碳化矽pin微結構的製作方法

2023-09-21 21:23:00

專利名稱：碳化矽pin微結構的製作方法
技術領域：
本發明屬於寬禁帶半導體外延材料製備領域，特別是涉及一種碳化矽同質PIN微結構的製備方法。
背景技術：
碳化矽為一種同質多種結晶形態的材料，發現的晶態形式已經超過250種。在SiC 眾多多型體中，4H-SiC以其禁帶寬度大(3. 26eV)、遷移率高(900cm2/Vs)和各向異性比較小等優越性能而被認為更適合於製造大功率高反壓電子器件。另外，碳化矽化學惰性好，耐高溫，抗輻射，在大功率電力電子領域具有巨大的應用潛力，因此，設計和製作基於同質SiC 的材料和器件具有重要現實意義。PiN結構的SiC材料除了具有常規PiN性能外，還能根據 i型本徵層和離子注入形成的P型層的特別設計以實現更高的功率密度及更高頻率的開關速度。與現有技術200910237845. 1相比，本發明使用離子注入而不採用原位摻雜，與原位摻雜相比，離子注入方法具有以下優點1.離子注入可通過調節注入離子的能量和數量，精確控制摻雜的深度和濃度；2.離子注入摻雜的橫向擴散小，注入區域的圖形尺寸可以更小，有利於集成度；3.離子注入可實現大面積均勻摻雜並有高的濃度；4.離子注入不受化學結合力、擴散係數和固溶度等的限制，能在任意所需的溫度下進行摻雜；5.離子注入可達到高純度摻雜的要求，避免有害物質進入半導體材料，可以提高PiN器件的性能。

發明內容
本發明的目的在於提供一種SiC同質PiN微結構材料的製作方法，其是採用離子注入，可以提高器件製造的重複性與一致性，適用於半導體大功率電力電子器件的製備。本發明採用的技術方案是一種碳化矽PiN微結構的製作方法，包括如下步驟步驟1 取一 η型碳化矽襯底；步驟2 對η型碳化矽襯底的表面進行氫氣刻蝕；步驟3 在η型碳化矽襯底上生長η—型變濃度緩衝層；步驟4 在η—型變濃度緩衝層上外延生長本徵外延層；步驟5 採用離子注入法，在本徵外延層上製備P型層；步驟6 退火，完成碳化矽PiN微結構的製作。其中所用η型碳化矽襯底為η型六方相、稜方相或立方相的碳化矽單晶體材料，載流子濃度為IO18-IO21。其中η—型變濃度緩衝層的厚度為2-6微米，摻雜濃度沿η型碳化矽襯底的法線方向線性遞減，其靠近η型碳化矽襯底表面處的摻雜濃度為IO16-IO18,其表面處摻雜濃度為 IO14-IO150其中本徵外延層的摻雜濃度為IO13-IO15,厚度6-14微米。其中在本徵外延層上製備的P型層，是通過在本徵外延層表面注入Al離子形成的，該P型層的厚度為80-150納米，其P型載流子濃度為1018-102°。其中n_型變濃度緩衝層、本徵外延層和ρ型層三者晶型、取向與η型碳化矽襯底一致。其中氫氣刻蝕η型碳化矽襯底，所用刻蝕壓力為40毫託-100託，溫度為 1350-1550°C，氫氣流量為5-20標準升/分鐘，刻蝕時間為10-60分鐘。其中生長n_型變濃度緩衝層時，生長壓力為40毫託-100託，生長溫度為 1500-1550°C，在低於生長溫度20-50°C時通入流量為1_10標準毫升/分鐘的碳源，所用碳源為含碳的無氧高純氣體，η型碳化矽襯底以5-20°C /分鐘的速率加熱至生長溫度；按碳、 矽原子摩爾比為1-2的比例通入矽源，所用矽源為含矽的無氧高純氣體，n_型變濃度緩衝層生長時氫氣流量為5-20標準升/分鐘，生長時間是40-80min。其中生長本徵外延層時，生長壓力為40毫託-100託，生長溫度為1500_1550°C，在低於生長溫度20-50°C時通入流量為1-10標準毫升/分鐘的碳源，所用碳源為含碳的無氧高純氣體，η型碳化矽襯底以5-20°C /分鐘的速率加熱至生長溫度；按碳、矽原子摩爾比為 1-2的比例通入矽源，所用矽源為含矽的無氧高純氣體，n_型變濃度緩衝層生長時氫氣流量為5-20標準升/分鐘，生長時間是100-150min。其中離子注入形成ρ型層時，注入工藝為多步離子注入，所注入的離子為Al離子。本發明具有的有益效果是(1)緩衝層是一個摻雜濃度線性漸變層，在η型襯底和本徵層之間引入一個緩變過渡層，有利於承受更高的功率密度；(2)採用Al離子注入形成P型層，可以提高器件製造的重複性與一致性；(3) ρ注入層相對很薄，在保證ρ型歐姆接觸良好的前提下，有利於減少空穴遷移長度，提高開關速度。


為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明，其中圖1是本發明的碳化矽PIN微結構示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發明提供一種碳化矽PiN微結構的製作方法，包括如下步驟步驟1 取一 η型碳化矽襯底1，所用η型碳化矽襯底1為η型六方相、稜方相或立方相的碳化矽單晶體材料，載流子濃度為IO18-IO21,碳化矽材料耐高溫高壓，可以在極端及惡劣條件下正常工作，與常規用於器件製作的矽材料相比，具有更大的應用前景；步驟2 對η型碳化矽襯底1的表面進行氫氣刻蝕，這是碳化矽材料生長必須的步驟，給後續的材料生長做準備，以生長出性能優秀的碳化矽外延層。所述氫氣刻蝕η型碳化矽襯底1，所用刻蝕壓力為40毫託-100託，溫度為1350-1550°C，氫氣流量為5_20標準升 /分鐘，刻蝕時間為10-60分鐘；步驟3 在η型碳化矽襯底1上生長η—型變濃度緩衝層2，該η—型變濃度緩衝層2 的厚度為2-6微米，摻雜濃度沿η型碳化矽襯底1的法線方向線性遞減，其靠近η型碳化矽襯底1表面處的摻雜濃度為1016-1018，其表面處 摻雜濃度為1014-1015，所述生長n_型變濃度緩衝層2時，生長壓力為40毫託-100託，生長溫度為1500-1550°C，在低於生長溫度 20-50°C時通入流量為1-10標準毫升/分鐘的碳源，所用碳源為含碳的無氧高純氣體，η型碳化矽襯底1以5-20°C /分鐘的速率加熱至生長溫度；按碳、矽原子摩爾比為1-2的比例通入矽源，所用矽源為含矽的無氧高純氣體，n_型變濃度緩衝層2生長時氫氣流量為5-20 標準升/分鐘，生長時間是40-80min ；步驟4 在緩衝層2上外延生長本徵外延層3，該本徵外延層3的摻雜濃度為 IO13-IO15,厚度6-14微米，所述生長Π-型變濃度緩衝層2時，生長壓力為40毫託-100託， 生長溫度為1500-1550°C，在低於生長溫度20-50°C時通入流量為1_10標準毫升/分鐘的碳源，所用碳源為含碳的無氧高純氣體，η型碳化矽襯底1以5-20°C /分鐘的速率加熱至生長溫度；按碳、矽原子摩爾比為1-2的比例通入矽源，所用矽源為含矽的無氧高純氣體， n_型變濃度緩衝層2生長時氫氣流量為5-20標準升/分鐘，生長時間是100-150min ；步驟5 採用離子注入法，在本徵外延層3上製備P型層4，其是通過在本徵外延層 3表面注入Al離子形成的，該ρ型層4的厚度為80-150納米，其ρ型載流子濃度為1018-102°， 所述離子注入形成P型層4時，注入工藝為多步離子注入，所注入的離子為Al離子，相比於其他方法而言，離子注入法具有加工溫度低、可均勻的大面積注入雜質、易於控制等優點， 已成為器件製作比較常用的摻雜工藝；步驟6 退火，完成碳化矽PiN微結構的製作。其中η—型變濃度緩衝層2、本徵外延層3和ρ型層4三者晶型、取向與η型碳化矽襯底1 一致。實施例1請再參閱圖1所示，採用單晶4H_SiC襯底，其Si (0001)表面朝<1120〉方向偏8°， 經過化學拋光處理，清洗乾淨後放入低壓化學氣相沉積設備中，通入氫氣，保持壓力為40 託，升溫至1350°C後保溫，用氫氣對襯底表面進行刻蝕拋光，刻蝕30分鐘。然後以40°C / 分鐘的升溫速率升溫至1500°C，通入Isccm流量的乙烯，當襯底表面升溫至1550°C時，通入Isccm流量的矽烷，保持溫度不變，生長180分鐘，完成緩衝層和本徵層的生長。整個生長過程壓力保持在40託，氫氣流量為3000sCCm，直至生長結束。之後應用多步離子注入技術，向本徵層表面注入Al離子，注入能量和劑量分別為160KeV，2. 44X IO1W2 ；70KeV, IXlO14cnT2 ；30KeV，6X IO13CnT2。最後對注入後的樣品在1600°C下進行高溫退火以消除注入損傷並激活注入離子。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種碳化矽PiN微結構的製作方法，包括如下步驟步驟1 取一 η型碳化矽襯底；步驟2 對η型碳化矽襯底的表面進行氫氣刻蝕；步驟3 在η型碳化矽襯底上生長η—型變濃度緩衝層；步驟4 在η—型變濃度緩衝層上外延生長本徵外延層；步驟5 採用離子注入法，在本徵外延層上製備P型層；步驟6 退火，完成碳化矽PiN微結構的製作。
2.根據權利要求1所述的碳化矽PiN微結構的製作方法，其中所用η型碳化矽襯底為 η型六方相、稜方相或立方相的碳化矽單晶體材料，載流子濃度為1018-1021。
3.根據權利要求1所述的碳化矽PiN微結構的製作方法，其中η—型變濃度緩衝層的厚度為2-6微米，摻雜濃度沿η型碳化矽襯底的法線方向線性遞減，其靠近η型碳化矽襯底表面處的摻雜濃度為IO16-IO18,其表面處摻雜濃度為1014-1015。
4.根據權利要求1所述的碳化矽PiN微結構的製作方法，其中本徵外延層的摻雜濃度為IO13-IO15,厚度6-14微米。
5.根據權利要求1所述的碳化矽PiN微結構的製作方法，其中在本徵外延層上製備的 P型層，是通過在本徵外延層表面注入Al離子形成的，該ρ型層的厚度為80-150納米，其ρ 型載流子濃度為1018-102°。
6.根據權利要求1所述的碳化矽PiN微結構的製作方法，其中η—型變濃度緩衝層、本徵外延層和P型層三者晶型、取向與η型碳化矽襯底一致。
7.根據權利要求1所述的碳化矽PiN微結構的製作方法，其中氫氣刻蝕η型碳化矽襯底，所用刻蝕壓力為40毫託-100託，溫度為1350-1550°C，氫氣流量為5_20標準升/分鐘， 刻蝕時間為10-60分鐘。
8.根據權利要求1所述的碳化矽PiN微結構的製作方法，其中生長n_型變濃度緩衝層時，生長壓力為40毫託-100託，生長溫度為1500-1550°C，在低於生長溫度20_50°C時通入流量為1-10標準毫升/分鐘的碳源，所用碳源為含碳的無氧高純氣體，η型碳化矽襯底以 5-20°C /分鐘的速率加熱至生長溫度；按碳、矽原子摩爾比為1-2的比例通入矽源，所用矽源為含矽的無氧高純氣體，η—型變濃度緩衝層生長時氫氣流量為5-20標準升/分鐘，生長時間是40-80min。
9.根據權利要求1所述的碳化矽PiN微結構的製作方法，其中生長本徵外延層時，生長壓力為40毫託-100託，生長溫度為1500-1550°C，在低於生長溫度20_50°C時通入流量為 1-10標準毫升/分鐘的碳源，所用碳源為含碳的無氧高純氣體，η型碳化矽襯底以5-20°C / 分鐘的速率加熱至生長溫度；按碳、矽原子摩爾比為1-2的比例通入矽源，所用矽源為含矽的無氧高純氣體，η—型變濃度緩衝層生長時氫氣流量為5-20標準升/分鐘，生長時間是 100-150min。
10.根據權利要求1所述的碳化矽PiN微結構的製作方法，其中離子注入形成ρ型層時，注入工藝為多步離子注入，所注入的離子為Al離子。
全文摘要
一種碳化矽PiN微結構的製作方法，包括如下步驟步驟1取一n型碳化矽襯底；步驟2對n型碳化矽襯底的表面進行氫氣刻蝕；步驟3在n型碳化矽襯底上生長n-型變濃度緩衝層；步驟4在n-型變濃度緩衝層上外延生長本徵外延層；步驟5採用離子注入法，在本徵外延層上製備P型層；步驟6退火，完成碳化矽PIN微結構的製作。
文檔編號H01L21/20GK102254798SQ20111017784
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月28日 優先權日2011年6月28日
發明者劉興昉, 吳海雷, 孫國勝, 王雷, 趙萬順, 鄭柳, 閆果果 申請人:中國科學院半導體研究所