CN107833727A - 一种稀磁半导体材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种稀磁半导体材料的制备方法包括，在衬底材料上制备外延层，得到基底材料，然后将基底材料置于高能离子注入机中，以第一能量和第一剂量将第一离子注入到外延层中，再以第二能量和第二剂量将第二离子注入到外延层中，得到掺杂材料，最后将掺杂材料置于快速退火炉中，以第一温度退火至第一时间。相对于现有技术中的单一能态的离子注入法，本发明采用双能太离子注入，以不同的能量和剂量向半导体衬底中注入离子，能够改善磁性离子在稀磁半导体薄膜的纵向方向分布的均匀程度，使用更低剂量的磁性离子就可以获得更优异的铁磁性，使稀磁半导体材料在分立器件和集成电路中获得更广泛的应用。

Description

一种稀磁半导体材料制备方法
技术领域
本发明实施例涉及半导体材料制备技术领域，尤其涉及一种稀磁半导体材料制备方法。
背景技术
半导体材料和磁性材料是现代信息技术中不可或缺的两类重要的材料，使磁特性和半导体特性相结合，制造新型功能器件是磁电子学发展的一个非常重要的分支领域。因此，将现有半导体材料磁性化，在材料实用和基础物理学角度讲都是非常有意义的。
目前，单一能态离子注入法是一种常见的铁磁性半导体制薄膜材料的制备方法。这种方法是将具有铁磁性的离子注入到半导体衬底中，从而获得具有铁磁性的半导体薄膜。
然而，单一能态的离子注入法制备出的稀磁半导体材料的磁性元素在薄膜深度的方向上是高斯分布的，对于使用稀磁半导体薄膜制备出的器件的应用也受到了限制；且单一能态的离子注入法所需要的磁性元素剂量相对较大。稀磁半导体薄膜中的磁性元素需要在纵向分布上进行改进，使用更低剂量的磁性离子来获得更优异的铁磁性，能够使稀磁半导体材料在分立器件和集成电路中获得更广泛的应用。
发明内容
本发明提供一种稀磁半导体材料制备方法，以改善磁性元素在稀磁半导体材料纵向分布的均匀程度，使用更低剂量的磁性离子来获得更优异的铁磁性。
为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，
提供衬底材料，在所述衬底材料上制备外延层，得到基底材料；
将所述基底材料置于高能离子注入机中，以第一能量和第一剂量将第一离子注入到所述外延层中；
以第二能量和第二剂量将第二离子注入到所述外延层中，得到掺杂材料；
将所述掺杂材料置于快速退火炉中，以第一温度退火至第一时间。
本发明实施例提供的稀磁半导体材料的制备方法包括，在衬底材料上制备外延层，得到基底材料，然后将基底材料置于高能离子注入机中，以第一能量和第一剂量将第一离子注入到外延层中，再以第二能量和第二剂量将第二离子注入到外延层中，得到掺杂材料，最后将掺杂材料置于快速退火炉中，以第一温度退火至第一时间。相对于现有技术中的单一能态的离子注入法，本发明采用双能太离子注入，以不同的能量和剂量向半导体衬底中注入离子，能够改善磁性离子在稀磁半导体薄膜的纵向方向分布的均匀程度，使用更低剂量的磁性离子就可以获得更优异的铁磁性，使稀磁半导体材料在分立器件和集成电路中获得更广泛的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的一种稀磁半导体材料制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例二提供的一种稀磁半导体材料制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种稀磁半导体材料制备方法的流程示意图。该方法可用来制备稀磁半导体薄膜材料。如图1所示，该方法包括：
S110、提供衬底材料，在所述衬底材料上制备外延层，得到基底材料。
其中，衬底材料又称基板材料，也被称之为支撑衬底材料。衬底主要是外延层生长的基板，在生产和制作过程中，起到支撑和固定的作用。且与外延层的特性配合要求比较严格，否则会影响力到外延层的生长或是芯片的品质。外延层是指生长沉积在衬底上的部分，外延层的厚度比衬底的厚度小很多。基底材料是指在衬底材料上生长有外延层的外延片，包括衬底材料和外延层。
S120、将所述基底材料置于高能离子注入机中，以第一能量和第一剂量将第一离子注入到所述外延层中。
其中，高能离子注入机是集成电路制造前工序中的关键设备，离子注入是对半导体表面附近区域进行掺杂的技术，其目的是改变半导体的载流子浓度和导电类型。离子注入与常规热掺杂工艺相比可对注入剂量、注入角度、注入深度、横向扩散等方面进行精确的控制，克服了常规工艺的限制，提高了电路的集成度、开启速度、成品率和寿命，降低了成本和功耗。离子注入机广泛用于掺杂工艺，可以满足浅结、低温和精确控制等要求，已成为集成电路制造工艺中必不可少的关键装备。第一能量是指在进行第一次离子注入时，使用的注入能量，第一剂量是指在进行第一次离子注入时，磁性元素的注入剂量，一般注入剂量的单位是每平方厘米包含多少个原子。第一离子是在进行第一次离子注入时，注入到外延层中的离子。
S130、以第二能量和第二剂量将第二离子注入到所述外延层中，得到掺杂材料。
其中，第二能量是指在进行第二次离子注入时，使用的注入能量，第二剂量是指在进行第二次离子注入时，磁性元素的注入剂量，一般注入剂量的单位是每平方厘米包含多少个原子。第二离子是在进行第二次离子注入时，注入到外延层中的离子。在完成两次离子注入之后，得到的材料称为掺杂材料。
S140、将所述掺杂材料置于快速退火炉中，以第一温度退火至第一时间。
其中，快速退火炉是以碘钨灯管为发热元件，升温速度极快，采用S型热电偶测温并采用国际领先的模糊PID控制，具有很高的控温精度(±5℃)，快速退火炉具有真空装置，可在多种气氛下工作。第一退火温度是掺杂材料在快速退火炉中需要达到的退火温度。第一时间是指掺杂材料在快速退火炉中退货需要保持的时间。
本实施例提供了一种稀磁半导体材料制备方法。该方法包括：在衬底材料上制备外延层，得到基底材料，然后将基底材料置于高能离子注入机中，以第一能量和第一剂量将第一离子注入到外延层中，再以第二能量和第二剂量将第二离子注入到外延层中，得到掺杂材料，最后将掺杂材料置于快速退火炉中，以第一温度退火至第一时间。相对于现有技术中的单一能态的离子注入法，本发明采用双能太离子注入，以不同的能量和剂量向半导体衬底中注入离子，能够改善磁性离子在稀磁半导体薄膜的纵向方向分布的均匀程度，使用更低剂量的磁性离子就可以获得更优异的铁磁性，使稀磁半导体材料在分立器件和集成电路中获得更广泛的应用。
可选的，所述衬底材料可以是蓝宝石衬底材料。
其中，衬底材料可以为多种，例如蓝宝石衬底，硅衬底，碳化硅衬底和氧化锌衬底等。蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好，蓝宝石稳定性很好能够运用在高温生长过程中，且蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此本发明实施例以蓝宝石衬底为例进行说明。
可选的，所述外延层可以是氮化镓材料。
其中，外延层的生产方法有多种，比较典型的是气相外延和有机金属化学气相沉积。例如，在一块加热至适当温度的衬底基片(主要有蓝宝石和、SiC、 Si)上，气态物质InGaAlP有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。
可选的，所述第一能量为150～250keV，所述第一剂量为1×1014～1× 1015/cm2，所述第一离子为稀土元素离子。
其中，稀土元素就是化学元素周期表中镧系元素--镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥，以及与镧系的15个元素密切相关的元素-钇和钪共17种元素。它们的共性是：原子结构相似；离子半径相近；它们在自然界密切共生。
示例性的，第一离子可以为稀土元素镝。
可选的，所述第二能量为300～450keV，所述第二剂量为1×1014～1× 1015/cm2，所述第二离子为稀土元素离子，过渡族金属离子或非金属离子。
示例性的，第二离子可以为稀土元素离子，例如钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒等，可以为过渡族金属元素离子，例如铁、钴、镍、锰等，或者为非金属元素，例如氧、碳、氮等。
可选的，所述第一温度为600～900℃，所述第一时间为1～5分钟。
示例性的，第一温度可以为600℃，700℃，800℃，900℃等温度，第一时间可以为5分钟。
实施例二
图2为本发明实施例二提供的一种稀磁半导体材料制备方法的流程示意图。该方法可由上述实施例提供的任一一种裸眼3D显示屏来执行。如图所示，该方法包括：
S210、提供衬底材料，在所述衬底材料上制备外延层，得到基底材料。
S220、将所述基底材料置于高能离子注入机中，以第一能量和第一剂量将第一离子注入到所述外延层中。
S230、以第二能量和第二剂量将第二离子注入到所述外延层中，得到掺杂材料。
S240、将所述掺杂材料置于快速退火炉中，向所述快速退火炉中通入氮气至快速退火炉中的空气排净。
示例性的，将掺杂材料置于快速退火炉中的石英托盘中，密封快速退火炉，想快速退火炉中通入氮气，直至其中的空气排净。
S250、输入退火参数，以第一温度退火至第一时间。
示例性的，退火炉中充满氮气气氛后，加热，先对快速退火炉进行预热，待退火炉预热稳定后，在计算机软件中输入相关参数，控制快速退火炉以一定的升温速率升温至所需温度，然后保持一定的时间，退火结束后，再以一定的降温速率使退火炉降至一定温度，之后自然冷却至室温。待退火炉自然冷却至室温以后，将掺杂材料取出，获得稀磁半导体材料。
本发明实施例提供的稀磁半导体材料的制备方法包括，在衬底材料上制备外延层，得到基底材料，然后将基底材料置于高能离子注入机中，以第一能量和第一剂量将第一离子注入到外延层中，再以第二能量和第二剂量将第二离子注入到外延层中，得到掺杂材料，最后将掺杂材料置于快速退火炉中，以第一温度退火至第一时间。相对于现有技术中的单一能态的离子注入法，本发明采用双能太离子注入，以不同的能量和剂量向半导体衬底中注入离子，能够改善磁性离子在稀磁半导体薄膜的纵向方向分布的均匀程度，使用更低剂量的磁性离子就可以获得更优异的铁磁性，使稀磁半导体材料在分立器件和集成电路中获得更广泛的应用。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种稀磁半导体材料制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底材料，在所述衬底材料上制备外延层，得到基底材料；
将所述基底材料置于高能离子注入机中，以第一能量和第一剂量将第一离子注入到所述外延层中；
以第二能量和第二剂量将第二离子注入到所述外延层中，得到掺杂材料；
将所述掺杂材料置于快速退火炉中，以第一温度退火至第一时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底材料可以是蓝宝石衬底材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述外延层可以是氮化镓材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述第一能量为150～250keV，所述第一剂量为1×1014～1×1015/cm2，所述第一离子为稀土元素离子。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述第二能量为300～450keV，所述第二剂量为1×1014～1×1015/cm2，所述第二离子为稀土元素离子，过渡族金属离子或非金属离子。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述第一温度为600～900℃，所述第一时间为1～5分钟。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述掺杂材料置于快速退火炉中，以第一温度退火至第一时间具体包括：
将所述掺杂材料置于快速退火炉中，向所述快速退火炉中通入氮气至快速退火炉中的空气排净；
输入退火参数，以第一温度退火至第一时间。
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