CN1272957A - 通过注入掺杂制成的碳化硅半导体的热修复法 - Google Patents

Abstract

至少将一个经过注入掺杂的碳化硅半导体在气流中进行热修复的方法,其特征在于:将该至少一个磁化硅半导体(10i)置入几乎不含碳的气流(12)中。并且将该至少一个碳化硅半导体(10i)用一个托盘(16)放在容器(13)中;放置碳化硅半导体(10i )用的托盘(16)和容器(13)至少与气流(12)发生接触的部分至少是用一种金属或者至少是用一种金属化合物制成的。

Description

说明书 通过注入掺杂制成的碳化硅半导体的热修复法

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。

在一个特别有利的实施例中，至少将碳化硅半导体掺杂区的表面暴露在一股气流中，优选含有一种惰性气体和/或氮气和/或氢气。在修复处理过程中，气体组分可以改变，例如由惰性气体组成改为含氢的组成，甚至改为几乎是纯氢气。有利的是采用惰性气体氩或氦，其体积组分接近于100％。另一种优选的工艺方法是在惰性气体中加热，然后在一种接近于最高恒温温度下保温，接着在一种含有按标准至少为50％的、尤其是大于80％，优选是95％的氢气的气流中冷却。经过在氢气环境中的冷却，获得一种按照计算法接近于完整无损的碳化硅半导体表面；若改换为在氩气环境中冷却，有时候会由于贫硅而导致在碳化硅半导体上形成一薄层石墨层。

为了防止掺杂原子从碳化硅半导体中选出，可以采用另一个有利的实施形态另加一个规定气体分压，这在掺杂工艺中也使用。

气流的流速优选在0.5cm/s至大约60cm/s之间，特别是在5cm/s至25cm/s之间。现已发现，在这样的气流之下经过修复的碳化硅半导体的表面较比在其他流速的气流中进行修复的碳化硅半导体有明显的改善。在修复处理中碳化硅半导体采用流动气流的优点在于，与已知的方法相比，表面的温度虽然高，但是表面质量却很好，由于误取向造成的结晶等级基本上保持不变，不会凝集成较大的等级，同时也未发生其他的表面粗糙度方面的问题。上述的优选流速范围一方面能够保证有足够小的流速，以免碳化硅半导体受到不能容许的冷却；另一方面又足够大，以便将碳化硅半导体散发的碳原子和硅原子运走，从而不会产生意外的晶级增长。

碳化硅半导体所在的气体环境的工艺静压范围一般有利地取在大约5000Pa至大约100000Pa(常压)之间，优选在大约10000Pa至大约50000Pa之间一般是有利的。设定的低压压力保证能以成功地降低结晶取向级别意外的增长。

在另一个有利的结构设计中，将碳化硅半导体放置在一个容器里面，容器备有一套HF(高频)-感应线圈。碳化硅半导体在容器里面优选用一个托盘放置。除此以外，在容器里面优选沿着气流的流向在托盘前面和后面分别各放置一个热辐射屏蔽板，防止热量意外地从容器里向外辐射。在热辐射屏蔽板上优选开出开孔，以供气流流通。凡是与气流接触的托盘、热辐射屏蔽板、以及容器，例如至少是容器内壁的一部分，至少用一种金属或者至少用一种金属化合物制造，或者用同样的材料包覆或镀覆是有利的。该金属或金属化合物应该在热修复的工艺高温下达到1800℃方才熔融。该金属或金属化合物应该在1800℃的最高温度下具有小于10-2Pa(约为10-7大气压)的有利蒸气压力。该金属或金属化合物应该能够抵抗由于在气流中所含的氢气组份的腐蚀。特别有利于使用的至少是钽、钨、钼、铌、铼、锇、铱之中的一种金属，或者是含有其中一种的碳化物。凡是接触到流过碳化硅半导体的气流的容器部件也可以用其他材料，例如石墨或碳化硅制造。所有迄今尚未列举过、但是却处于热区、有时会接触气流的部件，同样也优选采用上述有利的金属或金属化合物制造，或者至少用其包覆。通过采用上述材料品种，就能保证流过的气流不会从容器内壁或托盘表面等一类的部位捕获溶出的、或逸出的碳原子，夹带到碳化硅半导体上。

在本发明的一个特别有利的实施形态中，将一个碳化硅半导体加热到至少1000℃，按时间单位吸收热量的速率(加热速率)一般最高在100℃/分，优选高限为30℃/分。

有利的最高温度为1100℃至1800℃，优选1400℃至1750℃。

碳化硅半导体要在2分钟至60分钟的时间里，特别是在15分钟至30分钟的时间里在至少接近最高温度时保温。这样的高温平顶区会使碳化硅半导体中掺杂材料的活化度有所改善。

冷却速率的优选是以100℃/分的最高速率为限，特别是取30℃/分为限。缓慢冷却速度宜于取一个中间温度为终点，优选取在600℃以下。对于温度变化(加热速度和冷却速度)的限制因为经过注入掺杂以及在此以后经过修复的碳化硅半导体的电学性能有所改善。

加热速率和/或冷却速率不一定必须保持恒定，在其过程中在一定范围内加以改变反而更为有利，范围的上限规定在100℃/分，特别是规定在30℃/分。

该方法的一个特别改进之处在于在加热和冷却过程中将碳化硅半导体的温度至少在一个规定的温度下进行一次保温。在保温期间，加热速率或冷却速率几乎为0℃/分。

以下借助附图说明按照本发明的热修复方法的实施例。采用示意图表示的附图是：

图1一个容器的透视图，在容器中有一个碳化硅半导体，有待通过热修复来改进由于先前的掺杂处理造成的晶格缺陷。

图2图1布置方式的纵剖面图。

在图1及图2中彼此对应的部件皆标以同样的标号。

图1中的容器13是透视图，在其内部放置多个有待进行热修复的、预先已经经过离子注入的碳化硅半导体10i(I＝1，...)。图2所示是图1布置方式的纵剖面图。容器13是圆筒形结构，也可以完全做成另外一种结构形状，例如长方形状。

如图1和图2所示的碳化硅半导体10i是在未经热修复之前业已经过按照以下顺序的制造工序制成的：

1.制成一块结晶碳化硅基片，

2.任选工艺：在基片上外延生成一层碳化硅层，

3.有时通过多次连续的掺杂原子注入至少生成一个掺杂区。

制造碳化硅基片时，优选采用一道升华培育工序。碳化硅基片主要是由一种专用的多晶碳化硅，特别是β-碳化硅(3维碳化硅，立方晶碳化硅)，或者一种多晶-碳化硅(六方体或菱面体碳化硅)。最适合做碳化硅基片用的多晶硅是-碳化硅4H、6H或15H。

在碳化硅基片上沉积一层碳化硅层时，要使用已知的外延生长法，优选是采用通过气相沉积(CVD＝Chemical Vapor Deposition)的外延生长法。例如，使用按照US-A-5,011,549的取向生长法。由于是外延生长，碳化硅层和碳化硅基片的结晶完全相同，所以是半导体性的。只要是将生长条件作相应的调节，就能使碳化硅层的多晶体类型和碳化硅基片的独特多晶体类型相同。碳化硅基片是用-碳化硅制成的，所以在一般情况下在进行沉积碳化硅层之前采用切割和/或研磨方式进行这样的准备工作，从而使准备做生长表面之用的基片表面与(0001)-平面倾斜错开，形成一个1°到12°之间的夹角，优选是沿着一种<1120>-晶体的方向。采取在生长面与天然晶面(就像硅面所标注的(0001)-晶面)或碳元素面所标注的(0001)-晶面)之间的错位取向，结合标准热热辐射屏蔽板1500℃的适当生长温度，用-碳化硅制成的碳化硅层的多晶体和碳化硅基片的相同，特别是不会出现同熔。在生长期间通过向碳化硅层按照所需的导电类型添加适当的掺杂化合物对碳化硅层作掺杂处理。

要想制成各种不同的掺杂区要采用这样一种注入方法，在碳化硅半导体10i中掺入一种或多种掺杂材料。首先可以在碳化硅半导体10i上设置注入掩模。然后将碳化硅半导体10i放入一个在图中未曾绘出的注入设备中。在该注入设备中，按照不同的材料以及希望的注入深度，用10keV和偶然达到100keV之间的标准能源，向碳化硅半导体10i表面注入一种或多种掺杂材料的离子。在注入的过程中，在20℃(室温)到大约气流1200℃之间、优选在20℃到600℃之间进行保温。

经过在较高的能源下向碳化硅层中的碳化硅晶体注入掺杂小粒子，使在碳化硅半导体10i的各个掺杂区中的碳化硅晶格受损。为了对于因为注入掺杂而造成的晶体缺陷至少进行部分“修复”和复原，于是就要将碳化硅半导体10i进行一次热修复的修复处理。

进行修复处理时，要将碳化硅半导体10i放进图中未绘出的修复设备(修复炉，退火炉)的容器13中，放置在容器13中的气流中所设的一个托盘16上。

在图1和图2中除了容器13以外，还要设置在图1和图2中未绘出的绝热设施和气流进口，例如进行水冷却用的双层石英套管。气流进口设施防止气流从从出口端意外逸出容器13的器壁以外。除此以外，有利的是在容器13以及上述未绘出的设备上至少围绕配备一套可控的HF-感应加热线圈18，用来对容器13进行感应加热。在容器13中的碳化硅半导体10i也从而均匀受热。但是也可以配备一套电阻加热设施。

图1及图2所示的容器13的结构做成一套至少是双层的结构也是有利的。采用外套器壁构成的容器层21优选采用石墨制造。这样就能使容器13特别适合于采用HF-感应线圈加热，因为石墨的导热性良好，有利于形成的涡流，从而导致使容器13受热。另一方面，所示的容器层21是用石墨做成的，是一个很好的黑色散热体，通过它能够采用简单的非接触方式对容器13进行测温。在容器13的内部设置用钽或碳化钽制成的复层20(参见图2)，这样就使优选不含碳的气流12不能够从容器内壁扑获碳元素，转而授给碳化硅半导体10i。这层的厚度一般是大于0.01mm。与已知的全石墨容器或带碳化硅层的石墨容器相比，在于有了这一层能降低结晶石墨意外的晶级生长。针对复层20，在进行热修复的过程中就要结合特定的工艺条件讨论其他的金属和金属化合物的问题。因此，除了以上所述的以外，还有其他适合使用的金属或金属化合物，其中至少包括钨、钼、铌、铼、锇、铱及其碳化物。与容器13完全相同，承放碳化硅半导体10i用的托盘16的全部或至少会有气流12流过的部分优选也用以上所述的金属和金属化合物制造。托盘16可以放置在一个支架17上，优选也同样将其至少与面向气流流过的表面设置一层用上述金属或金属化合物制成的复层。在容器13两端的容器内部设置备有带开孔19的热辐射屏蔽板14和15。通过开孔气流12流进流出。热辐射屏蔽板14和15优选是用多件单一元件制成，例如用多块前后排列的孔板制成。优选尽可能紧贴容器内壁推进。这样就可以使其适合于起到保护容器内腔的作用，避免因热辐射而造成的热量损失。热辐射屏蔽板14和15优选仍旧采用上述金属或金属化合物制造。

在另外一个未绘出的优选实施形态中，容器13和支架17不是双层、而是单层结构，而单层却是用上述的金属或金属化合物制成的。

发现的另一种有利的办法是：当气流12在，例如，采用一种有利的形态流过热辐射屏蔽板14元件逐个进行预热时，气流12就不会使碳化硅半导体10i受到意外的冷却。然后，通过对于碳化硅半导体10i在以知的有利温度条件下进行保温，就可以获得因注入损害所做修复的良好结果。结果使p-n-结的闭锁性能得到改进。就像在本文中未曾说明的旧有掺杂工序那样会对中碳化硅半导体10i带来那样的结果。

除了像图1和图2中所示的配置方式以外，碳化硅半导体10i还可以采用交错排列方式。在另一个未绘出实施形态中，可以将碳化硅半导体10i的有待修复的表面不按图1和图2所示那样垂直排列，而是沿着气流12的主流向转位、倾斜或者平行排列。这样的实施形态导致产生一种改进的均匀流动气流，结果使气流12能够捕获从碳化硅半导体10i中逸散出的碳原子和硅原子，然后将其运走。这样就能够省却晶体取向工序。改变成平行的配置方式非常简单，只要将图1中所示的托盘16沿着它和气流12的方位转动90°即可。在另一个未绘出的实施形态中，不采用分体的托盘16作为碳化硅半导体10i的支架就足以办到。在经过这样改变的方法中，碳化硅半导体10i是放在支架17的有利开孔中，于是使有待修复的碳化硅半导体10i的表面也同样是和处在气流12的主流向平行的方向上。在一个与未绘出的实施形态中，是将多个有开孔的支架17上下叠放，从而达成较大的流量。

采用图示中将碳化硅半导体10i按照垂直于气流12的配置方式还有一种特别有利的实施形态，只要在第一个和最后一个托盘16的支架位置上放置一个并不必须进行修复处理的虚设碳化硅半导体11。这个虚设碳化硅半导体11的用途是用来使所有有待进行修复的碳化硅半导体10i在同样的、重现的气流条件下进行处理。这种起到拟似防护屏作用的碳化硅半导体11阻挡在托盘16周边可能产生的涡流，使碳化硅半导体10i免受冲击。另外，虚设碳化硅半导体11还起到热辐射屏蔽板的作用。

按照本发明使用热修复法经过修复处理的碳化硅半导体可以有利的制成各种半导体元件，优选是用在碳化硅基片的功率半导体元件上。这样的半导体元件是p-n-二极管，二极晶体管，MOSFETs，半导体开关元件，IGBTs，还有MCTs。

还可以将这种注入工艺和修复工艺先后顺序用在一套为这两种工艺设计的设备上。

Claims (21)

1.至少将一个经过注入掺杂的碳化硅半导体在气流中进行热修复的方法，其特征在于：将至少一个碳化硅半导体(10i)置入几乎不含碳的气流(12)中。

2.按权利要求1中所述的方法，其特征在于：备有气流(12)，其中至少有时含有至少一种惰性气体和/或氮。

3.权利要求2中所述的方法，其特征在于：使用氩或氦作为惰性气体。

4.按以上权利要求方法中的一种方法，其特征在于：备有气流(12)，其中至少有时含氢。

5.按以上权利要求方法中的一种方法，其特征在于：在气流(12)中掺入至少一种对碳化硅半导体(10i)进行掺杂用的元素。

6.按以上权利要求方法中的一种方法，其特征在于：将气流的流速调在0.5cm/s到60cm/s之间；优选在5cm/s到25cm/s之间。

7.按以上权利要求方法中的一种方法，其特征在于：在至少在一个碳化硅半导体(10i)周围形成工艺静压压力在5000Pa到100000Pa之间、优选在10000Pa到50000Pa之间的气体环境。

8.按以上权利要求方法中的一种方法，其特征在于：至少将一个碳化硅半导体(10i)用一个托盘(16)放在容器(13)之中；托盘(16)和容器(13)至少与气流(12)发生接触的部分至少是用一种金属或者至少是用一种金属化合物制成的。

9.按权利要求8中所述的方法，其特征在于：在容器(13)中沿着气流的流向在托盘(16)的前方和后方分别放置一个热辐射屏蔽板(14，15)；热辐射屏蔽板(14，15)至少与气流接触的部分至少是用一种金属或者至少是用一种金属化合物制成的。

10.按权利要求9中所述的方法，其特征在于：在热辐射屏蔽板(14，15)上备有开孔(19)，气流(12)通过开孔流通。

11.按权利要求8至10中的一种所述的方法，其特征在于：备有熔点在1800℃以上的一种金属或金属化合物。

12.按权利要求8至11中的一种所述的方法，其特征在于：备有在1800℃的温度下蒸汽压力小于10-2Pa的一种金属或一种金属化合物。

13.按权利要求8至12中的一种所述的方法，其特征在于：备有一种耐氧化的金属或者一种耐氧化的金属化合物。

14.按权利要求8至13中的一种所述的方法，其特征在于：备有一种金属或一种金属化合物，其中至少含有钽、钨、钼、铌、铼、锇、铱之中的一种元素，或者至少含有这些元素中的一种碳化物。

15.按权利要求8至14中的一种所述的方法，其特征在于：该容器(13)优选采用感应加热。

16.按权利要求8至15中的一种所述的方法，其特征在于：该气流(12)进入容器内部时要进行预热。

17.按以上权利要求方法中的一种方法，其特征在于：至少一个经过注入掺杂的碳化硅半导体(10i)以100℃/分钟，优选30℃/分钟的加热速率加热至最高温度1000℃。

18.按权利要求17中所述的方法，其特征在于：该最高温度是在1100℃到1800℃之间，优选在1400℃到1750℃之间。

19.按权利要求17或18中所述的方法，其特征在于：一个注入掺杂碳化硅半导体(10i)要在规定的最高温度下保温到2分钟到60分钟。

20.按权利要求17至19中的一种所述的方法，其特征在于：该至少一个碳化硅半导体(10i)从最高温度起要以最高为100℃/分钟的冷却速率、优选最高为30℃/分钟的冷却速率冷却到最高为600℃的中间温度。

21.按权利要求17至20中的一种所述的方法，其特征在于：该至少一个碳化硅半导体(10i)在加热和冷却期间至少要在一个温度水平至少进行一次保温。

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