[发明专利]一种减少4H-SiC中本征深能级缺陷的方法

说明书

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。