包括在碳化硅襯底表面形成鋁阱，電接觸橫向擴散p型注入的步驟。
36．根據權利要求35的方法，還包括以下步驟與橫向擴散的p型注入隔開，向碳化硅襯底的表面注入n型摻雜劑，從而限定漏區；在碳化硅襯底的所說表面上形成柵絕緣區，使之在碳化硅襯底的所說表面接觸橫向擴散p型注入；及分別在淺n型注入和鋁阱上、在漏區和柵絕緣區上形成源接觸、漏接觸和柵接觸，從而形成橫向MOSFET。
37．根據權利要求35的方法，還包括以下步驟在碳化硅襯底的所說表面上形成柵絕緣區，使之在碳化硅襯底的所說表面與橫向擴散的p型注入接觸；及分別在淺n型注入和鋁阱上、在與源接觸相對的碳化硅襯底的第二表面上及柵絕緣區上形成源接觸、漏接觸和柵接觸，從而形成縱向MOSFET。
38．根據權利要求35的方法，其中形成鋁阱的步驟包括在碳化硅襯底表面形成鋁阱的步驟，鋁阱延伸穿過淺n型注入，并電接觸橫向擴散p型注入。
39．根據權利要求35的方法，其中形成鋁阱的步驟包括在碳化硅襯底表面形成鋁阱的步驟，所說鋁阱在橫向擴散p型注入的外部并與橫向擴散p型注入電接觸。
全文摘要
掩蔽碳化硅襯底的表面,在襯底限定開口,通過該開口,以能夠形成深p型注入的注入能量和劑量,向碳化硅襯底中注入p型摻雜劑,并且通過該開口,以能夠相對于深p型注入形成淺n型注入的能量和劑量,向碳化硅襯底中注入n型摻雜劑,由此制造碳化硅功率器件。在低于1650℃但較好高于約1500℃的溫度下,退火深p型注入和淺n型注入。退火時間較好在約5分鐘至約30分鐘。也可以將從室溫到退火溫度的升溫時間控制在少于約100分鐘但多于約30分鐘。也可以通過在少于約2分鐘的時間內將溫度從退火溫度降低到低約1500℃控制退火后的降溫時間。通過控制升溫時間、退火時間和/或溫度和/或降溫時間,可以制造高性能的碳化硅功率器件。
文檔編號H01L21/265GK1304546SQ99807101
公開日2001年7月18日 申請日期1999年6月7日 優先權日1998年6月8日
發明者A·V·蘇沃羅夫, J·W·帕穆爾, R·辛格 申請人:克里公司