[发明专利]制造半导体器件的方法、工具和装置

说明书

技术领域

本发明涉及制造半导体器件的方法，这种方法包括在真空中加热半导体基板的步骤。本发明还涉及上述步骤中使用的制造半导体器件的工具，以及制造半导体器件的相关装置。

背景技术

和硅(Si)相比，诸如碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)的宽禁带(WBG)半导体具有较宽的禁带，因此是耐电压和耐热特性优异的材料。因此，它们有望成为功率器件的潜在材料。目前正被积极研究和开发的WBG功率器件的结构主要分为肖特基势垒二极管(SBD)、PiN结二极管(PiND)、MOS(金属氧化物半导体)晶体管和结晶体管(Junction transistor)。下面将对它们之中的SBD和结晶体管的结构进行说明。

图17是示出SBD的平面结构的示意性平面图。图18是示出该SBD沿着图17的线A-A的剖面结构的示意性剖面图。阴极层100(n型低阻层)的一个面上形成有漂移层110(n型高阻层)。漂移层110的表面上形成有肖特基电极120。肖特基电极120的表面上形成有结电极130。漂移层110的一部分表面上，围绕着肖特基电极120形成有护环区域140(p型低阻层)。以悬挂在护环区域140、肖特基电极120以及结电极130之上的方式形成有绝缘层150。阴极层100的另一面上形成有欧姆电极160和结电极170。

图19是示出结晶体管的平面结构的示意性平面图。图20是示出该结晶体管沿图19的线B-B的剖面结构的示意性剖面图。漏极层200(n型低阻层)的一个面上形成有漂移层210(n型高阻层)。漂移层210的一部分表面上形成有源极区域220(n型低阻区域)。漂移层210的一部分表面上形成有栅极区域230(p型低阻区域，并围绕着源极区域220)。源极区域220上形成有源极240，栅极区域230上形成有栅极250。漏极层200的另一面上形成有漏极260。

如图19所示，彼此隔离地布置了多个源极240。源极240中的每一个都为狭长的形式。围绕每个源极240设置有作为控制电极的栅极250。使用施加到栅极250上的信号来控制在源极240和漏极260之间流动的电流的导通/截止状态。

一般来讲，由于基板所用材料的差异，已知的制造硅器件的工艺不能直接应用于制造上述WBG器件的工艺。因此，开发新的工艺技术是极为重要的。形成选择性导电区域(例如图18中的护环区域140，或图20中的栅极区域230)的技术是这种技术的例子。相对用于控制半导体的导电性的杂质来讲，WBG材料具有相对较小的扩散系数。因此，在将护环区域或栅极区域形成为选择性导电区域时，无法使用在硅器件工艺中所使用的热扩散法。因此，主要使用离子注入法来控制导电类型。

在离子注入法的第一步骤中，在真空中对适于相关导电类型的元素进行离子化，且通过电场使产生的离子加速，从而具有期望的速度。将加速离子注射到WBG材料中。例如，对于碳化硅，氮(N)或磷(P)可能是适于n型的元素，而铝(Al)或硼(B)可能是适于p型的元素。在离子刚被注射之后，(i)由于离子注入，WBG晶体存在缺陷，以及(ii)注入的元素和半导体晶体之间还未建立充分的结合。因此在高温下进行热处理，以修复和去除晶体中的缺陷，并使注入的元素结合到晶体中。这种热处理被称为“活化(或活化退火)”。

在活化过程中，例如，将WBG基板放置在石墨制成的基座上，该基座设置在石英腔中，基座的外围覆盖有绝热材料，通过感应加热(从石英腔的外部)同时利用石墨作为热源，对WBG基板进行加热，使基板达到期望的温度。一般来讲，加热是在以稀有气体(如氩)作为氛围气体而进行的。然而，稀有气体中所包含的杂质污染或腐蚀了WBG基板的表面，使WBG基板的表面变得粗糙。这种表面的粗糙劣化了半导体器件的性能或特性。因此，希望尽可能地降低表面粗糙度。

表面粗糙度的降低可以通过使用真空氛围而非稀有气体氛围来进行活化而实现。一般地，相对于目前可用气体，最高纯度为99.9999％，其中包括约1ppm的杂质。在大气压下，稀有气体中的杂质的分压是1×10^-1Pa。然而，在使用现有技术中的真空装置时，相对于包含稀有气体压力的总气压，能够可靠地获得约1×10^-4Pa或更小(对于杂质)。一般来讲，通常使用涡轮分子泵或扩散泵以及油封旋转泵或干泵的组合用作这种真空装置。因此，可以使导致WBG基板的表面受损的杂质量是不使用真空装置情况的1/1000或更少。