采用电子辐照制备半绝缘碳化硅晶圆的方法、晶圆及器件

1.本发明涉及半导体制造技术领域，具体为一种采用电子辐照制备半绝缘碳化硅晶圆的方法以及相应的晶圆、器件。


背景技术：

2.碳化硅材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用前景。特别是半绝缘碳化硅衬底，其在微波器件领域有着广泛的用途，所述“半绝缘”指的是室温下电阻率大于一定范围，这与“高阻”在概念上的描述是一致的；采用半绝缘碳化硅制备的晶体管能够在高达10ghz频率下产生超过gaas微波部件五倍功率密度的功率；因此，制造出高结晶质量的半绝缘碳化硅衬底才能制备出高性能的射频器件等。
3.而在现有市场上，半绝缘碳化硅大多由掺杂v元素或者单纯经过电子辐照来制备半绝缘碳化硅材料；
4.其中，掺杂v元素的半绝缘碳化硅的缺点一在于v的掺杂浓度需要准确控制，如果v的掺杂浓度太低，无法达到理想的半绝缘特性效果；如果v元素的掺杂浓度过高，容易引起含v的沉淀物，导致半绝缘碳化硅材料中产生微管缺陷；掺杂v元素的半绝缘碳化硅的缺点二在于v元素的掺杂深度不一定很深，导致碳化硅晶圆的纵向电阻分布不一定均匀，使纵向半绝缘特性变差；
5.单纯电子辐照产生的半绝缘碳化硅的缺点在于产生的点缺陷种类较为简单，导致其热稳定性较差，使得在使用制备完成的半绝缘碳化硅晶圆进行后续其他工艺中例如采用1400℃退火后，单纯电子辐照后的样品电阻率仍然会降低到105ω
·
cm以下，从而导致碳化硅半绝缘特性即热稳定性变差。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有半绝缘碳化硅晶圆的制备方式效果不好的问题，提供了一种采用电子辐照制备半绝缘碳化硅晶圆的方法以及相应的晶圆、器件。
7.为了实现上述目的，本发明提供一种采用电子辐照制备半绝缘碳化硅晶圆的方法，包括以下步骤：
8.提供碳化硅晶圆，采用电子辐照对所述碳化硅晶圆进行处理，在所述碳化硅晶圆中生成点缺陷，初步形成符合电阻率要求的半绝缘碳化硅晶圆；其中，所述点缺陷包括间隙原子和空位；
9.对所述符合电阻率要求的半绝缘碳化硅晶圆进行中温退火，使电子辐照产生的间隙原子形成双间隙复合物或者三间隙复合物，并保留空位，从而得到制备完成的半绝缘碳化硅晶圆。
10.作为一种可实施方式，所述电子辐照的电子能量范围为0.2mev-10mev，所述电子辐照的电子剂量范围为10
15-10
18
cm-2
。
11.作为一种可实施方式，所述中温的温度范围为500-1000℃。
12.作为一种可实施方式，所述间隙原子包括间隙硅原子、间隙碳原子，所述空位包括硅空位、碳空位。
13.作为一种可实施方式，形成双间隙复合物的化学公式为isi+ic＝isiic，式中，isi表示间隙硅原子，ic表示间隙碳原子，isiic表示双间隙原子；形成三间隙复合物的化学公式为2isi+ic＝isiicisi，式中，isi表示间隙硅原子，ic表示间隙碳原子，isiicisi表示三间隙原子。
14.作为一种可实施方式，符合电阻率要求的半绝缘碳化硅晶圆的电阻率为大于108ω
·
cm。
15.作为一种可实施方式，当所述电子辐照的电子能量范围为0.2mev-10mev，所述电子辐照的电子剂量范围为10
15-10
18
cm-2
时，得到的半绝缘碳化硅晶圆的电阻率大于10
10
ω
·
cm。
16.作为一种可实施方式，采用电子辐照对所述碳化硅晶圆进行处理，在所述碳化硅晶圆中生成点缺陷，初步形成符合电阻率要求的半绝缘碳化硅晶圆的步骤包括：
17.利用电子辐照设备，采用电子辐照的方式轰击碳化硅晶圆，在电子辐照的过程中，电子撞开碳化硅晶圆中的硅原子和碳原子形成点缺陷，引起缺陷能级导致自由载流子浓度下降，从而提升碳化硅晶圆的电阻率，初步产生符合电阻率要求的半绝缘碳化硅晶圆。
18.相应的，本发明还提供一种根据所述的采用电子辐照制备半绝缘碳化硅晶圆的方法制备得到的半绝缘碳化硅晶圆。
19.相应的，本发明还提供一种包含根据所述的采用电子辐照制备半绝缘碳化硅晶圆的方法制备得到的半绝缘碳化硅晶圆的半导体器件。
20.本发明的有益效果：公开了一种采用电子辐照制备半绝缘碳化硅晶圆的方法以及相应的晶圆、器件，通过采用电子辐照对碳化硅晶圆进行处理，在碳化硅晶圆中生成点缺陷，初步形成符合电阻率要求的半绝缘碳化硅晶圆；其中，所述点缺陷包括间隙原子和空位；对所述符合电阻率要求的半绝缘碳化硅晶圆进行中温退火，使电子辐照产生的间隙原子形成双间隙复合物或者三间隙复合物，使得保留空位，从而得到制备完成的半绝缘碳化硅晶圆；本发明利用电子辐照和中温退火在碳化硅晶圆中产生大量的点缺陷，从而增加半绝缘碳化硅晶圆的电阻率，然后利用中温快速退火，使间隙碳原子快速的形成复合物，从而留下有用的碳空位，提高了半绝缘碳化硅晶圆更高的热稳定性。
附图说明
21.图1为本发明实施例采用电子辐照制备半绝缘碳化硅晶圆的方法步骤示意图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.参见图1，本实施例提供一种技术方案：一种采用电子辐照制备半绝缘碳化硅晶圆
的方法，包括以下步骤：
24.步骤s100，提供碳化硅晶圆，采用电子辐照对所述碳化硅晶圆进行处理，在所述碳化硅晶圆中生成点缺陷，初步形成符合电阻率要求的半绝缘碳化硅晶圆；其中，所述点缺陷包括间隙原子和空位；
25.步骤s200，对所述符合电阻率要求的半绝缘碳化硅晶圆进行中温退火，使电子辐照产生的间隙原子形成双间隙复合物或者三间隙复合物，并保留空位，从而得到制备完成的半绝缘碳化硅晶圆。
26.执行步骤s100，采用电子辐照对所述碳化硅晶圆进行处理，在所述碳化硅晶圆中生成点缺陷，初步形成符合电阻率要求的半绝缘碳化硅晶圆的步骤包括：
27.利用电子辐照设备，采用电子辐照的方式轰击碳化硅晶圆，在电子辐照的过程中，电子撞开碳化硅晶圆中的硅原子和碳原子形成点缺陷，引起缺陷能级导致自由载流子浓度下降，从而提升碳化硅晶圆的电阻率，初步产生符合电阻率要求的半绝缘碳化硅晶圆。
28.其中，所述间隙原子包括间隙硅原子、间隙碳原子，所述空位包括硅空位、碳空位，本实施例通过用电子辐照来辐照碳化硅材料，产生多种类型的点缺陷，从而形成满足电阻率要求的半绝缘碳化硅晶圆。
29.在现有技术中，符合电阻率要求的半绝缘碳化硅晶圆的电阻率为大于108ω
·
cm。
30.在本实施例中，采用的所述电子辐照的电子能量范围为0.2mev-10mev，所述电子辐照的电子剂量范围为10
15-10
18
cm-2
，且辐照时的温度为室温，时间范围为1分钟-300分钟；具体的，采用本实施例规定的能量和剂量范围得到的所述半绝缘碳化硅晶圆的电阻率大于10
10
ω
·
cm，而一般的半绝缘碳化硅晶圆的电阻率要求为大于108ω
·
cm，可以看到，本实施例采用的电子能量范围和电子剂量范围有限，使得成本低，但是初步形成的半绝缘碳化硅晶圆的电阻率还是很高，满足要求的同时进一步提升了电阻率。
31.具体的，采用电子能量范围为0.2mev-10mev，电子剂量范围为10
15-10
18
cm-2
时，通过电子辐照产生的电阻率范围能达到半绝缘碳化硅电阻要求；因为辐照电子会产生1-多个点缺陷如碳空位，因此随着辐照剂量的增加，产生的点缺陷也会随着增加，因此增加了半绝缘碳化硅材料的电阻率，而在本实施例公开的辐照范围内，点缺陷产生的数量使得电阻率合适，满足相关要求，又不会增加成本；其中，0.2mev-10mev为低能量范围，主要产生简单点缺陷如硅空位等，而只能产生少量的复杂点缺陷，如硅空位-碳空位等，因此，热稳定性差。
32.需要注意的是，在现有技术中，由于电子辐照设备的限制，无法产生更高高能量范围如10mev以上能量的电子，从而使得基于电子辐照产生的复杂点缺陷数量少，导致电阻率低，因此，本实施例还采用了中温退火的技术，使得增加了复杂点缺陷的数量，又使得能够保留碳空位；增强了半绝缘碳化硅材料的半导体性能。
33.在本实施例，所述中温的温度范围为500-1000℃，在本实施例中，采用的是中温退火，一般情况下，间隙碳原子会与碳空位复合、间隙硅原子会与硅空位复合，从而消失点缺陷，而在中温退火时，会使得间隙碳原子和间隙硅原子形成双间隙或者三间隙，增加了复杂点缺陷的数量，并保留了空位这一简单点缺陷，进一步提高了半绝缘碳化硅晶圆的电阻率要求；而一旦间隙原子形成双间隙或者三间隙，就无法和空位结合从而消除空位，从而最大程度保留了空位；
34.另一方面，本实施例通过中温退火主要也是为了保留碳空位，因为碳空位有很高
的热稳定性，也就是说在很高的温度下也不会消失，所以保持了碳化硅高温下的半绝缘性质，也即增加了半绝缘碳化硅的热稳定性，使得在使用制备完成的半绝缘碳化硅晶圆进行后续其他工艺中例如采用1400℃退火后，电阻率不会降低；保持了制备完成的半绝缘碳化硅晶圆的半绝缘性能要求。
35.其中，形成双间隙复合物的化学公式为isi+ic＝isiic，式中，isi表示间隙硅原子，ic表示间隙碳原子，isiic表示双间隙原子；形成三间隙复合物的化学公式为2isi+ic＝isiicisi，式中，isi表示间隙硅原子，ic表示间隙碳原子，isiicisi表示三间隙原子。
36.本发明对碳化硅晶圆进行电子辐照后，利用中温快速退火，使得在碳化硅晶圆中产生大量的点缺陷，从而增加半绝缘碳化硅晶圆的电阻率，而且利用中温快速退火，使间隙碳快速的形成复合物，从而留下有用的碳空位，提高了半绝缘碳化硅晶圆更高的热稳定性。
37.基于同一发明构思，本发明还提供了一种根据所述的采用电子辐照制备半绝缘碳化硅晶圆的方法制备得到的半绝缘碳化硅晶圆。
38.基于同一发明构思，本发明还提供了一种包含根据所述的采用电子辐照制备半绝缘碳化硅晶圆的方法制备得到的半绝缘碳化硅晶圆的半导体器件。
39.其中，所述半导体器件包括射频器件等。
40.本发明虽然己以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。