CN117637449A - 半绝缘碳化硅衬底制备方法及碳化硅衬底 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半绝缘碳化硅衬底制备方法及碳化硅衬底。在待加工碳化硅衬底表面以高能量进行氧注入，形成氧沉淀。注入的氧都集中在待加工碳化硅衬底近表面处，使得高温退火处理形成的氧沉淀也都集中在待加工碳化硅衬底的近表面处，避免了现有技术的掺杂工艺中，在碳化硅衬底内产生沉淀物，导致碳化硅衬底中的微管缺陷；以高能量进行氧注入，提升了待加工碳化硅衬底近表面处氧沉淀的浓度，从而提升氧沉淀吸收待加工碳化硅衬底中的杂质的效果，被吸收了杂质的待加工碳化硅衬底成为高纯的本征半绝缘碳化硅衬底，提升获得的沉淀碳化硅衬底的绝缘性，提升获得的沉淀碳化硅衬底的电阻率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种半绝缘碳化硅衬底制备方法及碳化硅衬底。
背景技术
现有技术中，半绝缘碳化硅大多由掺杂V(钒)元素或者单纯经过电子辐照来制备半绝缘碳化硅材料。
经过V元素掺杂的碳化硅衬底中V的掺杂浓度太低，导致碳化硅衬底无法达到理想的半绝缘特性效果，V元素的掺杂浓度过高，半绝缘碳化硅材料中会产生微管缺陷；V元素掺杂的纵向深度不深，导致碳化硅衬底的纵向电阻分布不均匀，又会导致半绝缘碳化硅衬底在纵向上的半绝缘特性差。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种半绝缘碳化硅衬底制备方法，包括：
提供具有杂质的待加工碳化硅衬底；
对所述待加工碳化硅衬底进行氧注入，所述氧注入的深度集中于所述待加工碳化硅衬底的近表面；
对所述待加工碳化硅衬底进行高温退火处理，使得注入的氧在所述待加工碳化硅衬底的近表面形成氧沉淀，所述氧沉淀吸收所述待加工碳化硅衬底中的杂质，在所述待加工碳化硅衬底的近表面形成氧沉淀层，降低所述待加工碳化硅衬底内的杂质的含量；
去除吸收有杂质的氧沉淀层，获得本征高纯半绝缘碳化硅衬底。
可选的，所述待加工碳化硅衬底中的杂质包括：N、B、Al、P中的一种或几种。
可选的，所述氧注入的计量范围为1017cm-2～1020cm-2，所述氧注入的能量范围为0.3MeV～3MeV，所述氧注入的温度范围为600℃～800℃。
可选的，所述氧注入的深度范围为0.1μm～3μm。
可选的，所述高温退火处理的温度范围为600℃～1100℃，所述高温退火处理的时间范围为10分钟～100分钟。
可选的，通过化学腐蚀、机械磨抛去除所述氧沉淀层。
可选的，所述氧沉淀层的厚度范围为0.1μm～3μm。
本发明实施例还提供一种半绝缘碳化硅衬底，采用上述的一种半绝缘碳化硅衬底制备方法制备。
综上所述，本发明的优点及有益效果为：
本发明提供一种半绝缘碳化硅衬底制备方法及碳化硅衬底。包括：提供具有杂质的待加工碳化硅衬底；对所述待加工碳化硅衬底进行氧注入，所述氧注入的深度集中于所述待加工碳化硅衬底的近表面；对所述待加工碳化硅衬底进行高温退火处理形成氧沉淀，所述氧沉淀吸收所述待加工碳化硅衬底中的杂质，在所述待加工碳化硅衬底近表面处形成氧沉淀层，降低所述待加工碳化硅衬底内的杂质的含量；去除吸收有杂质的氧沉淀层，获得本征高纯半绝缘碳化硅衬底。
由于碳化硅本身的氧含量比较少，只有通过氧注入的方式才能再后续退火后真正的形成氧沉淀且在所述待加工碳化硅衬底近表面位置形成一整层的氧沉淀。由于氧的体积较大，注入的氧都集中在所述待加工碳化硅衬底表面的几个微米的位置，即为所述待加工碳化硅衬底的近表面处，使得高温退火处理形成的氧沉淀也都集中在所述待加工碳化硅衬底的近表面处，不会进入到所述碳化硅衬底的内部，避免了现有技术的掺杂工艺中，在碳化硅衬底内产生沉淀物，导致碳化硅衬底中的微管缺陷，同时，所述氧沉淀在所述待加工碳化硅衬底的近表面处为一整层，更有利于所述氧沉淀纵向吸收所述待加工碳化硅衬底内的杂质，且当吸杂完成后，去除所述氧沉淀层，对获得的所述半绝缘碳化硅衬底也无影响且易于操作，满足现有工艺需求；另一方面，以高能量进行氧注入，提升了所述待加工碳化硅衬底近表面处氧沉淀的浓度，从而提升所述氧沉淀吸收所述待加工碳化硅衬底中的杂质的效果，所述待加工碳化硅衬底中的杂质被吸收到所述氧沉淀层，使得所述待加工碳化硅衬底中的杂质的含量减少，去除所述氧沉淀层后，被吸收了杂质的所述待加工碳化硅衬底成为高纯的本征半绝缘碳化硅衬底，进而提升所述半绝缘碳化硅衬底中的少子寿命高，且所述半绝缘碳化硅衬底的续热稳定性高，提升获得的所述碳化硅衬底的绝缘性，提升获得的所述碳化硅衬底的电阻率。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种半绝缘碳化硅衬底制备方法的流程示意图；
图2～图5为本发明实施例中的一种半绝缘碳化硅衬底制备方法的示意图。
具体实施方式
碳化硅衬底可分为半绝缘型与导电型两种，其中，半绝缘型碳化硅衬底具有高电阻率主要应用与上述所述场景的5G通讯、国防军工等领域。制备半绝缘碳化硅衬底，要求其电阻率大于105Ω·cm，需要在碳化硅生长时掺杂钒，钒既可以产生电子，也可以产生空穴，让钒产生的电子中和杂质产生的空穴(即补偿)，钒产生的空穴中和杂质产生的电子，这样所长出的晶体几乎没有游离的电子、空穴，形成半绝缘碳化硅衬底。
但实验发现，在碳化硅生长时需要精准的控制V元素的掺杂浓度和掺杂深度。V元素的掺杂浓度太低，导致碳化硅衬底中的V元素太少，无法达到理想的半绝缘效果；V元素的掺杂浓度过高，容易引起含V元素的沉淀物，导致碳化硅衬底中产生微管缺陷；V元素的纵向掺杂深度不深，碳化硅衬底的纵向电阻分布就会不均匀，导致碳化硅衬底在纵向上的半绝缘特性差。
电子辐照产生的半绝缘碳化硅衬底的热稳定性差，特别是在1400℃退火后，电子辐照后的碳化硅衬底的电阻率会降低到105ΩΩcm以下，使碳化硅衬底的半绝缘特性变差。
本征碳化硅的电阻率是非常高的，但是由于有杂质等缺陷，导致碳化硅的电阻率下降了，本发明提供一种半绝缘碳化硅衬底制备方法，提升碳化硅衬底的半绝缘特性。
为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种半绝缘碳化硅衬底制备方法，如图1所示，包括：
步骤S10，提供具有杂质的待加工碳化硅衬底；
步骤S20，对所述待加工碳化硅衬底进行氧注入，所述氧注入的深度集中于所述待加工碳化硅衬底的近表面；
步骤S30，对所述待加工碳化硅衬底进行高温退火处理，使得注入的氧在所述待加工碳化硅衬底的近表面形成氧沉淀，所述氧沉淀吸收所述待加工碳化硅衬底中的杂质，在所述待加工碳化硅衬底的近表面形成氧沉淀层，降低所述待加工碳化硅衬底内的杂质的含量；
步骤S40，去除所述氧沉淀层，获得本征高纯半绝缘碳化硅衬底。
具体的，执行步骤S10，如图2所示，提供具有杂质20的待加工碳化硅衬底10。
在本发明实施例中，所述待加工碳化硅衬底10中的杂质20包括：N、B、Al、P中的一种或几种。
执行步骤S20，对所述待加工碳化硅衬底10进行氧注入，所述氧注入的深度集中于所述待加工碳化硅衬底10的近表面。
在本发明实施例中，所述氧注入采用的为间隙氧原子，过饱和的间隙氧原子会聚集形成氧沉淀30，有利于提升后续吸杂效果。
在本发明实施例中，所述氧注入的深度范围为0.1μm～3μm。
由于氧的体积较大，注入的氧都集中在所述待加工碳化硅衬底10表面的几个微米的位置，即为所述待加工碳化硅衬底10的近表面处，使得高温退火处理形成的氧沉淀30也都集中在所述待加工碳化硅衬底10的近表面处，避免了现有技术的掺杂工艺中，在碳化硅衬底内产生沉淀物，导致碳化硅衬底中的微管缺陷；
同时，所述氧沉淀30在所述待加工碳化硅衬底10的近表面处，当后续工艺完成后，去除所述氧沉淀层，对获得的所述半绝缘碳化硅衬底也无影响且易于操作，满足现有工艺需求。
在本发明实施例中，所述氧注入的计量范围为1017cm-2～1020cm-2，所述氧注入的能量范围为0.3MeV～3MeV，所述氧注入的温度范围为600℃～800℃。
由于碳化硅本身的氧含量比较少，只有通过氧注入的方式才能真正的在退火后形成氧沉淀30且在所述待加工碳化硅衬底10近表面位置形成一整层的氧沉淀30。同时，以高能量进行氧注入，提升了所述待加工碳化硅衬底10近表面处氧沉淀30的浓度，从而提升所述氧沉淀30吸收所述待加工碳化硅衬底10中的杂质20的效果。
执行步骤S30，如图3～图4所示，对所述待加工碳化硅衬底10进行高温退火处理，使得注入的氧在所述待加工碳化硅衬底10的近表面形成氧沉淀30，所述氧沉淀30吸收所述待加工碳化硅衬底10中的杂质20，在所述待加工碳化硅衬底10的近表面形成氧沉淀层，降低所述待加工碳化硅衬底10内的杂质20的含量。
所述高温退火处理的温度范围为600℃～1100℃，所述高温退火处理的时间范围为10分钟～100分钟。
在本发明实施例中，所述高温退火处理的温度为1000℃以上。
利用高温退火处理，增加所述氧沉淀30中的氧含量，使得所述氧沉淀30的吸杂效果越好。
在本发明实施例中，所述高温退火处理的气氛为氩气，在其他实施例中，所述高温退火处理的气氛为氮气。
当吸收有杂质的的本征半绝缘碳化硅衬底，进而提升所述半绝缘碳化硅衬底中的少子寿命高，且所述半绝缘碳化硅衬底的续热稳定性高。
所述氧沉淀30吸收所述待加工碳化硅衬底10中的杂质20时间根据杂质20的浓度和温度确定。
在本发明实施例中，所述氧沉淀30吸收所述待加工碳化硅衬底10中的杂质20时间范围为10分钟～100分钟。
在本发明实施例中，所述碳化硅衬底的电阻率的预定值为大于1011ΩΩcm，由于高纯度的碳化硅(即本征碳化硅)的电阻率高，通过测量所述待加工碳化硅衬底10的电阻率，即当所测量的所述碳化硅衬底的电阻率在1011ΩΩcm以上，则可确定吸杂完成。
在本发明实施例中，所述氧沉淀30吸收所述待加工碳化硅衬底10中的杂质20形成氧沉淀层的步骤包括：
提供具有氧沉淀30的所述待加工碳化硅衬底10；
将所述具有氧沉淀30的所述待加工碳化硅衬底10升温至第一预定温度；
保持所述第一预定温度，使得所述氧沉淀30吸收所述待加工碳化硅衬底10中的杂质20；
再将吸收了杂质20的所述碳化硅衬底降温至第二预定温度；
重复以上步骤，反复吸收所述氧沉淀30将所述碳化硅衬底中的杂质20，形成氧沉淀层。
在本发明实施例中，重复以上步骤的次数范围为6次～9次。
在本发明实施例中，所述第一预定温度的温度范围为600℃～900℃；所述第二预定温度的温度范围为30℃～100℃；保持所述第一预定温度的时间范围为10分钟～100分钟。
每次对所述碳化硅衬底升温、降温后，所述碳化硅衬底中杂质20即可被吸收90％左右，通过重复所述碳化硅衬底升温、降温步骤，都能将所述碳化硅衬底中剩余的杂质20吸收90％左右，将所述碳化硅衬底升温、降温的步骤重复6-9次，使得所述碳化硅衬底中的杂质20几乎被完全吸收，使得剩余的所述待加工碳化硅衬底10为本征碳化硅，提高所述待加工碳化硅衬底10的电阻率。
虽然所述碳化硅衬底中的杂质20种类不同，所述杂质20吸收的速率不相同，但本发明通过重复所述升温、降温的过程，可以将所述碳化硅衬底中的杂质20几乎被完全吸收。
执行步骤S40，如图5所示，去除吸收有杂质的氧沉淀层，获得本征高纯半绝缘碳化硅衬底。
在本发明实施例中，通过电化学腐蚀、机械磨抛去除所述氧沉淀层。
在本发明实施例中，所述氧沉淀层的厚度范围为0.1μm～3μm。
去除所述氧沉淀层后，被吸收了杂质20的所述待加工碳化硅衬底10即为获得的高纯的本征半绝缘碳化硅衬底，从而提升获得的碳化硅衬底的绝缘性，提升获得的所述碳化硅衬底的电阻率。
本发明还提供一种半绝缘碳化硅衬底，采用上述的一种半绝缘碳化硅衬底制备方法制备。
最后说明，任何依靠本发明装置结构以及所述实施例的技术方案，进行的部分或者全部技术特征的修改或者等同替换，所得到的本质不脱离本发明的相应技术方案，都属于本发明装置结构以及所述实施方案的专利范围。
Claims (10)
1.一种半绝缘碳化硅衬底制备方法，其特征在于，包括：
提供具有杂质的待加工碳化硅衬底；
对所述待加工碳化硅衬底进行氧注入，所述氧注入的深度集中于所述待加工碳化硅衬底的近表面；
对所述待加工碳化硅衬底进行高温退火处理，使得注入的氧在所述待加工碳化硅衬底的近表面形成氧沉淀，所述氧沉淀吸收所述待加工碳化硅衬底中的杂质，在所述待加工碳化硅衬底的近表面形成氧沉淀层，降低所述待加工碳化硅衬底内的杂质的含量；
去除吸收有杂质的氧沉淀层，获得本征高纯半绝缘碳化硅衬底。
2.如权利要求1所述的一种半绝缘碳化硅衬底制备方法，其特征在于，所述待加工碳化硅衬底中的杂质包括：N、B、Al、P中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的一种半绝缘碳化硅衬底制备方法，其特征在于，所述氧注入的计量范围为1017cm-2～1020cm-2，所述氧注入的能量范围为0.3MeV～3MeV，所述氧注入的温度范围为600℃～800℃。
4.如权利要求1所述的一种半绝缘碳化硅衬底制备方法，其特征在于，所述氧注入的深度范围为0.1μm～3μm。
5.如权利要求1所述的一种半绝缘碳化硅衬底制备方法，其特征在于，所述高温退火处理的温度范围为600℃～1100℃，所述高温退火处理的时间范围为10分钟～100分钟。
6.如权利要求1所述的一种半绝缘碳化硅衬底制备方法，其特征在于，所述氧沉淀吸收所述待加工碳化硅衬底中的杂质时间根据杂质的浓度和温度确定。
7.如权利要求6所述的一种半绝缘碳化硅衬底制备方法，其特征在于，所述氧沉淀吸收所述待加工碳化硅衬底中的杂质时间范围为10分钟～100分钟。
8.如权利要求1所述的一种半绝缘碳化硅衬底制备方法，其特征在于，所述氧沉淀吸收所述待加工碳化硅衬底中的杂质形成氧沉淀层的步骤包括：
提供具有氧沉淀的所述待加工碳化硅衬底；
将所述具有氧沉淀的所述待加工碳化硅衬底升温至第一预定温度；
保持所述第一预定温度，使得所述氧沉淀吸收所述待加工碳化硅衬底中的杂质；
再将吸收了杂质的所述碳化硅衬底降温至第二预定温度；
重复以上步骤，反复吸收所述氧沉淀将所述碳化硅衬底中的杂质，形成氧沉淀层。
9.如权利要求1所述的一种半绝缘碳化硅衬底制备方法，其特征在于，去除所述氧沉淀层的厚度范围为0.1μm～3μm。
10.一种半绝缘碳化硅衬底，其特征在于，采用权利要求1～9任意一项所述的一种半绝缘碳化硅衬底制备方法制备。
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