CN110752159B - 对氧化镓材料退火的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种对氧化镓材料退火的方法,其特征在于,所述方法包括:在紫外光照射所述氧化镓材料的同时,将所述氧化镓材料在300‑700℃的温度范围内保持。该方法可以在低温下完成掺杂氧化镓材料的离子激活,同时可以修复缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造行业,具体涉及一种对氧化镓材料退火的方法。
背景技术
氧化镓材料是一种新兴的超宽禁带半导体材料。对于其在半导体器件制备过程中的具体处理方式,仍处于摸索和发展阶段。
氧化镓材料可以用于耐高压晶体管。制备耐高压晶体管时,为了对氧化镓材料进行离子激活和晶格修正,需要对氧化镓材料进行退火。当前的退火工艺需在高温下进行,否则无法完成激活。高温退火导致高能耗并可能引入新的缺陷。
对于氧化镓材料的退火工艺,有改进的需要。
发明内容
在一个方面,本发明提供一种对氧化镓材料退火的方法,其特征在于,所述方法包括:
在紫外光照射所述氧化镓材料的同时,将所述氧化镓材料在300-700℃的温度范围内保持。
优选地,所述退火在氧气气氛下进行。
优选地,所述紫外光包括波长为185nm和254nm的紫外光。
优选地,所述氧化镓材料是硅离子注入掺杂的氧化镓材料。
优选地,将所述氧化镓材料在550-650℃的温度范围内保持。
优选地,保持时间为10min-3h。
优选地,所述紫外光照射强度为20-200mw/cm2。
附图说明
图1示出了硅离子注入前的氧化镓晶体。
图2示出了硅离子注入过程。
图3示出了掺杂硅之后氧化镓晶格的畸变。
图4示出了本发明的方法的一个实施方案。
图5示出了经过紫外光和热处理后的晶格状态。
具体实施方式
氧化镓材料是晶体材料。一般地,使用离子注入技术对氧化镓材料进行掺杂,使掺杂达到所需的浓度,从而实现相应的导电能力。离子注入工艺在注入过程中会对氧化镓晶体造成损伤,使原子离开原有位置,形成空位。如果注入能量过大,被击打出原有位置的原子会经由级联碰撞再次击打出另外的原子,从而形成二次损伤。由于离子注入所造成的损伤及畸形团,使包含氧化镓材料的器件中载流子迁移率和寿命受到影响,从而降低器件性能。为了修复材料损伤,需要在适当的时间和温度下将半导体退火。
此外,还需进行离子激活。离子激活是指在杂质粒子进入半导体内部后,有很多杂质原子在半导体晶格间隙位置,通过退火的方式使处于晶格间隙位置的施主或者受主原子进入半导体晶格位置,从而起到提供载流子的作用,这种处理过程就称为杂质的激活。典型地利用热退火进行离子激活。进行离子激活所需的温度至少为800℃。
当前的退火工艺需在高温下进行,否则无法完成激活。高温退火导致高能耗并可能引入新的缺陷。
本发明意在提供一种对氧化镓材料退火的方法,以在较低温度下完成离子激活和材料缺陷修复。
在一个方面,本发明提供一种对氧化镓材料退火的方法,其特征在于,所述方法包括:
在紫外光照射所述氧化镓材料的同时,将所述氧化镓材料在300-700℃的温度范围内保持。
换言之,本发明提供的方法是在上述温度范围内进行退火,并同时对氧化镓材料进行紫外光照射。发明人出人意料的发现,在低温退火的同时施加紫外光,可以完成氧化镓材料的缺陷修复和其中掺杂离子的激活。在本发明中,退火温度可以降至低于800℃。与此相比,为了,常规退火需在进行800℃以上的高温退火来完成离子激活。
在本发明中,氧化镓材料一般指离子掺杂的氧化镓材料,因为离子掺杂的氧化镓材料通常需要进行离子激活。不过,本发明的方法也可以用于纯氧化镓材料进行缺陷修复。
本发明的方法在退火同时引入了紫外光照射,并相应降低退火温度。本发明中,紫外光能量和热能同时作用于氧化镓材料,使其晶格的畸变消失,并且激活掺杂离子。
优选地,退火在氧气气氛下进行。氧气气氛可以提供氧自由基,修复材料缺陷。发明人出人意料地发现,在氧气气氛下,当紫外光照射氧气并且处在加热条件下时,会形成臭氧。而在形成臭氧的同时,会同时产生一个多余的氧自由基。产生的该氧自由基可以通过与氧化镓材料结合,修复氧化镓材料中氧空位缺陷。
本发明的方法特别适用于硅离子注入掺杂的氧化镓材料。硅离子注入掺杂的氧化镓材料的杂质原子为硅,其在紫外光照射的帮助下特别容易得到激活。本发明的方法也特别适用于Sn注入掺杂的氧化镓材料。
优选地,将所述氧化镓材料在550-650℃的温度范围内保持,如在600℃保持。该温度范围可以在低温和快速之间取得最佳平衡。温度过低时,退火所需时间较长。温度过高时,能耗和对设备要求较高。
优选地,保持时间为10min至3h,如0.5-1.5h,如1h。退火时间过短,则离子激发不充分且缺陷修复不完全。退火时间过长,则造成能量和时间的浪费。
优选地,紫外光照射强度为20-200mw/cm2,如50-100mw/cm2,如60mw/cm2。紫外光照射强度过低,不能保证低温退火实现。紫外光强度过高,则对仪器和防护等的要求高,提高了成本。
优选地,紫外光包括波长为185nm和254nm的紫外光。当使用多种波长的紫外光的组合时,多种波长的紫外光可以配合具体气氛实现不同的功能。在含氧气氛中,可以使用波长分别为185nm和254nm的紫外光的组合。185nm的紫外光可以使氧气分子分解并与其他氧分子形成臭氧。254nm的紫外光则可以从臭氧分解出氧自由基。氧自由基可以修复氧化镓材料表面的固有缺陷和由于离子注入导致的缺陷。
参见用于示意性地说明本发明的图1-5。图1示出了硅离子注入前的氧化镓晶体。图2示出了对图1的晶体的硅离子注入过程。图3示出了掺杂硅之后氧化镓晶格的畸变。图中灰色点表示氧化镓点阵,黑色点表示掺杂的硅原子。图4示出了对氧化镓材料同时进行低温加热和紫外光照。图5示出了与图3相比,处理后的氧化镓材料中的畸变已经明显减小,材料得到了修复。
以下通过比较例和实施例来进一步描述本发明。其中,待离子注入的氧化镓样品得自山东大学,大小5mm*5mm及以上,厚度0.3-0.5mm及以上。
制备例1:硅离子注入后的氧化镓材料
在低掺杂Si氧化镓衬底上注入高剂量Si离子。具体地,Si作低掺杂衬底氧化镓掺杂杂质,浓度为1×1015cm-3。利用离子注入机注入Si离子到氧化镓衬底中,使其表面1微米以内的浓度达到1×1017cm-3。
比较例1:未进行后处理的氧化镓材料的性能
对制备例1的氧化镓材料直接进行性能表征。
结构性能:通过XRD图像,分析其晶格畸变程度。
导电性能:在样品正反两面生长Ti(20nm)/Au(80nm)欧姆电极,进行电流-电压测试,分析其导电特性。
比较例2:高温退火的氧化镓材料及其性能
在真空下对制备例1的氧化镓材料进行800℃退火3h。
结构性能:通过XRD图像,分析其晶格畸变程度,并与比较例1进行比较。结果表明,其晶格畸变程度减小。
导电性能:与比较例1一样分析其导电性能。结果表明,导电性能改善,说明其中Si离子得到了激活。
实施例1:紫外和热退火处理的氧化镓材料及其性能
在真空环境下,对制备例1的氧化镓材料进行紫外和热退火。具体地,在180nm-400nm紫外光照下,在300℃退火3h。紫外照射强度为200mw/cm2。
结构性能:通过XRD图像,分析其晶格畸变程度。与比较例1进行比较。结果表明,其晶格畸变程度减小。
导电性能:与比较例1一样分析其导电性能。结果表明,导电性能改善,说明其中Si离子得到了激活。与比较例2相比,导电性能进一步改善。这可能归因于紫外光引起Si粒子更好的激活。
实施例2:紫外和热退火处理的氧化镓材料及其性能
在真空环境下,对制备例1的氧化镓材料进行紫外和热退火。具体地,在180nm-400nm紫外光照下,在700℃退火3h。紫外照射强度为20mw/cm2。
结构性能:通过XRD图像,分析其晶格畸变程度。与比较例1进行比较。结果表明,其晶格畸变程度减小。
导电性能:与比较例1一样分析其导电性能。结果表明,导电性能改善,说明其中Si离子得到了激活。与比较例2相比,导电性能进一步改善。这可能归因于紫外光引起Si粒子更好的激活。
实施例3:紫外和热退火处理的氧化镓材料及其性能
在真空环境下,对制备例1的氧化镓材料进行紫外和热退火。具体地,在185nm和254nm紫外光照下,在600℃退火3h。紫外照射强度为60mw/cm2。
结构性能:通过XRD图像,分析其晶格畸变程度。与比较例1进行比较。结果表明,其晶格畸变程度减小。
导电性能:与比较例1一样分析其导电性能。结果表明,导电性能改善,说明其中Si离子得到了激活。与比较例2相比,导电性能进一步改善。这可能归因于紫外光引起Si粒子更好的激活。而且与实施例1和2相比,此温度条件得到的结果更佳。
实施例4:紫外和热退火处理的氧化镓材料及其性能
在真空环境下,对制备例1的氧化镓材料进行紫外和热退火。具体地,在185nm和254nm紫外光照下,在600℃退火1h。紫外照射强度为60mw/cm2。
结构性能:通过XRD图像,分析其晶格畸变程度。与比较例1进行比较。结果表明,其晶格畸变程度减小。
导电性能:与比较例1一样分析其导电性能。结果表明,导电性能改善,说明其中Si离子得到了激活。与比较例2相比,导电性能进一步改善。这可能归因于紫外光引起Si粒子更好的激活。而且与实施例1和2相比,此温度条件得到的结果更佳。与实施例3相比,尽管时间减少2/3,但结构性能和导电性能基本相同。
实施例5:紫外和热退火处理的氧化镓材料及其性能
在氧气环境下,对制备例1的氧化镓材料进行紫外和热退火。具体地,在185nm和254nm紫外光照下,在600℃退火1h。紫外照射强度为60mw/cm2。
结构性能:通过XRD图像,分析其晶格畸变程度。与比较例1-2和实施例1-4进行比较,其晶格畸变程度均较小。这可以归因于紫外光照射形成的氧自由基对缺陷的修复作用。
导电性能:与比较例1一样分析其导电性能。结果表明,与比较例1-2和实施例1-4相比,导电性能更佳,说明在激活其中的Si离子的基础上,晶体中的缺陷更少。
从以上实施例和比较例可以看出,通过实施本发明的方法,可以在低温下完成氧化镓材料的修复和离子激活。
显然,本领域的技术人员可以对本公开实施例进行各种改动和变型而不脱离本公开的精神和范围。这样,倘若本公开的这些修改和变型属于本公开权利要求及其等同技术的范围之内,则本公开也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种对离子注入掺杂的氧化镓材料退火以修复所述离子注入掺杂的氧化镓材料中的氧空位缺陷并进行离子激活的方法,其特征在于,所述方法包括:
在紫外光照射所述离子注入掺杂的氧化镓材料的同时,将所述离子注入掺杂的氧化镓材料在300-700℃的温度范围内保持,所述退火在氧气气氛下进行,所述紫外光包括波长为185nm和254nm的紫外光。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:
所述离子注入掺杂的氧化镓材料是硅离子注入掺杂的氧化镓材料。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:
将所述离子注入掺杂的氧化镓材料在550-650℃的温度范围内保持。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:
保持时间为10min-3h。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:
所述紫外光照射强度为20-200mw/cm2。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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