一种基于共注的Ga2O3的P型掺杂方法与流程

一种基于共注的ga2o3的p型掺杂方法
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种基于共注的ga2o3的p型掺杂方法。


背景技术：

2.近年来国际上对节能减排越来越重视，这对大型电力电子设备的损耗控制和效率提升提出了更高的要求。作为电力电子设备的重要组成部分，半导体功率器件受到了业界的广泛关注。
3.击穿电压是半导体功率器件的重要指标，表示器件能够耐受的最大电压。功率器件从开始的硅材料器件到现在的第三代半导体材料sic，因为其禁带宽度大特别适用于功率器件，现在对于sic来说，其针对耐压的结构发展已经到了一个瓶颈，所以超宽禁带半导体的研究就发展起来了，其具有更大的禁带宽度以及更高的击穿场强让其对于高压的场合特别适用，其中ga2o3非常有潜力成为第四代半导体，ga2o3材料的n型掺杂比较容易并且也都可以控制在一个比较合理精确的范围内，但是其p型掺杂一般都无法通过注入的方法得到一个有效的可用的p型掺杂浓度，没有p型掺杂的半导体就严重限制了这种基于新型的半导体材料的功率器件的发展。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中的不足，提供了一种基于共注的ga2o3的p型掺杂方法，具有提高受体杂质掺杂浓度和提高空穴迁移率的优点，能够迅速解决现有的掺杂问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
6.根据本发明实施例提出一种基于共注的ga2o3的p型掺杂方法，包括离子注入、后退火和表面抛光三个部分，其特征在于，在一个半导体衬底上生长一层n型外延，再通过注入的方式进行半导体的p型掺杂，最后再通过退火的方式进行晶格修复，其中向n型外延注入的受体掺杂元素是氮元素和二价金属元素。
7.优选的，所述掺杂的氮元素和二价金属元素的掺杂浓度为n型外延层的施主掺杂浓度的两个数量级及以上。
8.优选的，所述的注入的方式包括选用多能量注入以形成均匀掺杂。
9.优选的，所述的退火的方式包括采用800-1200℃及以激活受体掺杂元素并防止退火时受体掺杂元素的扩散。
10.优选的，所述表面抛光包括在退火结束后将注入表面进行抛光。
11.根据本发明实施例提出的另一种基于共注的ga2o3的p型掺杂方法，其特征在于，包括以下步骤：在衬底外延层上进行高浓度的氮元素和二价金属元素注入；将晶圆放入退火炉中进行退火，修复晶格损伤并形成p型掺杂；再进行注入表面抛光。
12.根据本发明实施例提出的又一种基于共注的ga2o3的p型掺杂方法，包括离子注入、后退火和退火后抛光三个部分，其特征在于，包括离子注入、后退火和退火后抛光，离子注入包括向半导体衬底的外延层注入氮元素和二价金属元素，所述氮元素和二价金属元素提
供空穴以形成受体掺杂的杂质，后退火包括通过将注入后的衬底放入退火炉中以800-1200℃的温度退火，退火后抛光包括将退火后的表面进行抛光以消除两次注入后引起的表面粗糙度和缺陷升高。
13.本发明提出的基于共注的ga2o3的p型掺杂方法，相比于传统的注入工艺，采用了两种受体元素进行掺杂以形成有效的可用的掺杂浓度，并通过大量注入n元素(氮元素)以取代 o元素(氧元素)，降低晶格中的电负性，同时提高空穴的迁移率并通过第二种掺杂元素的引入来提高掺杂浓度。退火后抛光是在注入后的注入表面进行抛光以降低表面粗糙度和缺陷。
附图说明
14.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，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明实施例提出的一种p型掺杂方法的结构图；
16.图2为本发明实施例提出的一种p型掺杂方法的实施例一的流程图；
17.图3为本发明实施例提出的一种p型掺杂方法的实施例二的流程图；
18.图4为本发明实施例提出的一种p型掺杂方法的抛光示意图；
19.图5为本发明实施例提出的一种p型掺杂方法在抛光前的结构示意图；
20.图6为本发明实施例提出的一种p型掺杂方法中注入n和二价金属元素浓度的分布示意图；
21.附图标记：1、衬底层；2、外延层；3、注入层；4、抛光层；5、原胞；6、共价键或悬挂键；7、n原子；8、二价金属原子；9、注入层中n原子分布；10注入层二价金属原子分布。
具体实施方式
22.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
23.如图1所示，一种p掺杂结构，包括衬底层1、外延层2、注入层3和抛光层4，衬底层 1可以是ga2o3的衬底，外延层2是在该衬底层1上生长出来的。注入层3注入的是氮元素(在下文中也称为n元素或n原子)和二价金属元素，其注入剂量都应是外延层掺杂浓度的两个数量级及以上，在本发明的一个实施例中，外延层浓度为1
×
10
16
cm-3
，注入的n元素的浓度应至少大于外延层浓度两个数量级，即1
×
10
18
cm-3
及以上。且其注入深度也可以随应用的场合的不同而通过多能量注入的方式而改变，抛光层4是在注入层表面进行抛光去除的部分注入层3。
24.注入层3是向此区域里注入n原子7和二价金属原子8，以形成受体掺杂的源，同时为了获得在退火后的均匀掺杂，对于n原子7和二价金属原子8的注入浓度采用多能量注入的方式以形成均匀掺杂，抛光层4是在注入层3表面进行抛光去除的部分注入层3，以消除两种元素(即n原子7和二价金属原子8)注入形成均匀掺杂时注入多次在表面引起的粗糙度上升和缺陷的增多。
25.实施例一
26.图2为本发明实施例一的制造基本流程图，首先向注入层3里注入n原子7，此时因为没有经过退火修复的过程，在注入层里的n原子7的位置是杂乱无章的，没有处于晶格位点上，之后再向注入层3中注入二价金属原子8，此时注入层3中的两种原子都是杂乱无章的，再之后进行高温退火修复，n原子7和二价金属原子8变得规则排列，分别取代ga2o3中的 ga(镓)和o(氧)元素，以形成受体掺杂。这里注意的是，在本发明的一个实施例中，因为n原子7和二价金属原子8在ga2o3中的激活能与扩散程度的不同，此时的退火温度折中选择为950℃。
27.实施例二
28.图3为本发明实施例一的制造基本流程图，首先向注入层3里注入n原子7，此时无序的n原子经过1200℃的温度退火后，会取代ga2o3中的o元素，再之后向注入层3中注入二价金属原子8，然后再进行800℃的高温退火，让注入的二价金属原子8取代ga2o3中的 ga元素，这样做的原因是二价金属原子8和n原子7在氧化镓中的激活能和扩散程度不同，这样分开注入并激活的方法，可以有效地调控其激活并防止其扩散，以提高制造功率半导体器件的掺杂鲁棒性。
29.图4是经过多次离子注入后半导体表面会有很多粗糙此时就要通过抛光的方法去除抛光层4以减少注入所造成的界面态以及粗糙度的提升，以提高器件制造时的成品率。
30.图5是本发明最终成品的二维结构示意图，包括了衬底层1、外延层2、注入层3以及其中包含的n原子7、二价金属原子8和最后抛光去除的抛光层4。
31.图6为本发明注入n原子7和二价金属原子的浓度分布示意图，以形成均匀的掺杂，同时，这样的好处是二价金属原子在氧化镓中本来就是一种受体元素，进行两种元素的注入可以增加受体掺杂的浓度，其次氧化物半导体如氧化镓中难以制造p型半导体的原因是因为o 的电负性太高，从而限制了p型区域空穴的运动，导致其迁移率过低，外在表现出为高阻区，而本发明很好的解决了这个问题，通过注入大量的n取代了o，改变了晶格势场，降低了电负性，从而会提高材料p型区的空穴迁移率，同时由另一种掺杂杂质的引入会导致p型掺杂浓度的升高。
32.虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。