专利名称：用于通过植入法掺杂的SiC半导体区的热自愈方法和SiC基半导体元件的利记博彩app
技术领域：
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。
因此在本热自愈方法中，植入的掺杂物原子及因植入而取代正常晶体结构的硅原子和碳原子极好地排列在SiC晶格的相应晶格位置上。因此与现有技术相比，自愈的SiC半导体区及一个与该区和另一相反导通型的区形成的p-n结的电性能得到改善。
冷却速度不必恒定，而可在0℃/min至100℃/min的范围内变化。
本发明热自愈方法的有利设计和改进由权利要求1的从属权利要求给出。
据此，冷却速度尤其限制在最高为50℃/min，而在有利的实施形式中则限制在最高为30℃/min。
冷却过程的初始温度尤其保持在约1100℃至1800℃之间，而优选在约1400℃至1750℃之间。
缓慢冷却过程的最终温度尤其低于600℃。
在本方法的一个特别改进中，在冷却过程中SiC半导体区的温度至少一次在至少接近预定的中间温度的温度下保温一定时间。在该中间温度平台上冷却速度实际为0℃/min。
在本方法又一个有利的实施形式中，通过植入法掺杂的SiC半导体区在冷却到最终温度之前首先通过输入热量而达到预定的初始温度。温度随时间的上升(升温速度)在加热过程中基本上限制在最高为100℃/min，优选最高为30℃/min。这种升温速度限制进一步改善了通过植入法掺杂的并随后自愈的SiC半导体区的电性能。
SiC半导体区在至少接近(高的)初始温度下优选保温优选约2min到约30min之间的时间。该高温平台使SiC半导体内的至少一种掺杂物的激活度得到进一步改善。如果该高温平台在时间上直接处在SiC半导体的加热与冷却之间，这是尤其有利的。
在SiC半导体区上的，尤其在所述容器内的移动或不移动的气体介质的静压力优选调整到小于尤其在约10000Pa到50000Pa之间的气体介质压力。
在一种特别有利的实施形式中，至少SiC半导体区的掺杂部分的表面至少在从初始温度冷却到最终温度过程中，优选也在冷却前置于一气流中。该气流含有优选至少一种惰性气体和/或氢气。其组分在自愈期间，尤其在冷却阶段之前可改变，例如从惰性气体组分变成含氢气的组分或甚至变成纯的氢气。气流流速优选调整到约0.5cm/s到约60cm/s之间。已证明，在该气流中自愈的SiC半导体区的表面具有比没有气流的或在低流速气流中自愈的更好。
在另一有利的实施形式中，半导体区设置在一个容器的内部，该容器优选设置成感应加热的导磁物体。该容器优选由石墨组成。
用于通过植入法掺杂的SiC半导体区的掺杂物尤其为受体，且优选是硼(B)和/或铝(Al)。在该掺杂的单晶SiC中，实验表明，本发明的自愈方法比已公开的自愈过程可特别强烈地改善晶体结构。
本发明目的中涉及半导体元件的部分将通过权利要求23的特征来达到。该半导体元件包含至少一个p-n结，该p-n结在由通过植入至少一种掺杂物而n型导电(电子导电)或p型导电(空穴导电)的碳化硅(SiC)组成的第一半导体区和至少另一个与第一半导体区的导通型相反的碳化硅(SiC)组成的半导体之间。该第一SiC半导体区根据权利要求1至22中任一项所述的方法进行热自愈，并由此在具有相同植入条件下，证明有比现有技术排列得更好的晶体结构。这样制造的p-n结比公开的带有通过植入法掺杂的半导电的SiC的p-n结具有明显更小的截止电流。因此，可获得在整流特性方面明显好的半导体元件。
该半导体元件的有利设计和改进在权利要求23的从属权利要求中给出。
在该半导体元件的一个实施形式中，至少另一个半导体区通过植入至少一种掺杂物而掺杂，并根据权利要求1至22中任一项所述的方法进行热自愈。p-n结的相反掺杂的半导体区可分别以适合的自愈步骤或在共同的自愈过程中进行自愈。
半导体元件的整流特性的特别大的改善可在一个用权利要求1至22中任一项所述方法自愈的、在用硼(B)掺杂的第一半导体区和用氮(N)掺杂的另一半导体区之间形成的p-n结中获得。对这种p-n结而言，所测得的每个p-n结的在截止状态下的截止电流比相同掺杂的、不过用公开的自愈方法自愈的p-n结小4个数量级，即小10000倍。
下面参照附图对本发明的热自愈方法和本发明的半导体元件的实施例进一步说明。
附图均为示意图，附图中
图1示出设置在容器内的具有在一SiC基片上的SiC层内植入的半导体区的半导体结构，图2示出具有被植入的并按本发明方法自愈的源区和基区的SiC-MOSFET。
图1示出的半导体结构具有一个单晶SiC基片2和设在该SiC基片2的表面20上的SiC层3。SiC层3和SiC基片2在图1的实施例中不局限于例如通过氮(N)掺杂的n导通型(电子导电)。SiC层3的背向SiC基片2的表面30处通过植入获得至少一个SiC半导体区4。该SiC半导体区4在图1所示的实施形式中与SiC层3导通型相反，即p型导电。由此，SiC半导体区4和SiC层3之间形成一个p-n结5，SiC半导体区4优选用硼(B)和/或铝(Al)p型掺杂。
在一个未描述的实施形式中，SiC半导体区4也是一个比SiC层3更高掺杂的、具有与SiC层3相同导通型的半导体区，并优选用氮(N)掺杂。
图1所示的半导体结构可用具有下列各顺序执行的实施步骤的方法来制造1.SiC基片2的制备2.SiC层3的涂覆3.通过植入SiC层3内而制得SiC半导体区44.被植入的SiC半导体4的自愈作为SiC基片2的制备，优选采用氯化汞单晶长大工艺。SiC基片2主要由一种单一SiC多型，尤其由β-SiC(3C-SiC，立方SiC)或α-SiC(六面体或斜六面体SiC)多型中的一种组成。SiC基片2的多型优选α-SiC多型4H，6H和15R。
为了将SiC层3沉积在SiC基片2上，采用一种公开的取向附生法，优选是通过化学气相沉积(Chemical Vapour Deposition＝CVD)的取向附生法。例如CVD-取向附生方法可按美国专利US-A-5,011,549的技术说明及专利申请公开内容中的那样来采用。由于取向生长，SiC涂层3和SiC基片2一样是单晶的，并因此也是半导电的。当取向附生的生长条件控制适当时，SiC层3也是与SiC基片2的多型相同的单一多型。如果SiC基片2由α-SiC组成，它则通常在SiC层3沉积前例如通过切削和/或抛光制成，以使基片的作为生长面的表面20与(0001)面倾斜1°到2°的角度，优选朝向<1120>晶向。通过生长面相对于天然晶面，即代表硅-侧的(0001)晶面或代表碳-侧的(0001)晶面的这种不规则取向和合适的生长温度(典型高于15000℃)，使得SiC层3与SiC基片2有相同的α-SiC多型，并且尤其不产生衔接复生。SiC层3通过加入相应的掺杂物化合物而在生长期间按照所希望的导通型掺杂。
一种植入方法被用于SiC半导体区4的制备和掺杂，在该方法中，一种或多种掺杂物被引入SiC层3。SiC层3为此被放入一个未示出的植入设备内。在该植入设备内，SiC层3的表面30用一种或多种掺杂物的离子(在所示场合下为受体的离子)，根据所用掺杂物和所希望的侵入深度以典型的10keV至几百keV之间的能量轰击。在植入期间，SiC层3在约20℃(室温)至约1000℃，优选约20℃至约600℃之间的温度范围内的植入温度下保温。
通过利用高能量使掺杂物颗粒进入SiC层3的SiC晶体中，使SiC半导体区4内的晶格被破坏。为了使由植入产生的晶体缺陷至少部分地修复和复原，SiC半导体区4用热自愈法自愈。
由SiC基片2、SiC层3和被植入的SiC半导体区4组成的半导体结构放入一自愈设备(自愈炉、正火炉)的容器6内，并放在容器内的气体介质8中的基片支架7上。
在容器6外设有一个未示出的带有一个或多个感应线圈的可控感应加热器，容器6通过它感应加热。SiC半导体区4在容器6内也由此被均匀加热。不过也可设置一个电阻加热器。
容器6内的气体介质8通常含有至少一种体积含量最高至100％的惰性气体，如氩气(Ar)或氦气(He)。为避免氮掺杂原子从SiC层3中逸出，气体介质在一定分压下也可含有氮气(N2)。气体介质的总静压力通常调整在约5000Pa至100000Pa(标准压力)之间，而优选在约10000Pa至约50000Pa之间。
在一个有利的实施形式中，气体介质至少在SiC半导体区4的范围内和至少在冷却期间、不过优选在整个热自愈期间被移动。这样形成一个朝向SiC半导体区4和SiC层3的气流，它附加或仅仅含氢气(H2)和/或至少一种惰性气体，如氩气或氦气和必要时还有氮气。气流的流速调整在0.5cm/s和约60cm/s之间，优选是15cm/s和25cm/s之间。在自愈期间让气体流过SiC半导体区4具有以下优点，即SiC层3的表面30与公开的自愈方法不同，尽管高温而仍有良好的形态质量，且在SiC层3的表面30上没有形成因SiC取向附生层3的不规则取向而引起的台阶或特别的表面粗糙度。尤其有利的是，在自愈期间变化气流的组分，优选方式是在一惰性气流中加热并在初始温度TA下保温，而且在氢气含量典型最少为50％，尤其是大于80％，优选是大于95％的气流中冷却。
对被植入SiC半导体区4内的晶格缺陷进行自愈的正火可如下进行。
SiC半导体区4按照一预定的专门的时间-温度曲线进行热处理，其中，感应加热根据热自愈设备的几何尺寸和材料性能来相应控制。该热自愈过程的特征是从初始温度TA缓慢冷却到结束时的最终温度TE，即作为时间t的函数T(t)，SiC半导体区4的温度与时间的关系曲线的缓慢下降。作为温度对时间的导数(温度曲线的斜率)dT/dt，在非正的对时间的导数DT/dt≤0℃/min时所确定的冷却速度|DT/dt|在TA与TE之间的间隔内选择不大于100℃/min，尤其不大于50℃/min，优选不大于30℃/min，尤其约25℃/min或15℃/min。温度T随时间的变化dT/dt的相应区间为-100℃/min≤dT/dt≤0℃/min或-50℃/min≤dT/dt≤0℃/min或-30℃/min≤dT/dt≤0℃/min已经证明，SiC半导体区4的缓慢冷却与高速冷却相比可使SiC半导体区更好自愈，很明显，在温度变化较小情况下，更多的硅原子和碳原子可扩散到正常的晶格位。
冷却过程可从约600的℃最终温度TE开始可重新快速进行，以加快制造过程，因为在低于600℃的温度下在SiC半导体区4的晶格内不再发生如此多的重新排列。缓慢冷却的最终温度TE也可下降到室温(约20℃至30℃之间)，在此，SiC半导体区4被重新从容器6内取出。一个最优控制的自愈过程从而实现。
冷却阶段的初始温度TA调整到至少约1000℃，优选最高到约1800℃。初始温度TA的优选温度范围为1400℃至1750℃，优选在约1700℃。研究表明，初始温度TA是植入掺杂物原子激活度，即最终电激活的掺杂物原子数与原始掺杂的原子(离子)数之比的主要参数。在所述温度范围内的初始温度下，植入硼(B)及铝(Al)或氮(N2)的情况下，可获得近似于1的很高掺杂物原子激活度。
在一种有利的实施形式中，SiC半导体区4的温度在初始温度下保温一定时间，典型为2min至60min，优选约15min至30min，以进一步改善其激活度。该温度平台可看作热自愈方法的特殊阶段，不过，也可看作冷却阶段的一部分，因为，温度随时间恒定也符合冷却阶段的定义。
此外，SiC半导体区4的温度在冷却阶段期间在一个或甚至多个中间温度下至少接近恒温地保温一定时间，如几分钟。在冷却过程的温度曲线上也可设置多处这样的具有彼此不同的和沿时间顺序依次下降的中间温度的中间温度平台。这些中间温度平台的优选温度范围在约1300℃至约1500℃之间。
在冷却阶段之前，SiC半导体区4在放入容器6内之后从一起始温度TS(通常是室温)加热到一预定的初始温度TA。在此，该加热过程优选和随后的冷却过程一样缓慢进行。升温速度|DT/dt|在TS和TA之间的时间段内选择不大于100℃/min，尤其不大于50℃/min，优选不大于30℃/min，温度T随时间的变化dT/dt的相应区间为0℃/min≤dT/dt≤100℃/min或0℃/min≤dT/dt≤50℃/min或0℃/min≤dT/dt≤30℃/min。
该加热方法的特别优点在于，在SiC层3和植入的SiC半导体区4之间形成p-n结5的截止能力在按本方法缓慢自愈之后比快速自愈的明显更高，p-n结5在截止状态下的截止电流则明显更小。对于通过植入硼(B)或铝而掺杂的SiC半导体区4，这种截止电流的差别甚至高达约4个数量级(10的幂)，即快速自愈p-n结的截止电流比慢速自愈p-n结的截止电流约大10000倍。在p-n结上的截止电压为1000V，相当于2MV/cm的场强下，植入硼时的截止电流达10-6A/cm2，而植入铝时的截止电流达10-7A/cm2。
因此，按本发明热自愈方法自愈的p-n结可有利地用在SiC基半导体元件中，尤其是大功率半导体元件中。配设一个或多个这样自愈的p-n结的半导体元件与用公开方法植入和自愈的半导体元件相比，因具有有规则的晶体结构而具有更好的截止能力，并因此可用于更高的截止电压下。例如P-n二极管，双极晶体管，MOSFET，可控硅，IGBT或MCT就是这样的具有p-n结半导体元件，用于在截止状态下截止。
图2示出了SiC基功率MOSFET的实施例模型。其中，10代表源区，11代表基区，13代表氧化层，14代表栅电极，15代表源电极，16代表漏极电极。每个基区11作为第一SiC半导体区被嵌入一个以取向附生方式生长在SiC基片2上的、作为第二半导体区的SiC层3上，并与SiC层3导通型相反地掺杂。在各基区11与SiC层3之间形成的p-n结在MOSFET截止情况下主要承受截止电压。在每个基区内植入至少一个源区10，它与基区11导通型相反地掺杂，并因此以所属的基区11构成一个p-n结18。每个源区10与所属的基区11借助一个源极电极15电短路。各基区11例如用硼(B)掺杂，并可为了更高的闭锁强度而在源区10下方并在源电极15的接触区内通过附加植入铝(Al)而更强烈地掺杂。源区10和SiC层3优选用氮掺杂。两个半导体区的源区10和基区11可首先不进行中间自愈地被植入，而然后一起用本发明热自愈法自愈。在该实施形式中，可以一个单一的自愈步骤对带有两个p-n结17和18的整个植入结构自愈。漏极电极16设在SiC基片2的背向SiC层3的一侧。尤其可在SiC基片2内再设置一个植入的更高掺杂的漏极区，它可同样按本发明热自愈法自愈。该MOSFET因此具有垂直结构。
显然，半导体区的导通型在所有实施例中也可以彼此互换。
此外，植入过程和自愈过程可依次在一个唯一的、为两个过程设计的设备中进行。
权利要求
1.一种用于通过植入法掺杂的由碳化硅(SiC)组成的半导体区(4、10、11)的热自愈方法，其中，SiC半导体区(4、10、11)以最高100℃/min的冷却速度从至少1000℃的预定初始温度冷却到更低的最终温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，冷却速度最高为50℃/min。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，冷却速度最高为30℃/min。
4.按照上述任一项权利要求所述的方法，其中，初始温度调整到约1100℃到约1800℃之间。
5.按照上述权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，初始温度调整到约1400℃到约1750℃之间。
6.按照上述任一项权利要求所述的方法，其中，最终温度低于约600℃。
7.按照上述任一项权利要求所述的方法，其中，SiC半导体区(4、10、11)在从初始温度冷却到最终温度期间至少一次在分别确定的中间温度下保持一定时间。
8.按照上述任一项权利要求所述的方法，其中，SiC半导体区(4、10、11)在冷却到最终温度之前首先被加热到预定的初始温度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，将SiC半导体区(4、10、11)加热到初始温度的升温速度最高为100℃/min。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，将SiC半导体区(4、10、11)加热到初始温度的升温速度最高为30℃/min。
11.按照上述任一项权利要求所述的方法，其中，将SiC半导体区(4、10、11)在至少接近初始温度的温度下保温一段预定的时间。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，预定的时间选择在约2min到约60min之间。
13.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中，SiC半导体区(4、10、11)的一个表面(30)至少在从初始温度冷却到最终温速度期间处在一气流中。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，该气流含有至少一种惰性气体。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，该气流含有氢气。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，该气流的流速调整到约0.5cm/s到约60cm/s之间。
17.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中，SiC半导体区(4、10、11)设在一由石墨组成的容器(6)内部。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，容器(6)被感应加热。
19.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中，SiC半导体区(4、10、11)掺杂有至少一个受体。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，作为受体采用的是硼(B)和/或铝(Al)。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中，作为受体采用的是铝(Al)。
22.根据上述任一项权利要求所述的方法，其中，与SiC半导体(4)相毗连的气体介质(8)的压力调整到10000Pa至50000Pa之间。
23.一种半导体元件，它具有a)至少一个由预定导通型(n或p)的碳化硅(SiC)组成的第一半导体区(4，11)，该碳化硅通过植入法掺杂，b)至少另一个由与第一SiC半导体区(4、11)导通型相反的碳化硅组成的半导体区(3、10)，c)在两个SiC半导体区之间形成一个p-n结(5、17、18)，d)第一SiC半导体区(4、10、11)根据权利要求1至22中任一项所述的方法进行热自愈。
24.根据权利要求23所述的半导体元件，其中，至少另一个半导体区(10)通过植入法掺杂，并根据权利要求1至22中任一项所述的方法进行热自愈。
25.根据权利要求23或24所述的半导体元件，其中，至少一个第一半导体区(4、11)用硼(B)和/或铝(Al)掺杂，而至少另一个半导体区(3、10)用氮(N)掺杂。
全文摘要
一种用于通过植入法掺杂的SiC半导体区的热自愈方法和一种SiC基半导体元件。该通过植入法掺杂的SiC半导体区(4)以最高为100℃/min的冷却速度从至少1000℃的预定初始温度冷却到更低的最终温度。该半导体元件包含一个用该热自愈方法自愈的p－n结(5),并因此具有高的截止能力。
文档编号H01L21/04GK1267393SQ98808326
公开日2000年9月20日 申请日期1998年8月13日 优先权日1997年8月21日
发明者卡尔海因茨·霍尔兹莱因, 勒内·斯坦 申请人:西门子公司