一种减少4HSIC中本征深能级缺陷的方法.pdf

本发明公开了一种减少4H-SiC中本征深能级缺陷的方法，可用于4H-SiC材料质量的改进和器件的应用。其具体过程是：(1)对4H-SiC衬底进行预处理，并在该4H-SiC衬底正面生长N-外延层；(2)在N-型外延层上淀积一层SiO2，作为碳离子注入的阻挡层；(3)在阻挡层表面上依次进行3次不同能量和剂量的碳离子注入；(4)对三次碳离子注入后的4H-SiC样片进行RCA清洗和烘干，并在氢气和硅烷的高温环境中退火，对注入的碳离子进行

1.  一种减少4H-SiC中本征深能级缺陷的方法，包括如下步骤：
(1)对4H-SiC衬底进行钝化、清洗和去氧化层的预处理，并在该4H-SiC衬底正面生长N^-外延层；
(2)在N^-型外延层上淀积一层100nm～300nm的SiO₂，作为碳离子注入的阻挡层；
(3)在阻挡层表面上依次进行3次不同能量和剂量的碳离子注入，即第一次能量为50keV-60keV，剂量为0.85×10¹²cm^-2-1×10¹²cm^-2；第二次能量为100keV-110keV，剂量为1.00×10¹²cm^-2-1.15×10¹²cm^-2；第三次能量为140keV-150keV，剂量为1.18×10¹²cm^-2-1.50×10¹²cm^-2；
(4)对三次碳离子注入后的4H-SiC样片进行RCA清洗和烘干，并在1000℃～1800℃的2L/min～10L/min氢气和10mL/min～50mL/min硅烷环境中退火5～30分钟，对注入的碳离子进行激活，完成对4H-SiC材料本征深能级缺陷的处理。

2.  根据权利要求1所述的减少4H-SiC中本征深能级缺陷的方法，其中步骤(1)所述的在4H-SiC衬底正面生长N^-外延层，是通过气相外延生长CVD法生长同质N^-型外延层，外延层掺杂为1.1×10¹⁵cm^-3，厚度为10±0.1μm。

3.  根据权利要求1所述的减少4H-SiC中本征深能级缺陷的方法，其中步骤(3)所述的3次离子注入，是在同一区域进行，通过注入能量和剂量的变化，使注入的碳离子穿透SiO₂阻挡层进入4H-SiC外延层。

4.  一种减少4H-SiC中本征深能级缺陷的方法，包括如下步骤：
1)对4H-SiC衬底进行钝化、清洗和去氧化层的预处理，并在该4H-SiC衬底正面生长N^-外延层；
2)在N^-型外延层上淀积一层200nm的SiO₂，作为碳离子注入的阻挡层；
3)在阻挡层表面上先进行能量为50keV，剂量为0.97×10¹²cm^-2的第一次碳离子注入；再进行能量为100keV，剂量为1.04×10¹²cm^-2的第二次碳离子注入；最后进行能量为150keV，剂量为1.24×10¹²cm^-2的第三次碳离子注入；
4)在1600℃的5L/min氢气和20mL/min硅烷环境中退火10分钟，对注入的碳离子进行激活，完成对4H-SiC材料本征深能级缺陷的处理。

一种减少4H-SiC中本征深能级缺陷的方法
技术领域
本发明属于微电子材料和器件技术领域，特别是涉及一种通过碳离子注入退火工艺减少4H-SiC中本征深能级缺陷的方法，可用于4H-SiC材料质量的改进和器件的应用。
背景技术
SiC材料作为第三代半导体材料，相对于以Si为代表的第一代半导体材料和以GaAs为代表的第二代半导体材料具有相当多的优势，由于其具有较大的禁带宽度，可在更高温度下工作，同时有助于大功率器件的制备，大的载流子饱和漂移速度和迁移率，为器件的响应速度提供了良好的基础。目前，SiC器件的研制已经成为半导体器件电路领域的研究热点。
但是，高质量的4H-SiC外延中杂质和本征缺陷等载流子陷阱和复合中心仍然普遍存在，这些缺陷能缩短少数载流子的寿命，使高压双极晶体管的开态电压降很小。如果能够弄清本征深能级缺陷的起因，确定施主、受主能级的性质及其物理起源，就可以指导4H-SiC外延生长工艺，避免该类杂质或缺陷的产生，获取高质量的4H-SiC单晶外延。为此，学者Hemmingsson和J.Zhang首先使用了深能级瞬态谱DLTS和少数载流子瞬态谱MCTS发现了4H-SiC中主要存在两个深受主能级：一个为导带下0.63-0.68eV的Z_1/2能级和位于禁带中央附件1.5-1.6eV的EH_6/7能级。
Z_1/2能级和EH_6/7能级形成的本质原因国际上至今存在争议。学者Gali等人认为缺陷能级与C位的空隙相关。而Kimoto研究小组和通则认为缺陷能级是由C空位引起的。根据上述理论分析，提出了高温退火抑制和减少4H-SiC中本征深能级缺陷，但由于对高温退火的时间、温度和表面保护缺乏考虑，导致4H-SiC表面Si析出等一系列问题；在线生长增加丙烷的流量的方法也被提出用来抑制碳空位的产生，但是深能级缺陷是由温度、冷却率等多种因素决定的，仅考虑增加丙烷不能有效的减少深能级缺陷，反而会影响4H-SiC单晶的质量，比如结晶质量、表面粗糙度等。
发明内容
本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提供了一种碳离子注入退火工艺，以减少4H-SiC中本征深能级缺陷，提高晶体的性能。
为实现上述目的，本发明提供的碳离子注入4H-SiC退火方法，包括以下步骤：
(1)对4H-SiC衬底进行钝化、清洗和去氧化层的预处理，并在该4H-SiC衬底正面生长N^-外延层；
(2)在N^-型外延层上淀积一层100nm～300nm的SiO₂，作为碳离子注入的阻挡层；
(3)在阻挡层表面上依次进行3次不同能量和剂量的碳离子注入，即第一次能量为50keV-60keV，剂量为0.97×10¹²cm^-2-1×10¹²cm^-2；第二次能量为100keV-110keV，剂量为1.1×10¹²cm^-2-1.15×10¹²cm^-2；第三次能量为140keV-150keV，剂量为1.18×10¹²cm^-2-1.24×10¹²cm^-2；
(4)在1000℃～1800℃的2L/min～10L/min氢气和10mL/min～50mL/min硅烷环境中退火5～30分钟，对注入的碳离子进行激活，完成对4H-SiC材料本征深能级缺陷的处理。
所述的3次不同能量和剂量的碳离子注入，是在同一区域进行，通过注入能量和剂量的变化，使注入的碳离子穿透SiO₂阻挡层进入4H-SiC外延层。
本发明具有如下优点：
2)本发明由于在制作过程中采用SiO₂掩膜层技术，这样既能保证注入的深度，又能尽量减少C注入对外延表面的损伤，还可以使注入的浓度从表面起在纵向保持均匀。
3)本发明中采用不同能量、不同剂量的3次注入，会在SiC中形成均匀的C离子分布。
4)本发明中采用在退火过程中通入硅烷SiH₄，形成富Si条件进行高温退火，减少退火过程中Si的析出，该高温退火并不会引起表面粗糙，导致沟槽缺陷的形成。
5)本发明采用1600℃退火10分钟，既能保证注入的碳离子被充分激活，又不会影响材料的质量。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明未进行碳注入样片的扫描电镜测试结果图；
图3是本发明碳注入未退火样片的扫描电镜测试结果图；
图4是本发明碳注入1200℃退火后样片的扫描电镜测试结果图；
图5是本发明碳注入1600℃退火后样片的扫描电镜测试结果图；
图6是本发明碳注入未退火的样品光致发光谱测试结果图；
图7是本发明碳注入1200℃退火后样品的光致发光谱测试结果图；
图8是本发明碳注入1600℃退火后样品的光致发光谱测试结果图；
具体实施方式
实施例1
参照图1，本发明包括如下步骤：
步骤1，对所采用的4H-SiC材料进行预处理。
采用由CREE公司生产的4H-SiC材料，其掺杂水平为10¹⁸cm^-3。首先，用熔融态KOH对4H-SiC基片表面进行钝化，刻蚀温度为210℃、刻蚀时间为15s；然后，对钝化后的晶片依次用丙酮、甲醇、去离子水将样片清洗干净；最后，用RCA标准清洗工艺清除样片表面的氧化层。
步骤2，在衬底上生长N^-外延层。
在预处理后的基片上通过CVD法生长同质N^-型外延层，外延层掺杂为1.1×10¹⁵cm^-3，厚度为10±0.1μm。
步骤3，采用淀积的方法制作离子注入阻挡层。
对外延片做RCA标准清洗后，通过低压化学气相淀积的方法在外延片正面制作100nm的SiO₂阻挡层。
步骤4，三次碳离子注入。
4a.400℃的环境温度在阻挡层表面上先进行能量为50keV，剂量为0.85×10¹²cm^-2的第一次碳离子注入；再进行能量为100keV，剂量为1.00×10¹²cm^-2的第二次碳离子注入；最后进行能量为140keV，剂量为1.18×10¹²cm^-2的第三次碳离子注入；该3次不同能量和剂量的碳离子注入是在同一区域进行，通过注入能量和剂量的变化，使注入的碳离子穿透SiO₂阻挡层进入4H-SiC外延层。这样既能保证注入的深度，又能尽量减少C注入对外延表面的损伤，还可以使注入的浓度从表面起在纵向保持均匀。
4b.采用RCA标准清洗样片；
4c.在100℃下对样片进行烘干20min。
步骤5，高温退火，激活碳离子。
将烘干后的样片置于2L/min氢气和10mL/min硅烷中进行退火处理，退火温度为1000℃，持续时间为5min。
实施例2
参照图1，本发明包括如下步骤：
步骤1，对所采用的4H-SiC材料进行预处理。
采用由CREE公司生产的4H-SiC材料，其掺杂水平为10¹⁸cm^-3。首先，用熔融态KOH对4H-SiC基片表面进行钝化，刻蚀温度为210℃、刻蚀时间为15s；然后，对钝化后的晶片依次用丙酮、甲醇、去离子水将样片清洗干净；最后，用RCA标准清洗工艺清除样片表面的氧化层。
步骤2，在衬底上生长N^-外延层。
在预处理后的基片上通过CVD法生长同质N^-型外延层，外延层掺杂为1.1×10¹⁵cm^-3，厚度为10±0.1μm。
步骤3，采用淀积的方法制作离子注入阻挡层。
对外延片做RCA标准清洗后，通过低压化学气相淀积的方法在外延片正面制作200nm的SiO₂阻挡层。
步骤4，三次碳离子注入。
4a.400℃的环境温度在阻挡层表面上先进行能量为50keV，剂量为0.97×10¹²cm^-2的第一次碳离子注入；再进行能量为100keV，剂量为1.04×10¹²cm^-2的第二次碳离子注入；最后进行能量为150keV，剂量为1.24×10¹²cm^-2的第三次碳离子注入；该3次不同能量和剂量的碳离子注入是在同一区域进行，通过注入能量和剂量的变化，使注入的碳离子穿透SiO₂阻挡层进入4H-SiC外延层。这样既能保证注入的深度，又能尽量减少C注入对外延表面的损伤，还可以使注入的浓度从表面起在纵向保持均匀。
4b.采用RCA标准清洗样片；
4c.在100℃下对样片进行烘干20min。
步骤5，高温退火，激活碳离子。
将烘干后的样片置于5L/min氢气和20mL/min硅烷中进行退火处理，退火温度为1600℃，持续时间为10min。
实施例3
参照图1，本发明包括如下步骤：
步骤1，对所采用的4H-SiC材料进行预处理。
采用由CREE公司生产的4H-SiC材料，其掺杂水平为10¹⁸cm^-3。首先，用熔融态KOH对4H-SiC基片表面进行钝化，刻蚀温度为210℃、刻蚀时间为15s；然后，对钝化后的晶片依次用丙酮、甲醇、去离子水将样片清洗干净；最后，用RCA标准清洗工艺清除样片表面的氧化层。
步骤2，在衬底上生长N^-外延层。
在预处理后的基片上通过CVD法生长同质N^-型外延层，外延层掺杂为1.1×10¹⁵cm^-3，厚度为10±0.1μm。
步骤3，采用淀积的方法制作离子注入阻挡层。
对外延片做RCA标准清洗后，通过低压化学气相淀积的方法在外延片正面制作100nm的SiO₂阻挡层。
步骤4，三次碳离子注入。
4a.400℃的环境温度在阻挡层表面上先进行能量为60keV，剂量为1.00×10¹²cm^-2的第一次碳离子注入；再进行能量为110keV，剂量为1.15×10¹²cm^-2的第二次碳离子注入；最后进行能量为150keV，剂量为1.50×10¹²cm^-2的第三次碳离子注入；该3次不同能量和剂量的碳离子注入是在同一区域进行，通过注入能量和剂量的变化，使注入的碳离子穿透SiO₂阻挡层进入4H-SiC外延层。这样既能保证注入的深度，又能尽量减少C注入对外延表面的损伤，还可以使注入的浓度从表面起在纵向保持均匀。
4b.采用RCA标准清洗样片；
4c.在100℃下对样片进行烘干20min。
步骤5，高温退火，激活碳离子。
将烘干后的样片置于10L/min氢气和50mL/min硅烷中进行退火处理，退火温度为1800℃，持续时间为30min。
本发明的方法不限于上述3种实施例，显然任何人均可在本发明的技术构思下进行不同参数的更换，但这些均在本发明的保护范围之内。
本发明的效果可以通过实验的测试结果进一步说明：
1.测试内容：
本发明对未进行碳注入的样片进行了扫描电镜测试，结果如图2所示；对碳注入未退火的样片进行了扫描电镜测试，结果如图3所示；对碳注入1200℃退火后样片进行了扫描电镜测试，结果如图4所示；对碳注入1600℃退火后样片进行了扫描电镜测试，结果如图5所示。
对碳注入未退火的样片进行了光致发光测试，结果如图6所示；对碳注入1200℃退火后样片进行了光致发光测试，结果如图7所示；对碳注入1600℃退火后样片进行了光致发光测试，结果如图8所示。
2.测试结果分析：
由图2和图3可知，碳注入前后的表面没有明显的缺陷出现，说明SiO₂掩膜层对表面起到了很好的保护；由图4和图5可知，在氢气和硅烷的保护下1200℃和1600℃退火，样片表面没有出现粗糙和缺陷。
由图6可知，由于碳注入导致晶格损伤，且注入的碳离子激活率很低，注入引起的晶格损伤和位于晶格间隙的碳离子形成新的缺陷能级，导致在波长350-700nm范围内出现很多发光峰。注入后样品出现一个中心位于653nm处的强发光峰，为大量未被激活的碳离子在外延中形成的缺陷能级引起的。
由图7可知，400-600nm之间的发光峰已消失，653处的发光峰强度有所减弱，但在390nm附近出现了一个比较强的发光峰。说明1200℃退火后，晶格损伤有所修复，有一部分碳离子被激活，占据了“C”的位置。但激活率很低，还有大量的碳离子没有被激活。随着碳空位被激活的碳离子占据，其衍生缺陷数量减少，由此引入的本征深受主能级也相应的减少。光子在带间跃迁和从氮施主能级到价带顶跃迁的几率增加，发光强度增大。根据4H-SiC的禁带宽度3.23eV和N在4H-SiC中的施主能级(导带下0.06e)V计算，390nm附近出现的一个比较强的发光峰应为带间跃迁和N施主能级到价带顶跃迁发出的光子的络合。
由图8可知，653nm处的发光峰完全消失，说明在1600℃高温下，注入的碳离子被完全激活。同时390nm处的发光峰强度有所加强。说明碳注入和高温退火后，引起本征深能级的碳空位及其衍生的缺陷得到了很好的抑制，本征深能级基本消除。