用于高击穿电压半导体器件的高阻碳化硅衬底制造技术

公开了一种高阻碳化硅单晶，它含有至少一种补偿掺杂剂，该掺杂剂的电子能级距碳化硅带隙边缘足够远以免产生导电行为，而且当衬底与掺杂的碳化硅外延层接触时，并且当晶体中存在的掺杂剂净含量足以使费米能级钉扎在掺杂剂电子能级处时，该掺杂剂的电子能级朝着能带边缘距带隙中部足够远，从而比中等能态产生更大的能带差。此碳化硅晶体的室温电阻率至少为５，０００Ωｃｍ。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及到现代的半导体电子器件及其所需的半导体材料。半导体材料依其本征性质以及掺以施主或受主原子后所表现的性质来决定是否有用。再者，其他半导体器件要求其某些部分是绝缘的(很类似于硅氧化时形成的氧化物绝缘体)或半绝缘的。特别是对许多器件如(但不限于)场效应晶体管(“FET”)，其实例之一是通常称为“MESFET”的金属-半导体场效应晶体管，半绝缘(有时称为“高阻”)材料作为衬底是有用的。虽然“半绝缘”和“高阻”常互换使用，本专利技术所讨论的是最好的表达——高阻，且本专利技术在背景和描述中一直使用该词，这样的使用在描述本专利技术及其权利要求时有助于描述而非对其功能的限制。各种类型FET的理论、工作和结构对于本领域的一般熟练人员都是熟知的，因此，这里不再详述。然而，在一种简单的模型中。MESFET是在高阻或半绝缘衬底上放置p型或n型掺杂的导电外延层而成的。源、栅和漏极接触则做在外延层上，当对栅极施加电位(电压)时产生一耗尽区，使源和漏之间的沟道夹断而致器件关断。因此，MESFET的性能取决于半导体外延层的质量和特性，也取决于高阻衬底的质量和特性。由于宽带隙材料，如碳化硅(SiC)和III族氮化物(例如，GaN、AlGaN和InGaN)在商业上已变得可行了，生产较高频率MESFET的可能性已成为商业上的现实。这样的高频器件在许多应用中是极其有用的，一些较熟悉的应用是功率放大器、无线收发机如移动电话机等。再者，由于碳化硅和III族氮化物的宽带隙特性可使器件设计在较高的频率和功率水平下工作，与其他较窄带隙材料例如砷化镓(GaAs)的同样器件所用的高阻或半绝缘衬底相比，用于MESFET和相关器件的高阻衬底一般必须满足更严格的标准。因此，随着这些较高频率器件的开发与使用，对高质量半绝缘碳化硅衬底提出了更高的要求，将使宽带隙外延层的电子学性质得到充分利用。而且，优质高阻衬底产生的优良势垒为提高和最大化半导体器件击穿电压(VB)的提高和最大化提供了可能。在常规的半绝缘碳化硅衬底中(在某些方面，“常规”代表较近的时期)，由掺钒的碳化硅得到了合适的电阻率。钒约在碳化硅导带和价带的中间产生一能级，亦即，在2.99eV的SiC带隙中距任一能带边缘约1.5eV处。用钒掺杂碳化硅也趋于使钒补偿碳化硅中的残余施主(几乎总是氮)和受主(不常存在)，以产生室温下几乎绝缘的材料。对这样的材料已在例如美国专利5,611,955号中作了阐述。虽然掺钒的碳化硅作为半绝缘材料在某些方面是有用的，但其特性还有一些缺点。特别是，由于钒的两性特性可在碳化硅中产生施主或受主能级。更具体地，在碳化硅中钒的受主能级较接近导带。结果，在中等的高温下就可发生电子的热激发，这就降低了电阻率，并相应地降低了由这种材料制成的器件在这样稍加升温时的工作性能。参见，例如，Mitchel，et al.“Fermi-Level Control and Deep Level inSemi-insulating 4H-SiC.”Journal of Applied Physics，Volume 86，No.9，November1，1999。此外，在工作中，电子可陷在碳化硅衬底中钒的附加能级中而引起注入后的时延。这就会在半绝缘层中建立内电荷，在外延层中(参照MESFET而言)相应地有空穴积累，并且建立的电荷跟不上栅极施加的频率。为了避免钒引起的问题，即妨碍碳化硅和其他宽带隙材料的器件发挥其高频应用的潜力，本专利技术的受让人开发了一种避免使用钒的半绝缘碳化硅衬底材料。该主题的描述和讨论见共转让的美国专利6,218,680号”Semi-Insulating Silicon Carbide Without Vanadium”，及其2001年1月10日提交的后续申请，序号09/757,950。其内容此处全部引入作为参考。虽然’680号专利所描述的材料比掺钒材料有很多优点，但材料的生产需要处理一般天然存在的大量本底氮，而这几乎总是存在于碳化硅中的。’680号专利确实用补偿技术这样做了。尽管这样的技术已被证明是成功的，氮的存在仍会引起制作和生长过程的困难和无效。特别是在碳化硅升华生长期间(例如，美国专利RE34,861号)，氮浓度趋于随时间而变化。此外，出于经验观察而非概念说明的原因，在碳化硅晶体生长中，氮的浓度有随晶体的几何排列而变化的趋势。因此，虽然’680号专利的技术已证明有很大改善，仍需要仔细控制来消除氮或使之降至最低。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目标是提供一种高阻碳化硅衬底，其特性符合优良的高频器件的要求，并能在稍宽的工作参数范围内进行生产，而仍能避免钒和相关掺杂剂的缺点。本专利技术以高阻碳化硅单晶达到了这一目标，该单晶至少含有一种补偿掺杂剂，其电子能级距离碳化硅带边足够远，或是其浓度足够低(或二者都具备)以免产生导电行为，当衬底与掺杂的碳化硅外延层接触时，并且当所述晶体中存在的掺杂剂净含量足以使费米能级钉扎在掺杂剂的电子能级处时，朝着能带边缘离带隙中部足够远的掺杂剂电子能级比中等的能态(例如，陷阱、缺陷、或掺杂剂)产生更大的能带差，使碳化硅单晶在室温下(298K)具有5,000Ωcm的电阻率。在优选的实施方式中，高阻的晶体或衬底与毗邻的外延层结合使用以产生所希望的能带弯曲效应，这在后面还要更详细地描述。而且，将了解到，虽然外延层代表目前的优选实施方式，当高阻部分邻近任何合适的有源区时，也可引起所希望的能带差，有源区包括注入或扩散掺杂形成的区域而非性质不同的外延层。这里所用的掺杂剂净含量是指按照掺杂方式起作用的量，亦即，是否被其他元素或其他项目如点缺陷所补偿。在这方面，本
的熟练人员都知道，能级接近带隙边缘的掺杂剂比产生的能级接近带隙中间或在带隙中间者更可能产生导电行为。在宽带隙材料如碳化硅中更是如此。另一方面，本专利技术为含氮的高阻碳化硅单晶，并含有至少一种受主元素，其电子能级位于距碳化硅单晶价带(亦即，价带以上)0.3-1.4eV之间，此至少一种受主元素的含量对氮是过补偿的，并将碳化硅衬底的费米能级钉扎在至少一种受主元素的电子能级处。另一方面，本专利技术为高阻碳化硅单晶，该单晶含有一定量的电激活氮、一定量的起受主作用的电激活点缺陷、以及一定量的至少一种受主元素，该受主元素的电子能级位于距碳化硅单晶价带0.3-1.4eV之间，受主元素与点缺陷的总量高于电激活的氮及任何其他电激活施主包括本征点缺陷的含量。这样得到的补偿使碳化硅衬底的费米能级钉扎在至少一种受主元素的电子能级处。另一方面，本专利技术为高阻碳化硅体单晶，该单晶含有钪、硼以及非故意掺杂的氮(亦即，典型存在的氮，而不是一般预激活掺杂者)，氮的浓度(以及任何其他电激活施主，包括本征点缺陷)高于钪的浓度，并且硼的浓度足以使硼与钪的浓度和过补偿氮(或其他电激活施主)，并使碳化硅的费米能级钉扎在钪能级处。还有一方面，本专利技术为高阻碳化硅单晶，该单晶含有电激活的氮和起施主作用的电激活本征点缺陷、起受主作用的电激活点缺陷、电子能级距单晶碳化硅价带0.3-1.4eV的第一受主元素、以及电子能级距单晶碳化硅价带0.3-1.4eV的第二受主元素，第一受主元素的能级深于第二受主元素的能级，受主元素与受主型激活的点缺陷总量高于电激活氮(以及施主型激活的点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体结构含有：碳化硅单晶衬底；以及毗邻所述衬底的碳化硅掺杂区；所述衬底含有至少一种补偿掺杂剂，其电子能级离碳化硅带隙边缘足够远以免产生导电行为，当所述衬底与所述掺杂区接触时，并且当所述衬底中存在的所述掺杂剂净含 量足以使所述衬底的费米能级钉扎在所述掺杂剂电子能级处时，朝着能带边缘距离带隙中部足够远的能级比中等能级态在所述衬底与所述掺杂区之间产生更大的能带差；以及所述碳化硅衬底室温（２９８Ｋ）下的电阻率至少为５，０００Ωｃｍ。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2001-5-11 09/853,3751.一种半导体结构含有碳化硅单晶衬底；以及毗邻所述衬底的碳化硅掺杂区；所述衬底含有至少一种补偿掺杂剂，其电子能级离碳化硅带隙边缘足够远以免产生导电行为，当所述衬底与所述掺杂区接触时，并且当所述衬底中存在的所述掺杂剂净含量足以使所述衬底的费米能级钉扎在所述掺杂剂电子能级处时，朝着能带边缘距离带隙中部足够远的能级比中等能级态在所述衬底与所述掺杂区之间产生更大的能带差；以及所述碳化硅衬底室温(298K)下的电阻率至少为5,000Ωcm。2.根据权利要求1的碳化硅结构，其中所述衬底被掺杂剂和本征点缺陷所补偿。3.根据权利要求2的碳化硅结构，其中所述掺杂剂为氮，而所述补偿掺杂剂为钪。4.根据权利要求3的碳化硅结构，还含有硼作为第二补偿掺杂剂；所述硼的浓度高于所述钪的浓度；并且所述硼、所述点缺陷以及所述钪的净浓度足以在本征氮存在的情况下使费米能级钉扎在所述钪能级处。5.根据权利要求4的碳化硅结构，其中来自所述氮的电子填充所述硼的能级，并部分填充所述钪的能级。6.根据权利要求1的碳化硅结构，其中所述毗邻的掺杂区选自注入掺杂区、扩散掺杂区以及外延层这一组。7.一种碳化硅单晶含有氮；以及至少一种受主元素，其电子能级距单晶碳化硅价带0.3-1.4eV；所述至少一种受主元素的含量过补偿氮，并使所述碳化硅衬底的费米能级钉扎在所述至少一种受主元素的电子能级处。8.根据权利要求7的碳化硅单晶还含有其他起施主作用的本征点缺陷，其中所述一种受主元素的含量过补偿氮和所述其他起施主作用的本征点缺陷，并使所述碳化硅衬底的费米能级钉扎在所述至少一种受主元素的电子能级处。9.根据权利要求7的碳化硅衬底含有两种或多种受主元素。10.一种碳化硅单晶含有一定量的电激活氮；一定量的起受主作用的电激活点缺陷；以及一定量的至少一种受主元素，其电子能级距单晶碳化硅价带0.3-1.4eV；其中所述受主元素与所述点缺陷的总量高于电激活氮的含量，使所述碳化硅单晶的费米能级钉扎在所述至少一种受主元素的电子能级处。11.一种碳化硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂芬穆勒，
申请(专利权)人：克里公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]