降低磷离子注入（0001）取向的4H－碳化硅电阻率的方法

摘要

一种降低磷离子注入(0001)取向的4H－碳化硅电阻率的方法，其特征在于，包括如下步骤：通过模拟程序选定在4H－碳化硅上进行磷离子注入参数，以形成杂质在注入层中的均匀分布；将磷离子注入到4H－碳化硅(0001)晶面；注入的样品在纯净的氩气保护下高温退火。本发明通过控制磷离子注入速率，减少了注入损伤，从而改善了退火后注入层的结晶质量，使得在工艺处理难度降低的情况下(例如，注入温度和退火温度)，达到降低注入层电阻率的目的，样品表面平整光滑，而且并未观察到明显的表面Si的蒸发。

说明书

技术领域

本发明涉及一种降低磷离子注入(0001)取向的4H-SiC(碳化硅)电阻率的方法，更确切地说涉及一种在磷离子多重注入到(0001)取向的4H-SiC过程中，采用更低的磷离子注入速率，然后对注入的样品在高温下退火以获得低电阻率的方法。属于半导体技术领域。

背景技术

碳化硅作为第三代半导体材料的代表，因其具有宽禁带、高击穿电场、高热导率和高的饱和电子漂移速度特性，特别适合于高温、高功率高频电子器件的制作，正受到人们越来越广泛的关注和研究。选区掺杂是制造半导体平面器件必不可少的技术。为了减少场效应晶体管(例如JFET，MESFET，MOSFET等)的源区和漏区欧姆接触的电阻率和面积，都需要进行高剂量的施主掺杂。由于杂质在SiC中的扩散极低，传统的扩散工艺不能产生重掺杂区。然而离子注入技术通过调节加速电压和离子电流可精确控制离子注入深度和注入剂量，事实上成为SiC掺杂的唯一可行技术。氮和磷在SiC中都可形成施主杂质。然而在重掺杂情况下，氮的电激活变得很差，因而磷更容易获得低电阻率的注入层。

目前碳化硅器件主要制造在4H-SiC的(0001)晶面。当磷施主杂质注入到4H-SiC中时，磷杂质在电学上是未激活的，并且注入层中具有大量的由注入损伤而引起的缺陷。因此注入后需要退火以使杂质占据晶格位置且修复晶格损伤。退火温度普遍高于1500℃，然而那样的极端高温产生了一些严重问题，例如注入层的蒸发、注入杂质的重新分布以及表面宏观台阶结构的形成。为了建立与硅技术相兼容的注入过程，有几个主要的障碍需要克服，包括成功的室温注入、退火温度的降低和保持表面的平坦。

本发明以前的高剂量磷离子注入4H-SiC的(0001)晶面，所获得的最小方块电阻小于100Ω/sq。然而注入普遍是在高温(500-800℃)下完成的，注入剂量大约在1～3×10¹⁶P⁺cm^-2，磷施主平均浓度大约为2×10²⁰cm^-3，退火是在1700℃的高温下进行的。高温注入对掩模提出了更高的要求，而1700℃的退火温度对于防止4H-SiC表面层的蒸发，从工艺上实现起来会更困难。本发明在于发现当离子注入(0001)取向的4H-SiC时，如果能减少注入损伤，则退火后的磷杂质能更好地电学激活，注入层的晶格恢复的更好，从而降低了注入层的电阻率。本发明通过控制离子注入的速率，从而减少了离子注入损伤，在室温注入，较低退火温度(1500℃)下，就可获得方块电阻约为94Ω/sq的低电阻率注入层。这一结果可与其他工作者获得的方块电阻相比较，但却降低了对工艺的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低磷离子注入(0001)取向的4H-SiC电阻率的方法，通过控制磷离子注入速率，在磷离子注入(0001)取向的4H-SiC时，采用多重注入，然后在高温下退火以获得低电阻率的方法。该方法的优点是只需要在室温下注入，1500℃下退火，就可获得相当低的电阻率，降低了对碳化硅离子注入工艺处理的要求。

本发明的目的是通过下述方式实施的。

一种降低磷离子注入(0001)取向的4H-碳化硅电阻率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过模拟程序选定在4H-碳化硅上进行磷离子注入参数，以形成杂质在注入层中的均匀分布；

将磷离子注入到4H-碳化硅(0001)晶面；

注入的样品在纯净的氩气保护下高温退火。

其中磷离子注入为多重注入，磷离子全部注入剂量为2.0×10¹⁵P⁺cm^-2；磷离子注入速率控制在1.0×10¹²P⁺cm^-2s^-1；注入温度为室温，注入角度偏离[0001]方向7度，以避免注入离子的沟道效应。

其中退火的温度是1500℃，时间是15分钟，氩气压强为常压，流量为1000-3000sccm。

其中在退火的同时通入1sccm的硅烷气体，其流量保持在0.5到2sccm范围以避免样品表面硅的优先蒸发。

其中注入层的电阻率为4.7×10^-3Ωcm，方块电阻为94Ω/sq。

其中磷离子注入能量即注入深度必须保证注入层中磷离子平均浓度不小于4×10¹⁹cm^-3。

其中所述的退火是从室温加热到1500℃的时间小于1分钟。

附图说明

为进一步表明本发明的技术特征，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1为本发明多重磷离子注入的蒙特卡罗程序TRIM模拟结果和SIMS测试结果比较。

图2为现有常用离子注入速率与本方法注入速率所获得的注入层在退火前的低温光致发光谱的比较。

图3为现有常用离子注入速率与本方法注入速率所获得的注入层在退火后的低温光致发光谱的比较。

图4为现有常用离子注入速率与本方法注入速率所获得的注入层在退火后变温电阻率的比较。

图5为现有常用离子注入速率所获得的注入层，在退火后的原子力表面形貌图。

图6为本发明的离子注入速率所获得的注入层，在退火后的原子力表面形貌图。

具体实施方式

本发明一种降低磷离子注入(0001)取向的4H-碳化硅电阻率的方法，包括如下步骤：

通过模拟程序选定在4H-碳化硅上进行磷离子注入参数，以形成杂质在注入层中的均匀分布；其中注入层的电阻率为4.7×10^-3Ωcm，方块电阻为94Ω/sq；

将磷离子注入到4H-碳化硅(0001)晶面；其中磷离子注入为多重注入，磷离子全部注入剂量为2.0×10¹⁵P⁺cm^-2；磷离子注入速率控制在1.0×10¹²P⁺cm^-2s^-1；注入温度为室温，注入角度偏离[0001]方向7度，以避免注入离子的沟道效应；其中磷离子注入能量即注入深度必须保证注入层中磷离子平均浓度不小于4×10¹⁹cm^-3；

注入的样品在纯净的氩气保护下高温退火；其中退火的温度是1500℃，时间是15分钟，氩气压强为常压，流量为1000-3000sccm；其中在退火的同时通入1sccm的硅烷气体，其流量保持在0.5到2sccm范围以避免样品表面硅的优先蒸发；其中所述的退火是从室温加热到1500℃的时间小于1分钟。

图2-图6是对现有技术和本发明的说明和比较。为了便于比较，两种方法除了注入速率不同，其它处理条件完全相同。图2为现有常用高剂量离子注入速率与本方法的注入速率所获得的样品在退火前的低温光致发光谱的比较。可以看出，现有方法注入4H-SiC后，注入层被完全非晶化，而使用本方法，注入层则是部分非晶化。图3为在1500℃退火15分钟后的低温发光谱的比较。可以看出，本方法获得的注入层在退火后发光强度明显高于常用的注入方法，说明受损的晶格恢复的更好，而且也可以看出自由电子浓度更高，这更有利于注入层电阻率的降低。图4为常用方法与本方法获得的注入层的变温电阻率的比较。可以看出，无论在高温、常温还是低温，本方法的电阻率都远小于常用的注入方法。这说明本方法在降低电阻率方面确实是很明显的。图5和图6分别是常用方法和本方法在退火后的原子力显微图像。常用的方法在退火后的均方根粗糙度为1.53nm，而本方法退火后为1.25nm，表明本方法在高温退火后表面更为光滑一些，同时并未观察到明显的表面硅的优先蒸发。

综上所述，本方法能够在工艺处理难度降低的情况下(例如，注入温度和退火温度)，极大地降低注入层的电阻率，并且表面更为光滑一些。

本发明的原理是基于当高剂量的磷离子注入(0001)取向的4H-SiC时，注入层受到损伤严重会出现非晶化现象。由于4H-SiC的C-Si双原子层堆叠顺序并不保存在(0001)晶面，在高温退火时，非晶注入层很难按照注入层下面的4H-SiC晶体结构生长，而是会诱发其它SiC多型体的生长，严重降低注入层的电学性能。然而本发明对高剂量注入采用更低的注入速率，避免了注入层的非晶化。高剂量的离子注入后，注入层只是部分受到损伤，基本保留了原有的4H-SiC晶体结构，因而注入层的电学性能得到极大的提高。

实施例

1、利用模拟程序选定注入参数，以保证注入的磷杂质在注入层中分布均匀。磷离子全部注入剂量为2.0×10¹⁵P⁺cm^-2，进行多重注入，其能量分别为：450、280、140、50keV，相对应的剂量比为：0.38、0.26、0.2、0.16(图1)。

2、磷离子注入到4H-SiC(0001)晶面。磷离子注入速率控制在1.0×10¹²P⁺cm^-2s^-1。注入温度为室温。注入角度偏离[0001]方向7度以避免注入离子的沟道效应。

3、注入的样品在1500℃下退火15分钟。退火是在纯净的氩气保护下完成的，氩气压强为1个标准大气压，流量为3000sccm。为了避免样品表面硅的优先蒸发，同时通入1sccm的SiH₄气体。

离子注入能量(即注入深度)可改变，但必须保证注入层中磷离子平均浓度不小于4×10¹⁹cm^-3，这可以通过增加注入剂量来提高注入层中的杂质浓度。在离子注入剂量保持不变的条件下，可增加注入的重数，这样更有利于杂质的均匀分布，但注入重数不能小于3重。氩气流量不应小于1000sccm，SiH₄流量应当保持在0.5到2sccm范围。样品退火应当使用快速热退火，从室温加热到1500℃应当不超过1分钟。

对由以上步骤制备的样品进行测试分析，退火前注入层的低温光致发光谱的谱峰结构与未注入4H-SiC相似，只是强度减弱，表明注入层部分受损，而现有方法获得的注入层是完全非晶结构(图2)。退火后发光谱强度得到恢复，接近未注入4H-SiC的强度，而且也比现有方法恢复的更好(图3)，说明受损的晶格基本得到恢复，这更有利于注入层电阻率的降低。样品注入层的电阻率为4.7×10^-3Ωcm，方块电阻为94Ω/sq，比之用现有方法获得的电阻率明显降低(图4)。现有常用离子注入速率所获得的注入层在退火后的均方根粗糙度为1.53nm，而本方法退火后为1.25nm(图5和图6)，本方法在高温退火后表面更为光滑一些。

本发明通过控制磷离子注入速率，减少了注入损伤，从而改善了退火后注入层的结晶质量，使得在工艺处理难度降低的情况下(例如，注入温度和退火温度)，达到降低注入层电阻率的目的，样品表面平整光滑，而且并未观察到明显的表面Si的蒸发。