一种提高半导体有源区杂质激活率的方法及其应用与流程

1.本技术涉及半导体基材粒子掺杂技术领域，具体而言，涉及一种提高半导体有源区杂质激活率的方法及其应用。


背景技术：

2.随着电子设备的不断更新发展，对半导体材料的性能也要求越来越高，为满足在高温、高压、高频或大功率电子设备技术领域的要求，需要半导体材料具有宽禁带宽度、更高的临界击穿电场以及更高的热导率及更低的电阻率等特点，而为使半导体材料具有更低的电阻率，就需要对半导体材料做粒子掺杂工艺，以提高半导体材料杂质的激活率。
3.传统的以si为基材的半导体材料掺杂可以通过扩散或粒子注入两种方式来实现，但是对于一些杂质固溶度较低的半导体材料，如以sic为基材的半导体材料，由于粒子之间的键能较大，固溶度较低不容易对通过扩散的方式进行掺杂，因此，粒子注入的方式是实现有源区掺杂的主要手段。而传统的粒子注入掺杂工艺，往往要求注入时环境温度在400℃或更高温度，且粒子的注入能量需要为300-650kev或更高能量的粒子来完成，也就是说，传统的粒子注入掺杂工艺对粒子注入的温度及注入能量都提出了严格的要求，这就增加了对粒子注入设备的要求，也就增加了整个掺杂工艺复杂度及成本，且受设备及环境等因素影响，半导体材料杂质的激活率较低。


技术实现要素：

4.为了解决半导体有源区杂质的激活率低的技术问题，本技术的主要目的在于，提供一种成本低、杂质的激活率高的一种提高半导体有源区杂质激活率的方法及其应用。
5.为实现上述发明目的，本技术采用如下技术方案：
6.根据本技术的一个方面，提供了一种提高半导体有源区杂质激活率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.在第一温度下，向基材有源区注入第一粒子；
8.在第二温度下，向所述有源区再注入第二粒子；
9.所述第一粒子的注入能量小于所述第二粒子的注入能量。
10.根据本技术一个实施方式，其中所述第一粒子的注入剂量等于所述第二粒子的注入剂量。
11.根据本技术另一个实施方式，所述第一粒子的注入方式分为单次注入或多次注入。
12.根据本技术另一个实施方式，其中所述第一粒子的注入方式为多次注入的情况下，所述第一粒子本次的注入能量不小于上一次的注入能量。根据本技术另一个实施方式，所述第二粒子的注入方式为单次注入或多次注入。
13.根据本技术另一个实施方式，其中所述第二粒子的注入方式为多次注入的情况下，所述第二粒子本次的注入能量不小于上一次的注入能量。
14.根据本技术另一个实施方式，其中所述第二粒子的注入方式为多次注入的情况下，所述第二粒子本次的注入剂量不小于上一次的注入能量。
15.根据本技术另一个实施方式，其中所述第一温度与所述第二温度的范围设置为14-40℃。
16.根据本技术的另一方面，提供一种半导体器件的制备方法，包括所述的提高半导体有源区杂质激活率的方法。
17.根据本技术的另一方面，提供由所述半导体器件的制备方法制得的一种半导体器件。
18.根据本技术的另一方面，提供一种电子设备，包括所述的半导体器件。
19.由上述技术方案可知，本技术的一种提高半导体有源区杂质激活率的方法及其应用的优点和积极效果在于：
20.相对现有技术，本技术公开的先向基材有源区注入第一粒子，之后再向所述有源区注入第二粒子，且由于所述第一粒子的注入能量小于第二粒子的注入能量，这就使在注入第二粒子时，一方面：为有源区提供了更高能的能量粒子，促进由有源区内各个粒子之间的碰撞，进而提高半导体基材原价键的断键率，进一步促进第一粒子与原基材内的粒子组成新的价键结构，产生空穴，进而提高有源区内杂质激活率；另一方面：跟高能的第二粒子注入会传递给晶格，是晶格震动并发生载流子月前，进而激发更多的载流子，以进一步地提高杂质的激活率。基于此，本技术中的粒子注入可在较低温度下进行，进而显著减小工艺成本。
附图说明
21.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是根据一示例性实施方式示出的一种提高半导体有源区杂质激活率的一种方法中的实施例11与对比例1及对比例2的al离子的激活率曲线图。
具体实施方式
24.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
25.由于现有技术中半导体材料的粒子注入掺杂工艺要求粒子的注入温度高及注入能量大，对粒子注入设备的稳定性和可靠性都提出更高的要求，这就提高了整个工艺过程的复杂程度和工艺成本，且通过这种方式有源区内的杂质激活率较低，因此本技术提供一种提高半导体有源区杂质激活率的制备方法，包括在第一温度下，向所述基材有源区注入第一粒子；在第二温度下，在向所述有源区再次注入第二粒子；且所述第一粒子的注入能量
小于所述第二粒子的注入能量。通过增加第二粒子的注入能量，一方面提高半导体材料内原粒子之间价键的断裂程度，这就促进了先注入的、能量较低的第一粒子在所述有源区内的与断键后的粒子形成新的价键，同时产生空穴，进而增加第一粒子在有源区内杂质的激活率；另一方面，由于能量较高的第二粒子在注入到有源区后，第二粒子所携带的能量更多，加速有源区内的晶格震动内，这也就增加了载流子跃迁的概率，使有源区内的载流子数量增加，提高杂质的激活率。
26.应当理解的是，在本技术中第一粒子的注入能量小于所述第二粒子的注入能量，所述注入能量可根据对实际情况进行调整，作为示例，可将所述第一粒子设置为al离子，将所述第二粒子设置为c原子，所述基材为sic，使所述al离子的注入能量设置为300kev，而使所述c原子的注入能量设置为400kev，向所述有源区先注入能量为300kev的al离子，再注入能量为400kev的c原子。
27.应当清楚的是，根据本技术的设计原理，所述第一粒子与所述第二粒子之间的能量差值越大，所述第二粒子对所述第一粒子的记录率影响越大，也就是说，所述第二粒子与所述第一粒子的能量差值越大，所述有源区内杂质的激活率也就越高，因此，本领域技术人员可根据实际成产和工艺的要求，调整所述第一粒子与所述第二粒子之间的能量差值，已获得不同数值的杂质的激活率。具体的，将结合实施例6-11详细论述。
28.应当说明的是，本技术仅需要对第一粒子与第二粒子满足一定的时间差后对所述有源区实施粒子的异步注入，本领域技术人员可根据生产或工艺要求等实际情况调整为合适的注入时间。
29.应当清楚的是，所述半导体有源区可针对p型或n型有源区进行掺杂，作为示例，对于sic半导体材料，若对p型有源区掺杂时，可将第一粒子设置为al离子，第二粒子为c原子，若对n型有源区掺杂时，可将第一粒子设置为al离子，第二粒子为n离子。本领域技术人员可根据实际情况选择做调整，本技术并不做具体限定。
30.根据本技术另一个实施方式，其中所述第一粒子的注入剂量等于所述第二粒子的注入剂量。向所述有源区注入一定剂量的第一粒子后，有源区内原粒子之间的价键已经部分断裂，并形成一定量的空穴，当注入第二粒子后，会进一步提高断键率，促进第一粒子能量在有源区内的杂质激活率，同时与所述第一粒子等量的第二粒子后，使所述第一粒子与所述第二粒子在有源区内可以达到平衡，可有效提高第一粒子在所述有源区内杂质的激活率，同时避免引入更多的缺陷，可有效提高半导体材料性能的稳定性和可靠性。
31.原因在于，一方面，若第二粒子的注入剂量少于所述第一粒子的注入剂量，则所述第二粒子的注入能量相应减少，对有源区内原粒子之间的碰撞减少，使原粒子之间的断键率降低，进而减小了所述第一粒子在所述有源区内的杂质激活率；另一方面，若所述第二粒子的注入剂量多于所述第一粒子的注入剂量，则多余的所述第二粒子可能会占据在有源区空穴中或由于第二粒子携带的能量较大，会导致所述第一粒子和/或第二粒子从有源区脱离，导致基材表面的非晶化，进而降低半导体材料整体性能的可靠性和稳定性。
32.根据本技术另一个实施方式，其中所述第一粒子的注入方式为为单次注入或多次注入。应当能够理解的是，所述第一粒子可分为相同或不同剂量向有源区内分批次多次注入，可分批次逐步提高所述有源区内杂质的激活率，以减少大量一次性注入高能粒子，造成其他材料缺陷，使半导体材料杂质的激活率变化更加平稳，减少缺陷，进一步地提高半导体
材料整体性能的可靠性。
33.应当清楚地理解的是，本领域技术人员根据实际使用需求可分多次向有源区内注入等剂量或不等剂量的所述第一粒子，本技术并不限定具体的注入次数和每次的注入剂量。
34.根据本技术另一个实施方式，其中所述第一粒子的注入方式为多次注入的情况下，所述第一粒子本次的注入能量不小于上一次的注入能量应当能够理解的是，若所述第一粒子每次的注入能量为相同，则为等注入能量注入，可使所述有源区激活率变化更为平稳，以的得到更为稳定的数值的杂质激活度；若使每次所述第一粒子的注入能量逐渐增加，在可实现稳定的数值的杂质激活度外，后一次注入的所述第一粒子还会提高前一次注入的所述第一粒子的在有源区的杂质激活率的。
35.根据本技术另一个实施方式，其中所述第二粒子的注入方式为单次注入或多次注入。
36.根据本技术另一个实施方式，其中所述第二粒子的注入方式为多次注入的情况下，所述第二粒子本次的注入能量不小于上一次的注入能量。
37.应当能够理解的是，为获得更稳定的杂质激活率，所述第二粒子也可设置分多次、以相同的注入能量或逐渐增加的注入能量向所述有源区注入。
38.根据本技术另一个实施方式，其中所述第一粒子的注入方式为多次注入的情况下，所述第一粒子本次的注入能量不小于上一次的注入能量。应当理解的是，即可保证所述第二粒子的注入能量均大于所述第一粒子的注入能量，即可使每次注入的第二量子都可在一定程度上提高全部所述第一粒子在有源区内杂质的激活率。
39.根据本技术另一个实施方式，其中所述第二粒子的注入方式为多次注入的情况下，所述第二粒子本次的注入剂量不小于上一次的注入能量。应当注意的是，所述第二粒子总的注入剂量应等于所述第一粒子总的注入剂量，随着注入剂量的变化，所述第二粒子携带的总能量也在变化，可逐渐增加有源区内半导体第一粒子杂质的激活率。
40.根据本技术另一个实施方式，其中所述第一温度与所述第二温度的范围设置为14-40℃。优选地，可在常温或也就是25℃
±
2的情况下向有源区注入所述第一粒子或所述第二粒子，相较于传统的粒子注入掺杂工艺，注入条件容易满足，且能够大幅降低工艺成本。应当理解的是，所述第一温度与所述第二温度也可设置为20℃、30℃或35℃，在其他变量不变的请情况下，随着所述第一温度及所述第二温度的增加，制得的所述第二粒子的粒子激活率为逐渐下降的，所述下面将结合实施例1-5对第一温度及第二温度对激活率的影响做详细描述。
41.应当说明的是，由于所述第一温度与所述第二温度可设置相同也可不同，也就是说，所述第一温度与所述第二温度可一次注入过程中在一定温度范围内变化，进而减小环境温度对粒子注入过程的影响，进而降低整个工艺制造的成本。根据本技术的另一方面，提供一种半导体器件的制备方法，包括所述的提高半导体有源区杂质激活率的方法。
42.根据本技术的另一方面，提供一种半导体器件的制备方法，包括所述的提高半导体有源区杂质激活率的方法。
43.根据本技术的另一方面，提供由所述半导体器件的制备方法制得的一种半导体器件。
44.根据本技术的另一方面，提供一种电子设备，包括所述的半导体器件。
45.下面根据本技术的设计原理，通过结合现有半导体有源区粒子掺杂工艺的技术基础上对本技术所述的一种提高半导体有源区杂质激活率的制备方法，作为示例性说明。
46.以在n型sic外延上进行p型杂质al注入实现有源区的掺杂为例,现有半导体粒子掺杂工艺过程包括：
47.步骤1：sic外延生长：在高掺杂的n型sic衬底掺有氮气粒子的上生长一层轻掺杂的sic外延。所述n型sic可为预先经过氮气粒子掺杂且掺杂浓度为1
×
10
19
cm-3
的衬底，所述n型sic外延层的厚度不做具体要求。
48.步骤2：sio2沉积：利用pecvd沉积一层厚度为0.1um的sio2，作为后续离子注入的缓冲层，防止高能粒子直接轰击sic表面造成非晶化。
49.步骤3：多晶硅沉积：利用pecvd沉积一层厚度为2.5um的多晶硅，作为后续离子注入的阻挡层。
50.步骤4：多晶硅刻蚀：对多晶硅刻蚀p 图形，为后续的离子注入做准备，防止离子注入到非有源区区域。
51.步骤5：离子注入：在一定温度下向有源区内分单次或多次注入al离子或c原子。
52.步骤6：多晶硅和氧化层刻蚀：离子注入完成后，刻蚀表面的多晶硅和氧化层。
53.本领域技术人员应当能够理解，所述外延层的厚度和掺杂浓度取决于半导体器件的耐压和工作电压等其他实际要求，并可根据实际需求情况进行调整，且过程中可能涉及的设备均为现有技术能实现的，本技术并不做详细说明。
54.下面为根据本技术的设计方案对现有半导体粒子掺杂工艺过程中的离子注入部分做作示例实施例。
55.实施例1
56.在掺杂浓度为1
×
10
19
cm-3
、厚度为2um sic衬底上，生长p型掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
、厚度为5.5um的外延为例进行说明。
57.第一粒子为al离子，第二粒子为c原子，其中所述al离子与所述c原子的注入剂量均为1
×
10
15
cm-2
，所述al离子的注入能量为300kev，所述c原子注入能量为400kev，在注入温度为25℃下，注入方式为单次注入，向有源区注入c原子的al离子激活浓度，制得的al离子激活率为1.97
×
10
19
cm-3
。
58.需要说明的是，在本实施例中所述第一温度与所述第二温度相同。
59.实施例2
60.与实施例1不同之处在于，c原子的注入温度为300℃，制得的al离子激活率为8.5
×
10
18
cm-3
。
61.实施例3
62.与实施例1不同之处在于，c原子的注入温度为400℃，制得的al离子激活率为2.1
×
10
18
cm-3
。
63.实施例4
64.与实施例1不同之处在于，c原子的注入温度为500℃，制得的al离子激活率为6.3
×
10
17
cm-3
。
65.实施例5
66.与实施例1不同之处在于，c原子的注入温度为600℃，制得的al离子激活率为1.7
×
10
17
cm-3
。
67.表1示出实施例1-5的在不同注入温度下的al离子激活率具体数据。
68.表1
[0069][0070]
由表1可知，不同c原子的注入温度下al离子激活率：实施例1》实施例2》实施例3》实施例4》实施例5。随着注入温度的增加，al离子激活浓度是逐渐下降的，本领域技术人员应当能够理解的是，本技术中所述的第一温度与第二温度可在一定室温的情况下变动，也就是说在控制注入温度时，第一温度或第二温度可在14-40℃范围内浮动，将所述。
[0071]
实施例6
[0072]
设置所述第一粒子为al离子，第二粒子为c原子，其中所述al离子与所述c原子的注入剂量均为1
×
1015cm-2
，所述al离子的注入能量为300kev，所述第一温度与所述第二温度均设置为25℃，c原子注入能量为200kev下，al离子及c原子的注入方式均为单次注入，得到的al离子激活浓度为3
×
10
18
cm-3
。
[0073]
实施例7
[0074]
与实施例6的不同之处在于，c原子注入能量为250kev，制得的al离子激活浓度为8
×
10
18
cm-3
。
[0075]
实施例8
[0076]
与实施例6的不同之处在于，c原子注入能量为300kev，制得的al离子激活浓度为1.12
×
10
19
cm-3
。
[0077]
实施例9
[0078]
与实施例6的不同之处在于，c原子注入能量为350kev，制得的al离子激活浓度为1.53
×
10
19
cm-3
。
[0079]
实施例10
[0080]
与实施例6的不同之处在于，c原子注入能量为400kev，制得的al离子激活浓度为1.97
×
10
19
cm-3
。
[0081]
表2示出实施例6-10的在不同c原子注入能量下的al离子激活率具体数据。
[0082]
表2
[0083][0084]
由表2可知，在不同c原子的注入能量下al离子激活率：实施例6《实施例7《实施例8《实施例9《实施例10。当c原子的注入能量小于al离子注入能量时al离子激活率远小于c原子的注入能量大于al离子注入能量al离子激活率。应当可以理解的是，所述c原子与al离子的注入能量差值越大，al离子激活浓度越高，即第二粒子的注入能量与所述第一粒子的注入能量的差值越大，al离子激活浓度最高。
[0085]
实施例11
[0086]
根据本技术的设计原理，结合图1是根据一示例性实施方式示出的一种提高半导体有源区杂质激活率的一种方法中的实施例11与对比例1及对比例2的al离子的激活率曲线图。
[0087]
设置所述第一粒子为al离子，设置所述第二粒子为c原子，设置半导体基材为sic，al离子先向sic有源区注入，注入能量为300kev，第一温度为25℃，注入剂量为1
×
10
15
cm-2
，单次注入；
[0088]
c原子与al离子间隔一定时间向sic有源区注入，注入能量为400kev，第二温度为25℃，注入剂量为1
×
10
15
cm-2
，单次注入；
[0089]
第一温度等于第二温度均设置为25℃。
[0090]
在不同注入深度情况下，制得的al离子激活率变化曲线。
[0091]
对比例1
[0092]
与实施例11的不同之处在于，向有源区注入al离子，注入温度为500℃。在不同注入深度情况下，制得的al离子激活率变化曲线。
[0093]
对比例2
[0094]
与实施例11的不同之处在于，有源区同时注入al离子和c原子，c原子的注入能量为300kev。在不同注入深度情况下，制得的al离子激活率变化曲线。
[0095]
从图1可知，在注入深度范围在1.2-1.7um内时，在相同注入深度的情况下，制得的al离子激活率：实施例11》对比例2》对比例1。
[0096]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在
涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0097]
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。