[发明专利]用于通过植入法掺杂的SiC半导体区的热自愈方法和SiC基半导体元件

说明书

本发明涉及一种通过植入法掺杂的由碳化硅组成的半导体区的热自愈方法和一种半导体元件。

单晶形式的碳化硅(SiC)是一种具有优良物理性能的半导体材料，这些性能使该半导体材料尤其在光电子学、高温电子学和大功率电子学领域内受到重视。虽然SiC发光二极管也能在市场上买到，但SiC基大功率半导体元件到目前为止还没有商业化。这主要是由于SiC基片的制造费用昂贵和与硅(Si)相比制造工艺更困难。

问题之一在于单晶SiC的掺杂。与硅不同，由于要求高于1800℃的高温，SiC通过扩散来掺杂实际上是不可能的。因此，单晶SiC或通过掺杂物在单晶生长期间，尤其在氯化汞单晶长大(PVD)期间或化学气相沉积(CVD)期间的加入，或通过掺杂物离子的植入法(离子植入法)来掺杂。

掺杂物离子在预生长的碳化硅取向附生层内的植入法使得具有平面表面(原则上具有高抗击穿强度)的半导体元件的制造成为可能。不过，通过植入法进行掺杂的问题是晶体缺陷(晶格缺陷，晶体不规则排列)，它是通过以高动能植入的掺杂物原子在取向附生层的SiC晶内形成，且它使被植入的半导体区并因此使整个元件的电子性能变坏，此外，掺杂物原子或原子群在植入后不是最佳地进入SiC晶格内，并因此只有部分被电子激活。

因此，提出了各种通过热处理来自愈因植入法产生的晶格缺陷并同时达到掺杂物原子的高激活度的方法(所谓的热自愈法或热退火法)。

在IEEE电子器件文摘1992年第13卷第639至641页(IEEE ElectronicDevice Letters，Vol.13，1992，Seiten 639 bis 641)公开了一种热自愈方法，它用于通过在500℃至1000℃之间的高植入温度下在用铝(Al)p型掺杂的6H-SiC取向附生层内植入氮离子(N₂⁺)而n型掺杂的6H-SiC半导体区。在该方法中，6H-SiC半导体区在1100℃至1500℃之间的恒定自愈温度下处理。

在材料研究学会会刊1993年第279卷第415至420页(MaterialsResearch Society Symposium Proceedings Band 279，1993，Seiten 415 bis 420)提出了一种热自愈p-掺杂的4H-或6H-SiC半导体区的方法，该半导体区在室温至1427℃之间的植入温度下通过将铝离子(Al⁺)植入4H-或6H-SiC取向附生层中而获得。在该公开的方法中，被植入的SiC半导体区在氩气气氛下，在一秒钟之内被加热到1127℃至1827℃之间的自愈温度，并在该自愈温度下保温5至500秒。

应用物理学报1995年2月1日第77卷第3册第1020至1028页(Journalof Applied Physics，Band 77，Heft 3，1.Feb.1995，Seiten 1020 bis 1028)公开了两种对在室温至400℃之间的植入温度下通过将氮植入硅基片上β-SiC层内而n型掺杂的β-SiC(3C-SiC)半导体区进行自愈的处理方法。在该公开的第一种自愈过程中，氮掺杂的β-SiC半导体区在1000℃至1200℃之间的恒定温度下被保温20分钟时间(炉式退火)。在公开的第二种自愈过程(快速热退火)中，被植入的β-SiC半导体区在900℃至1000℃的温度下被处理10秒钟。在此，基片以约100℃/s(相当于6000℃/min)的加热速度加热。在两种自愈过程中，要自愈的β-SiC半导体区处在N₂气流中。

在所述现有技术公开的热自愈方法中，没有关于冷却SiC半导体区和所采用的冷却速度的报告。

本发明的目的在于提供一种比现有技术更好的用于通过植入法掺杂的SiC半导体区的热自愈方法和一种具有改善的截止能力的p-n结的SiC基半导体元件。

本发明目的中涉及热自愈方法的部分利用权利要求1所述的特征来达到，通过植入掺杂物颗粒而掺杂的SiC半导体区在植入之后进行热自愈，其中，半导体区从最高为1000℃的预定初始温度以最高为100℃/min(每分钟摄氏100℃，相当于每秒1.67开尔文度)的冷却速度(温度随时间减少量)被冷却。

本发明基于这样的认识，即，通过以最高为100℃/min的冷却速度的缓慢冷却，因植入而损坏的SiC半导体晶格被特别好地自愈。因此，至少1000℃的高初始温度确保了植入法SiC半导体区内的、同样由缓慢冷却而获得的掺杂物原子的高激活度。