專利名稱：處理碳化硅襯底改善外延沉積的方法與形成的結構和器件的制作方法
背景技術：
目前，制作適合在紫外、藍、綠電磁波譜下工作的發光器件或“LED”(包括發光二極管，激光二極管，光探測器等)最成功的材料是III族氮化合物半導體材料，尤其是氮化鎵基化合物半導體材料。然而，氮化鎵在制作工作器件中引出了一系列特殊技術問題。主要問題是缺少大體積的氮化鎵單晶，相應地意味著氮化鎵或其他III族器件必須在其他材料上形成外延層。藍寶石(即氧化鋁或Al2O3)已經普遍用作III族氮化物的襯底。藍寶石具有與III族材料較好的晶格匹配，熱穩定性以及透明性，所有這些在制作發光二極管時通常是非常有用的。然而，作為一種電絕緣材料，藍寶石也具有其缺點，即經過發光二極管產生光發射的電流不能通過藍寶石襯底。這樣，必須制作其他種類的與LED的連接，例如將器件正負極放在LED芯片同一側的所謂“平行”結構。一般來說，優選將LED制作在導電襯底上，使得歐姆接觸能放在器件相反的兩端。這種稱為“垂直”的器件由于眾多原因而成為優選，包括同平行器件相比，易于制作。
相對于藍寶石，碳化硅能夠進行導電摻雜，因此可以有效地應用于制作垂直III族氮化物LED。另外，碳化硅與氮化鎵有相對較小的晶格失配，即可以在上面生長高質量的III族氮材料。碳化硅還具有高熱導系數，這對高電流器件如激光二極管的熱耗散是重要的。
碳化硅基III族氮化物LED的實例見轉讓給Cree，Inc.(也是本專利的受讓人)的美國專利5523589，6120600和6187606，每一篇在此引用，作為參考。這些器件通常包括一碳化硅襯底，襯底上形成的一緩沖層(區)，以及形成p-n結有源區的多個III族氮化物層。
特別地，美國專利6187606代表了相對于以前技術發展水平的重要進展。該專利’606描述的發明提供了在襯底上形成GaN，InGaN多個分立的晶體部分，亦即“點”，數量足夠多的點減小或消除了襯底和緩沖層之間的異質結勢壘，因此襯底和有源區之間便可以建立起高導電路徑。
LED的一個重要參數是器件在正向偏置工作時，正、負極之間的正向壓降(Vf)。尤其是，器件的正向電壓(Vf)應盡量低，以降低功率消耗，提高器件的總體效率。盡管專利’606具有其先進性，然而在傳統的碳化硅襯底和導電緩沖層界面上仍然存在可測的壓降。為了降低器件總的電壓Vf，應該降低該界面上的壓降。
發明描述根據本發明實施例的方法包括如下步驟提供一種具有預定導電類型和第一第二表面的SiC晶片；將預定導電類型的摻雜原子以一種或多種預定的摻雜濃度和注入能量注入到SiC晶片的第一表面，以形成摻雜分布；對注入晶片進行退火；在襯底上的注入第一表面上生長一層外延層。根據本發明實施例的其他方法包括如下步驟提供一種具有預定導電類型和第一、第二表面的SiC晶片；在晶片的第一表面上形成覆蓋層；將預定導電類型的摻雜原子以一種或多種預定的摻雜濃度和注入能量注入到覆蓋層和SiC晶片的第一表面，以形成摻雜分布；對注入晶片進行退火；去除掉覆蓋層；在襯底上注入第一表面上生長一層外延層。
根據本發明實施例的結構包括一種具有預定導電類型和第一第二表面的碳化硅襯底，在第一表面附近具有預定導電類型注入摻雜劑的第一注入分布，以及生長在第一表面上的外延層。
根據本發明實施例的器件包括一種光發射器件，該器件包括一種預定導電類型和第一第二表面的碳化硅襯底，襯底第一表面上的導電緩沖層，導電緩沖層上的有源區，其中襯底上的第一表面附近具有預定導電類型注入摻雜劑的第一注入分布。
參考

圖1為根據本發明的碳化硅基LED的簡化示意圖。器件10包括具有第一導電類型和第一表面12A、第二表面12B的導電碳化硅襯底12。器件10進一步包括在襯底12的表面12A上形成的導電緩沖區14，以及在導電緩沖層14上形成的有源區18。有源區18優選包括p-n結，最優包括單異質結、雙異質結、單量子阱、多量子阱等。第一歐姆接觸22形成于有源區表面。第二歐姆接觸24形成于襯底24表面。作為優選的實施例，襯底12包括n型4H-碳化硅。相應地，在優選的實施例中歐姆接觸22包括器件10的正極，而歐姆接觸24包括器件10的負極。歐姆接觸24可以根據于2001年3月15日申請的美國專利申請號09/787189描述的方法形成，在此引用作為參考。襯底12包括第一注入區20，該區與表面12A相鄰并且包括第一導電類型的注入摻雜原子。注入區20的存在導致了襯底12和緩沖區14之間界面上可觀測的壓降降低，從而導致了器件10總的正向工作電壓(Vf)的降低。注入區的注入摻雜原子峰值濃度約1E19-5E21cm-3，厚度約10-5000埃。優選地，注入區的注入摻雜原子峰值濃度約1E21cm-3，厚度約500埃。
圖2為根據本發明制作結構的方法，得到的碳化硅襯底12具有第一導電類型以及第一表面12A和第二表面12B。制作如襯底12的摻雜碳化硅襯底在技術上已經眾所周知。例如，美國專利RE34861公開了利用可控種子升華方法生長碳化硅梨晶(boules)的過程，從而形成的碳化硅晶體可能呈現許多多型晶體中的一種，例如4H，6H，15R或其他。在生長中將N型摻雜劑，例如氮和/或磷，或者p型摻雜劑例如鋁、硼混合進晶體中，以分別得到晶體純n型或p型的導電性。然后將晶體梨晶切割成晶片，經過化學、機械處理(拋光)后作為生長外延層并在上面制作電學器件的合適襯底。
在一個優選的實施例中，襯底12包括摻雜有氮施主原子的n型4H或6H-碳化硅，凈摻雜濃度約5E17-3E18cm-2。形成晶片和拋光后，預定導電類型的摻雜原子30以一種或多種預定的摻雜濃度和注入能量注入到襯底12的表面12A，在襯底12的注入區20形成摻雜分布。優選地，摻雜原子30與襯底12有相同的導電類型。即，如果襯底12為n型，則摻雜劑30包括一種能夠在碳化硅中形成n型導電性的摻雜劑，如氮或磷。另一種情況，如果襯底12為p型，則摻雜劑30包括一種能夠在碳化硅中形成p型導電性的摻雜劑，如硼或鋁。
將摻雜劑30根據預定的注入劑量和能量水平通過表面12A注入到襯底12。注入可以以單劑量和能量水平一步進行，或者以多重劑量和/或能量水平多步進行。在一個優選的實施例中，注入通過多重注入劑量和能量水平進行，以便在襯底12中一種預定的深度下獲得相對平坦的注入分布。例如，在一個實施例中，6H-碳化硅襯底以磷原子注入，第一次劑量為2E15cm-2，能量25keV，第二次劑量3.6E15cm-2，能量50keV。
根據本實施例形成期望的深度分布見圖4中的曲線圖。圖4的曲線圖給出了單位為原子/cm3的注入原子(y-軸)，作為從襯底12的第一表面12A開始的深度(x-軸)，單位為埃的函數分布。如圖4所示，注入分布在深度約300埃時增加到約1E21cm-3的最大值。從該處開始直到約800埃的深度處，分布保持相對平坦，然后開始降至背景水平。因此，注入區20可以認為從表面12A延伸至襯底12的深度約800-1000埃。
注入之后，襯底在標準的氬燈退火管中退火，溫度1300℃，時間90分鐘，以激活注入的摻雜劑。一定范圍的溫度對退火也是有效的，1300℃是一典型而不是限定溫度。
一種導電緩沖層14接著形成于襯底12的表面12A上。
該實施例的一個缺點是摻雜分布在襯底中某一深度處達到最大值，取決于注入劑量和能量，即表面注入濃度小于襯底中的最大濃度。注入摻雜劑濃度一定要小于5E21cm-3，否則注入的原子將導致對襯底12晶格不必要和不可修復的損傷。
為了最大限度地改進壓降，應使襯底表面的注入濃度盡可能地高，即襯底表面的注入濃度約1E21cm-3。然而，根據圖2的實施例，為了獲得這一表面濃度，必須注入一定劑量和能量水平的摻雜原子，而該劑量和能量水平在襯底中產生的摻雜劑濃度能夠如上面所述的破壞其襯底。
相應地，如圖3所示的本發明的另一個實施例中，在注入摻雜劑之前，一覆蓋層32沉積在襯底12的表面12A上。優選地，覆蓋層32包括采用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)法沉積的或熱氧化生長的氮化硅層或二氧化硅層，眾所周知，二者都是沉積精確厚度和組分的氧化物層的方法。覆蓋層32也可以包括任何其他合適的材料，該材料能可控沉積成薄層，易于離子注入，能夠去除而不損壞其下面的表面。其他可用于覆蓋層32的材料包括金屬層或半導體外延層。
覆蓋層32的厚度和注入參數(劑量和能量)的選擇應使注入步驟產生的最大注入濃度發生在襯底12的表面12A或附近(即在襯底12和覆蓋層32界面處或附近)。這樣形成的結構在標準的氬燈退火管中退火，溫度1300℃，時間90分鐘，以激活注入的摻雜劑。覆蓋層32用傳統的技術去除。例如，如果覆蓋層32包括PECVD形成的氧化層，可通過濕法化學腐蝕去除。這樣形成的結構理論上包括具有注入區20的襯底12，其中注入區20的注入原子峰值濃度發生在襯底12的表面12A或附近。
根據本實施例形成期望的深度分布見圖5中的曲線圖。圖5的曲線圖給出了單位為原子/cm3的注入原子(y-軸)，作為從襯底12的第一表面12A開始的深度(x-軸)，單位為埃的函數分布。如圖4所示，注入分布在襯底12表面12A處的值約為1E21cm-3。從該處開始到約500埃的深度處，分布保持相對平坦，然后降至背景水平。
在一個實施例中，厚度約500埃的二氧化硅層32通過PECVD形成于襯底12的表面12A上。氮原子注入氧化層和襯底12，第一次劑量的注入能量25keV，第二次劑量的注入能量50keV。第一次注入的劑量約4E12cm-2-1E15cm-2，而第二次注入的劑量約7E12cm-2-1.8E15cm-2。
襯底/緩沖區界面的界面電壓(Vf)與25keV注入劑量對比曲線圖如圖6所示。為了產生圖6所示的數據，采用了樣品4H和6H碳化硅晶片，其氮摻雜劑凈濃度為3.3E17-2.1E18cm-3。500埃PECVD二氧化硅層形成于晶片表面，晶片以各種可控劑量的氮原子注入，其能量分別為25keV和50keV。每個晶片的注入劑量和能量水平如表1所示。
表1
導電緩沖層于是形成于注入襯底上。界面電壓(因襯底/緩沖層界面形成的壓降)在晶片的三個位置進行測量并計算出平均值。該平均值與25keV注入劑量關系繪制成圖6。如圖6所示，襯底/緩沖層界面的界面電壓隨劑量的增加而降低。
權利要求
1.一種處理碳化硅襯底的方法，用于改進其外延沉積和作為制造諸如發光二極管等器件的前體。該方法包括在一種或多種預定的摻雜濃度和注入能量下，將第一導電類型的摻雜原子注入到與注入離子相同導電類型的導電碳化硅晶片的第一表面中，形成一種摻雜分布；對注入的晶片退火；以及在晶片上的注入第一表面上生長一外延層。
2.根據權利要求1的方法，包括用一種材料在導電碳化硅晶片的第一表面上形成覆蓋層，該材料能夠可控制沉積成薄層，能夠注入與碳化硅晶片有相同導電性的離子，能夠去除而基本上不損壞晶片下面的表面；將摻雜原子以一種或多種預定的摻雜濃度和注入能量注入以及穿過覆蓋層，注入到碳化硅晶片，從而形成摻雜分布；對注入的晶片退火；去除掉覆蓋層；以及在襯底晶片上的注入第一表面上生長一層外延層。
3.根據權利要求1形成發光二極管的方法，進一步包括如下步驟在注入的碳化硅晶片第一表面上形成導電緩沖區；在該導電緩沖區上形成有源區；在所述的有源區上形成第一歐姆接觸；以及在所述的碳化硅晶片第二表面上形成第二歐姆接觸。
4.根據權利要求1，2，3的方法，其中注入摻雜原子的步驟包括以變化的劑量和能量水平進行多次注入步驟，以便在晶片中預定的深度下得到相對平坦的注入分布。
5.根據權利要求4的方法，其中注入步驟包括，在注入區域中注入摻雜原子，使其峰值濃度約為1E19-5E21cm-3。
6.根據權利要求4的方法，其中注入步驟包括，在注入區域中注入摻雜原子，使其峰值濃度約為1E21cm-3，注入到碳化硅晶片中的深度約為500埃。
7.根據權利要求4的方法，其中注入步驟包括，以磷施主原子對碳化硅晶片進行注入，第一摻雜濃度2E15cm-2，注入能量25keV，第二摻雜濃度3.6E15cm-2，注入能量50keV。
8.根據權利要求1，2，3的方法，其中注入的晶片在1300℃的氬下退火90分鐘。
9.根據權利要求1，2，3的方法，包括將選自氮和磷的注入摻雜原子注入進n型碳化硅晶片中。
10.根據權利要求1，2，3的方法，包括將選自硼和鋁的注入摻雜原子注入進p型碳化硅晶片中。
11.根據權利要求2的方法，包括形成覆蓋層，選自氮化硅、二氧化硅和金屬層。
12.根據權利要求11的方法，包括在碳化硅晶片上使用等離子增強化學氣相外延沉積的方法沉積覆蓋層
13.根據權利要求2的方法，包括在二氧化硅上形成覆蓋層，厚度約500埃。
14.根據權利要求13的方法，包括將氮原子注入二氧化硅層和透過二氧化硅層注入碳化硅晶片，第一劑量為，在注入能量25keV下的摻雜濃度約4E12-1E15cm-2，第二劑量為，在50keV注入能量下注入的摻雜濃度約7E12-1.8E15cm-2。
15.根據權利要求2的方法，包括用化學濕法腐蝕的方法去除覆蓋層。
16.根據權利要求3的方法，進一步包括從包括單異質結、雙異質結、單量子阱、多量子阱及其組合構成的組中制作有源區的步驟。
17.一種適合于制作例如發光二極管等電子器件的襯底的碳化硅結構，包括碳化硅晶片，具有第一、第二表面以及預定導電類型和初始載流子濃度；一注入摻雜原子的區域，從所述的第一表面延伸到碳化硅晶至預定的深度，所述區域的載流子濃度比所述晶片剩余部分的初始載流子濃度要高；以及在所述碳化硅晶片第一表面上形成的外延層
18.根據權利要求17的碳化硅前體結構，進一步包括一種材料形成的覆蓋層，位于所述碳化硅晶片的第一表面上，該材料能夠可控沉積成薄層，能夠注入與碳化硅晶片有相同導電性的離子，能夠去除而基本上不損壞晶片下面的表面；以及一注入摻雜原子區，完全延伸通過所述覆蓋層和第一表面，到所述碳化硅晶片至預定深度，所述區域的載流子濃度比所述晶片剩余部分的初始載流子濃度要高。
19.根據權利要求17的襯底上的發光二極管，進一步包括；在所述導電碳化硅晶片第一表面上的導電緩沖區；在所述的導電緩沖區上的有源區；在所述有源區上的第一歐姆接觸；以及在所述碳化硅晶片第二表面上的第二歐姆接觸。
20.根據權利要求17，18或19的碳化硅結構，其中所述碳化硅晶片包括n型6H-碳化硅或n型4H-碳化硅。
21.根據權利要求20的碳化硅結構，其中所述碳化硅晶片用濃度約5E17-3E18cm-2的施主氮原子進行摻雜。
22.根據權利要求17，18或19的碳化硅結構，其中所述注入摻雜原子區包括磷，磷的濃度約1E19-5E21cm-3。
23.根據權利要求17，18或19的碳化硅結構，其中所述注入摻雜原子區包括氮，氮的濃度約1E19-5E21cm-3。
24.根據權利要求23的碳化硅結構，其中所述注入摻雜原子區包括磷，磷的濃度約1E21cm-3。
25.根據權利要求17，18或19的碳化硅結構，其中所述的注入摻雜原子區從所述第一表面延伸到碳化硅晶片至深度約10-5000埃。
26.根據權利要求25的碳化硅結構，其中所述注入摻雜原子區的注入摻雜原子峰值濃度約1E19-5E21cm-3。
27.根據權利要求26的碳化硅結構，其中所述注入摻雜原子區的摻雜原子注入峰值濃度約1E21cm-3，且從所述第一表面到碳化硅晶片延伸至深度約500埃。
28.根據權利要求17，18或19的碳化硅結構，其中在所述注入區的注入原子峰值摻雜濃度出現在所述碳化硅襯底的第一表面或其附近。
29.根據權利要求18的碳化硅結構，其中所述的覆蓋層包括選自氮化硅、碳化硅和金屬的材料。
30.根據權利要求29的碳化硅結構，其中所述覆蓋層材料的厚度約500埃。
31.根據權利要求19的LED，其中所述有源層選自單異質結、雙異質結、單量子阱、多量子阱及其組合。
全文摘要
本發明公開了一種處理碳化硅襯底的方法，用于改進其外延沉積和作為制造如發光二極管等器件的前體。該方法包括如下步驟在一種或多種預定摻雜濃度和注入能量下，將第一導電類型的摻雜原子注入到與注入離子有相同的導電類型的導電碳化硅晶片第一表面，形成一種摻雜分布，對注入的晶片退火，在襯底晶片的注入第一表面生長一層外延層。
文檔編號H01L21/20GK1628370SQ03803468
公開日2005年6月15日 申請日期2003年2月7日 優先權日2002年2月8日
發明者戴維斯·安德魯·麥克盧爾, 亞歷山大·蘇沃洛夫, 約翰·亞當·埃德蒙, 小戴維·比爾茲利·斯萊特 申請人:克里公司