МАСКА ДЛЯ ИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ В ПЛАСТИНЫ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Полезная модель относится к области электронной техники, а более конкретно - к конструкции масок для планарной технологии изготовления полупроводниковых приборов на основе карбида кремния с использованием процессов ионного легирования.
Известны маски для ионного легирования в пластины полупроводников, состоящие из маскирующего слоя органического материала на поверхности полупроводника и сформированных в этом слое участков для легирования (наиболее полно конструкции масок для ионного легирования и проблемы их применения описаны в книге X. Риссел, И. Руге. Ионная имплантация. Пер. с нем. В.В. Климова, В.Н. Пальянова. / Под ред. М.И. Гусевой. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1983. стр.58-65.). В качестве маскирующего слоя выбирают светочувствительные лаки (фоторезисты) в котором методом фотолитографии формируют области, подлежащие легированию. В областях подлежащих легированию фоторезист удаляется. Светочувствительные лаки (фоторезисты) выбирают позитивными, т.к. они имеют высокую разрешающую способность по сравнению с негативными. Толщина слоя маски фоторезиста должна быть больше наибольшей проекции пробега ионов в слое фоторезиста. В случае если в качестве полупроводникового материала используют карбид кремния, то в одном процессе легирования применяют последовательно несколько энергий имплантации в интервале от 150 до 500 кэВ, а в отдельных случаях до 1000 кэВ. Обычной энергией имплантации для карбида кремния является энергия 400-450 кэВ. В этом случае необходимая толщина маскирующего слоя фоторезиста, например, для ионов бора, составляет около 4 мкм.
При применении таких слоев фоторезиста минимальная ширина щели для легирования получается не менее 5 мкм. Границы маскирующего слоя из-за явления дифракции света при фотолитографии и из-за проявления фоторезиста получаются не перпендикулярными плоскости карбид кремниевой пластины, а находятся под острым углом (около 60-45°) к поверхности пластины, и таким образом эффективная ширина области легирования увеличивается не менее, чем на 1 мкм на сторону. Кроме того, пластины карбида кремния прозрачны для излучения используемого в фотолитографии, и в районе границы щели происходит дополнительная засветка фоторезиста за счет полного внутреннего отражения от обратной стороны карбид кремниевой пластины, что может неконтролируемо изменить локально размеры маски фоторезиста и ухудшает воспроизводимость конфигурации ионно-легированных областей. При имплантации ионов обрабатываемый образец может разогреется и органическая маска может деформироваться и существенно изменить свои размеры. Также при использовании масок из слоев органических материалов нельзя проводить легирование примесью при нагреве пластины карбида кремния (от 500 до 900°C).
Указанные недостатки частично устранены в маске для ионного легирования в пластины карбида кремния, состоящей из маскирующего слоя неорганического материала на поверхности карбида кремния и сформированных в этом слое участков для легирования (прототип описан в книге Process technology for silicon carbide devices. - (EMIS processing series; №2) Edited by Zetterling С.M. Royal Institute of Technology, Sweden. 2002. стр.52). В качестве маскирующего слоя выбирают двуокись кремния или металлы с большой удельной массой (золото, молибден, и т.д.). Области подлежащие легированию также формируют путем вытравливания материала неорганической маски методом фотолитографии. Наиболее эффективно применение металлов в качестве маски, так как материал маски устраняет дополнительную засветку фоторезиста за счет полного внутреннего отражения от обратной стороны карбид кремниевой пластины при фотолитографии и толщина маскирующего слоя металла меньше, чем у других материалов. Например, для молибдена при использовании ионов бора с энергии 400 кэВ, толщина маски составляет около 0,5 мкм, а толщина маски из двуокиси кремния - 2,5 мкм.
Однако, хотя маски из неорганического материала имеют повышенную точность при формировании слоя фоторезиста за счет его малой толщины (обычно не более 1,2 мкм) часто бывает сложно обеспечить условия при которых металлы не взаимодействовали бы с карбидом кремния при их нанесении, например, напылением, из-за наличия теплоты конденсации, или в процессе ионного легирования из-за необходимости нагрева подложки от 500 до 900°C и не создавали глубоких уровней. Кроме того, границы маскирующего слоя при травлении маски из-за бокового растрава получаются не перпендикулярными плоскости карбид кремниевой пластины, а находятся под углом(около 60-45°) к поверхности пластины. Т.к. металлы обычно травятся изотропно, то для получения вертикальных границ маски необходимо увеличивать время травления металла маски в 1,5-2 раза, что приводит к увеличению эффективной ширины области легирования не менее, чем на 1 мкм на сторону при травлении маски толщиной 0,5 мкм.
Целью данной полезной модели является получения воспроизводимости конфигурации ионно-легированных областей и исключения влияния маски на свойства карбида кремния.
Указанная цель достигается тем, что маска для ионного легирования в пластины карбида кремния, состоит из слоя поликристаллического кремния, полученного путем пиролиза моносилана при температуре 600-700°C на слое двуокиси кремния или комбинации слоев нитрида кремния, и двуокиси кремния толщиной 0,03-0,25 мкм, примыкающего к карбиду кремния.
В приведенной конструкции маски в качестве маскирующего материала используется слой поликристаллического кремния полученный путем пиролиза моносилана при температуре 600-700°C. В этом случае слой поликристаллического кремния состоит из столбчатых микрокристаллов, ориентированных в направлении 110, а направление ориентации микрокристаллов перпендикулярно плоскости пластины карбида кремния, величина зерна микрокристаллов кремния не превышает 0,3 мкм. Нижний предел температуры позволяет устойчиво получать маску с заданными маскирующими свойствами, а верхний предел температуры исключает увеличение зерна при выращивании маски. Так как поликристаллы маски ориентированы в направлении 110, а направление ориентации микрокристаллов перпендикулярно плоскости пластины карбида кремния, и направление 100 кремния имеет наибольшую скорость травления, то при формировании участков для ионного легирования, боковой подтрав маски минимален и воспроизводим, а граница маски практически перпендикулярна плоскости карбида кремния.
Наличие дополнительного слоя из двуокиси кремния или комбинации слоев нитрида кремния и двуокиси кремния толщиной 0,03-0,25 мкм, примыкающего к карбиду кремния, позволяет использовать в процессе травления поликремниевой маски остановку процесса травления на этом слое в момент протравливания слоя поликремния. Это также уменьшает допуски и улучшает воспроизводимость размеров маски. Наличие дополнительного слоя из двуокиси кремния или комбинации слоев нитрида кремния и двуокиси кремния толщиной 0,03-0,25 мкм, примыкающего к карбиду кремния, исключает попадание ионов примеси при ионном легировании при высокой температуре. При меньших толщинах дополнительного слоя сложно осуществить остановку процесса травления поликристаллического кремния, а при больших увеличивается трудоемкость изготовления маски за счет увеличения времени травления дополнительного слоя.
Т.к. для изготовления маски используются материалы, которые не дают рекомбинационных центров и не взаимодействуют с карбидом кремния при температуре проведения операции ионного легирования, то предлагаемая маска имеет преимущества перед металлической.
На фиг.1-4 приведены конструкция и этапы изготовления предлагаемой маски.
15
-3
На пластину карбида кремния с эпитаксиальным слоем 1 (см. фиг.1) толщиной 13 мкм и концентрацией n примеси 3·10 см последовательно наносят слой окисла 2 толщиной 0,05 мкм методом термического окисления при температуре 1100°C в атмосфере сухого кислорода, затем слой нитрида кремния 3 толщиной 0,15 мкм при температуре 800°C методом химического осаждения из газовой фазы в смеси моносилана и аммиака и слой поликремния 4 толщиной 2,5 мкм методом пиролиза моносилана при пониженном давлении и температуре 650°C.
Затем на пластину наносят слой фоторезиста 5 (см. фиг.2),проводят фотолитографию вскрывая область фоторезиста в местах, где необходимо провести ионное легирование примеси. Затем последовательно вытравливают слой поликремния 4 методом реактивного ионного травления до остановки на слое нитрида кремния 3, а слой нитрида кремния 3 и оксида кремния 2 вытравливают химически в растворе плавиковой кислоты. В результате в слое маски формируется области, в которые будет проводиться ионное легирование 6.
14
-2
14
-2
Затем фоторезист удаляют (см. фиг.3) и проводят имплантацию ионами бора 7 в начале энергией 150 кэВ и дозой 10 см, затем энергией 400 кэВ и дозой 2·10 см и в эпитаксиальном слое 1 формируются легированные области 8. Маску из слоев 2, 3 и 4 удаляют. На эпитаксиальный слой наносят слой аморфного углерода толщиной 1 мкм проводят отжиг в вакууме при температуре 1550°C продолжительностью 2 часа, в результате чего получают локальные области карбида кремния p типа проводимости 9 (см. фиг.4). Ниже для иллюстрации приведена зависимость толщины маски из различных материалов от величины энергии ионов
+11
Толщина маски для легирования ионами В, мкм в зависимости от энергии ионов и используемого материала.
E, кэВ
50
100
150
200
250
300
350
400
500
Поликристаллический Si
0.449
0.794
1.112
1.371
1.596
1.802
1.997
2.176
2.511
Молибден
0.118
0.188
0.253
0.317
0.363
0.414
0.457
0.493
0.568
Фоторезист
1.203
1.78
2.248
2.634
2.976
3.289
3.575
3.838
4.328
И хотя для энергии 400 кэВ толщина маскирующего слоя поликристаллического кремния больше чем в 5 раз маски из молибдена, уход размеров на маске из молибдена составляет около 0,4 мкм на сторону при уходе на маске из поликристаллического кремния менее 0,2 мкм и угле отклонения стенки маски от вертикали менее чем 5°.
Указанная маска применяется для изготовления диодов Шоттки на напряжение до 1600 В на карбиде кремния и служит для формирования делительных колец и так называемых блокирующих переходов в контакте Шоттки (JBS - структур). Воспроизводимость размеров маски особенно сильно влияет на величину прямого падения напряжения диода Шоттки с JBS - структурой и применение предлагаемой маски практически исключило проблемы с воспроизводимостью размеров JBS - структур.