CN111243941A - 提高碳化硅少子寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高碳化硅少子寿命的方法，该方法包括将碳化硅外延层在氧气中升温氧化；保持温度不变，将得到的碳化硅通入NO气体进行氮氧氧化；将得到的碳化硅在缓冲液中浸泡去除氧化过程中在碳化硅外延层表面形成的氧化层；将得到的碳化硅在惰性气体下退火，即得到处理后的碳化硅。本发明通过使用高温、长时间氧化的方法，可将少子寿命提升至4微秒；本发明能获得低深能级缺陷密度，高少子寿命的SiC外延材料，适用于制作高压双极性半导体功率电子器件；SiC外延层少子寿命的提高，有利于外延层晶体质量的提高，有利于器件承受更高的功率，降低导通损耗。
Description
技术领域
本发明属于宽禁带半导体材料制备领域，尤其是涉及一种提高碳化硅少子寿命的方法。
背景技术
碳化硅(SiC)作为第三代宽禁带半导体材料，由于高临界击穿场强、高的热导率、高的电子饱和漂移速率、优越的机械特性和物理、化学稳定性等特点，在高温、高频、大功率、抗辐射等领域，尤其是高温或强腐蚀性等恶劣环境中具有巨大的应用潜力。SiC基功率半导体器件具有高效、节能的优点，拥有巨大的应用潜力，在绿色能源革命中被寄予厚望。随着SiC超高压器件的研发，与此相关的科学问题也亟待解决。高性能的超高压电力电子器件(＞10kV)均为双极性器件，超厚低掺杂外延层中载流子寿命的调控对于实现低功耗的双极型器件至关重要。以SiC IGBT(绝缘栅双极型晶体管)器件为例，对于10kV阻挡层，要求载流子寿命大于2微秒，对于20kV阻挡层，要求载流子寿命大于20微秒。研究表明低少子寿命对器件来说非常不利，它会显著增大SiC基IGBT器件的开态电阻。实现载流子寿命的调控显得至关重要。控制SiC材料的少子寿命需要从两方面考虑：一是注意在工艺过程中控制，使之不发生变化。主要是注意清洁度和操作过程的控制，以避免有害杂质的引入和减少工艺诱生的二次缺陷。二是通过有意减少杂质和缺陷，因为许多缺陷和杂质都将构成符合中心。通过外延生长工艺优化、氧化/退火和离子注入等手段，引起缺陷湮灭进而达到调控少子寿命的目的。目前商用的碳化硅材料，外延层载流子寿命水平仅仅在0.5-2μs，难以满足器件要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种提高碳化硅少子寿命的方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种提高碳化硅少子寿命的方法，包括：
(1)将碳化硅外延层在氧气中升温氧化；
(2)保持温度不变，将步骤(1)得到的碳化硅通入NO气体进行氮氧氧化；
(3)将步骤(2)得到的碳化硅在缓冲液中浸泡去除氧化过程中在碳化硅外延层表面形成的氧化层；
(4)将步骤(3)得到的碳化硅在惰性气体下退火，即得到处理后的碳化硅。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种碳化硅，采用如上所述的方法得到。
基于上述技术方案可知，本发明的提高碳化硅少子寿命的方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明提供的这种提高碳化硅外延层少子寿命的方法，通过使用高温、长时间氧化的方法，可将少子寿命提升至4微秒；
2、本发明能获得低深能级缺陷密度，高少子寿命的SiC外延材料，适用于制作高压双极性半导体功率电子器件；
3、SiC外延层少子寿命的提高，有利于外延层晶体质量的提高，有利于器件承受更高的功率，降低导通损耗。
附图说明
图1是本发明实施例中提高碳化硅少子寿命的方法流程图；
图2是本发明实施例中高温氧化后少子寿命沿晶片径向的分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种提高碳化硅少子寿命的方法，包括：
(1)将碳化硅外延层在氧气中升温氧化；
(2)保持温度不变，将步骤(1)得到的碳化硅通入NO气体进行氮氧氧化；
(3)将步骤(2)得到的碳化硅在缓冲液中浸泡去除氧化过程中在碳化硅外延层表面形成的氧化层；
(4)将步骤(3)得到的碳化硅在惰性气体下退火，即得到处理后的碳化硅。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中所述升温氧化步骤中升高温度至1300至1600℃。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中所述氧化时间为5至50小时。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中所述氮氧氧化步骤中氧化时间为20至60分钟。
在本发明的一些实施例中，步骤(3)中所述缓冲液包括氢氟酸缓冲液。
在本发明的一些实施例中，步骤(3)中所述浸泡时间为3至8分钟。
在本发明的一些实施例中，步骤(4)中所述退火温度为1300至1600℃；
在本发明的一些实施例中，步骤(4)中所述退火时间为20至60分钟。
在本发明的一些实施例中，步骤(4)中所述惰性气体包括氩气。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)开始前先对碳化硅外延层进行清洗。
本发明还公开了一种碳化硅，采用如上所述的方法得到。
在本发明的一些实施例中，所述碳化硅少子寿命大于或等于4微秒。
在一个示例性实施例中，本发明的提高碳化硅(SiC)外延材料少子寿的方法采用高温氧化方法对碳化硅厚外延层(30-300微米)进行高温氧化，首先对4H-SiC厚外延层进行清洗，之后通入O2在1300-1600℃的高温下进行氧化5-50个小时，随后保持温度条件不变，通入NO气体进行氮氧氧化20-60分钟，然后在HF缓冲液(HF∶H2O体积比为1∶5-1∶10)中浸泡3-8分钟去掉外延片表面的氧化层，最后通入Ar气氛，在1300-1600℃的温度下退火20-60分钟。用μPCD(微波光电导衰退法)或者TRPL(时间分辨光致发光光谱)等方法测试载流子寿命。本发明能制备出高载流子寿命、界面态密度低，可以满足双极性器件制备需求的4H-SiC厚外延材料，适用于半导体大功率电子电力器件，可显著降低能耗，提高器件性能。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
下述实施例中使用的化学药品和原料均为市售所得或通过公知的制备方法自制得到。
本实施例提高碳化硅少子寿命的方法如图1所示，具体为采用100微米厚4H-SiC外延片，在Si(0001)表面朝
方向偏4度的衬底上同质外延生长，清洗干净后放入高温氧化炉中，通入氧气，升温至1350℃后保持温度不变15个小时，随后保持温度不变将氧气气氛换成NO，保持30分钟。然后在HF缓冲液(HF∶H2O＝1∶6)浸泡5分钟去掉氧化层，最后放入退火炉中，通入Ar气氛，在1550℃的温度下退火30分钟。结束后，用μPCD方法测试载流子寿命，结果如图2所示为μPCD方法测试的高温氧化后少子寿命沿晶片径向的分布图，说明了高温氧化有效的提高了碳化硅厚氧化层的少子寿命，将少子寿命最高提高到4μs。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提高碳化硅少子寿命的方法，包括：
(1)将碳化硅外延层在氧气中升温氧化；
(2)保持温度不变，将步骤(1)得到的碳化硅通入NO气体进行氮氧氧化；
(3)将步骤(2)得到的碳化硅在缓冲液中浸泡去除氧化过程中在碳化硅外延层表面形成的氧化层；
(4)将步骤(3)得到的碳化硅在惰性气体下退火，即得到处理后的碳化硅。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤(1)中所述升温氧化步骤中升高温度至1300至1600℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤(1)中所述氧化时间为5至50小时。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤(2)中所述氮氧氧化步骤中氧化时间为20至60分钟。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤(3)中所述缓冲液包括氢氟酸缓冲液。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤(3)中所述浸泡时间为3至8分钟。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤(4)中所述退火温度为1300至1600℃；
步骤(4)中所述退火时间为20至60分钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤(4)中所述惰性气体包括氩气。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤(1)开始前先对碳化硅外延层进行清洗。
10.一种碳化硅，采用如权利要求1至9任一项所述的方法得到；
其中，所述碳化硅少子寿命大于或等于4微秒。
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