[发明专利]通过注入掺杂制成的碳化硅半导体的热修复法

说明书

本发明涉及一种用于至少一种经过注入掺杂制成的碳化硅半导体在气流中进行热修复处理的方法。

优良的单晶形态的碳化硅(SiC)是物理性能特别优越的半导体材料，这是光电子学、高温电子学、功率电子学特别感兴趣的半导体材料。虽然碳化硅发光二极管在市场上可以买到，但是以碳化硅为基材的功率半导体元件还不能够商品化。这主要是因为制造适用的碳化硅基片(晶片)的费用和成本昂贵，与硅相比其工艺技术困难。

问题之一在于单晶碳化硅的掺杂困难。由于碳化硅的掺杂需要1800℃以上的温度，所以实际上不可能采用像硅那样采用扩散法进行掺杂。因此，单晶碳化硅或者是在生长过程中，特别是在升华法生长晶体(PVD)、或者化学气相沉积(CVD)过程中掺入掺杂材料，或者进行离子注入掺杂。

在单晶碳化硅基片上或者在预先形成的碳化硅晶体外延生长层中注入掺杂材料的离子，能够产生掺杂材料浓度的纵向变化，所以能够制成有二维结构表面的半导体元件。这就为大多数半导体元件的制造提供了基本条件。采用注入掺杂时的问题在于结晶缺陷(结晶格子缺陷，结晶晶格缺陷)，这是由于外延生长层中的碳化硅晶体是通过高动能注入掺杂材料的原子产生的，这会使经过注入的半导体区产生劣化，转而使整个结构元件劣化。除此以外，掺杂材料的原子或者原子核在经过注入之后不能在碳化硅晶格中处于最佳状态，因而只有一部分能够电活化。

因此就开发出通过热处理(称为热修复法或热退火法)用来恢复由于注入而造成结晶缺陷，同时能以提高掺杂材料原子活化度的方法。

在“IEEE Electronic Device Letters”，Vol.13，1992，639至641页发表了一种热修复法，对于在500℃和1000℃的高温范围内，在铝-p掺杂6H-碳化硅-晶体中经过注入氮离子形成的n-掺杂6H-碳化硅半导体区进行热修复。采用这种方法，将6H-碳化硅半导体放置在氩气环境中于1100℃到1500℃的恒定温度范围内进行处理。为了避免经过未控制的蒸发而形成洞腔和凹穴，将6H-碳化硅半导体放在一个用碳化硅制成的坩埚中。在热处理的过程中，在6H-碳化硅半导体的表面与坩埚内部的碳化硅气氛进行平衡。

在“Applied Surface Science“，Bd。99，1996，27至33页介绍了在化学气相沉积(LPCVD＝Low Pressure Chemical VaporDeposition[低压化学蒸汽沉积])的冷却过程中气体组成对于碳化硅半导体造成的影响。冷却过程开始于1450℃的最高温度，相当于离子注入后进行热修复的温度。因此，取得的这项结果也可以在离子注入之后的热修复过程中引用。在上述的试验中发现，在1000℃的温度下，在真空中或者在保护气体中，碳化硅表面附近的原子位置缺硅，能够在碳化硅半导体表面上形成一薄层石墨层。如果是在纯氢气环境中进行同样的处理，就可以获得一种接近于按化学计算法的表面。

作为本发明的基础的任务是，根据现有技水平，针对经过注入掺杂的碳化硅半导体，提供一种改进的热修复方法，用来修复由于意外出现的结晶取向形成的结果或凝集物。

此项任务按照本发明权利要求1的特征能够解决。该修复方法还可以采用将至少一个碳化硅半导体放置在几乎不含碳的气流中的办法进行。关于“几乎不含碳”，可以理解为：相当于在任一工艺温度下当碳或含碳的化合物(例如SiC2)与碳化硅半导体之间形成平衡分压时的较小的碳组份。

本发明是以这样的认识为基础，那就是：当在碳化硅半导体的热修复在碳化硅气氛下达到平衡时，或者当送入的气流在这样的平衡状态下含有至少可比的碳组份时，总是存在由于误取向形成的碳化硅表面，例如在外延生长形成的薄层或者单晶基片，在理想条件下只有一至二个等级高度；但是，由于热活化的表面分布，却会意外地达到大约50nm的等级高度。在此过层中，聚集成许多小的结晶取向级，还有少量的高级结晶取向级。小的(大约两个单层高度)结晶取向级是在外延生长中基极-碳化硅-晶体必然地误取向的不可避免的结果。曾经发现，通过减少气流中的外来混杂碳，就是减少由外部给碳化硅半导体带进来的碳组分，可以大大约制上述晶级的生长。

采用按照本发明的气流结构，在经过热修复之后，形成的晶级高度明显低于现有技术水平，特别是低3个数量级。按照本发明的热修复法的有利的形式和改进的措施参见与权利要求1有关的各个权利要求项。