CN102034906A - 采用离子注入在单晶硅衬底上形成碳化硅薄层的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用离子注入在单晶硅衬底上形成碳化硅薄层的方法，在硅衬底上利用碳离子注入，然后进行高温退火，在硅衬底表面上生成一层高质量的单晶硅SiC层，从而使得高质量发光材料可在SiC层上生长出来。

Description

采用离子注入在单晶硅衬底上形成碳化硅薄层的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种采用离子注入在单晶硅衬底上形成碳化硅薄层的方法。

背景技术

节能灯的节能效果相对于普通荧光灯有了大幅度的提升，也是目前技术最成熟、最具有大规模推广价值的照明产品。但新兴的LED(Light EmittingDiode发光二极管)照明产业更被认为是当前能源短缺和环境压力下，照明行业惟一可持续性发展的新一代绿色光源，是未来照明行业的发展方向。在同样亮度下，LED照明耗电仅为普通白炽灯的1/10，使用寿命是白炽灯的80-100倍。在全球能源危机、环保要求不断提高的情况下，寿命长、节能、安全、绿色环保、色彩丰富、微型化的半导体LED照明已被世界公认为是继火、白炽灯之后人类照明史上第三次照明革命。

但是由于LED技术不成熟，加上高昂的造价，使得高功率LED迟迟没法替代现有白炽灯和荧光灯，其中，衬底的选择与造价是最主要原因之一。

衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。衬底材料的选择主要取决于以下九个方面：

1、结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密度小；

2、界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强；

3、化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解和腐蚀；

4、热学性能好，包括导热性好和热失配度小；

5、导电性好，能制成垂直结构；

6、光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小；

7、机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等；

8、价格低廉；

9、大尺寸，一般要求直径不小于2英寸。

常用的衬底有以下三种：

1、蓝宝石(Al₂O₃)，蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。

使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。

蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件，通常只在外延层上表面制作n型和p型电极(如图1所示)。在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30％～40％的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。

蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割(从400nm减到100nm左右)，添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。

蓝宝石的导热性能不是很好(在100℃约为25W/(m·K))。因此在使用LED器件时，难以传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素，但差导热性使大功率的LED没法在这一衬底上有实用性的价值。

2、硅衬底(Si)是一大家向往的材料，具有许多优点，如晶体质量高，尺寸大，易加工，具有良好的导电性、导热性和热稳定性等，但最吸引人的特点是，价钱几乎是碳化硅的百分之一。但其致命缺陷是晶格匹配(跟发光材料、GaAs、GaN...)程度不够好，存在巨大的晶格失配和热失配，而且在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si衬底上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，LED出光效率低。所以没法生产出高质量的LED，因为发光材料在硅上直接生长的过程会形成较多的缺陷。所以至今我们还没有看到大功率密度的发光材料从硅片上生产出来。

3、碳化硅(SiC)是相对最理想的衬底，晶格的匹配程度底，导热性能好、化学稳定性好、导电性能好、不吸收可见光。由于其的电导率足够好，所以LED结构可做成纵向结构，而降低LED的生产成本。但是其价格非常昂贵(一片2英寸直径，0.25毫米厚的SiC，价格高达600～900美元)，且晶体质量难以达到A1₂O₃和Si那么好、机械加工性能比较差。

因此，国内外SiC衬底今后研发的任务是如何大幅度降低制造成本和提高晶体结晶质量。

发明内容

本发明提供的一种采用离子注入在单晶硅衬底上形成碳化硅薄层的方法，可获得高质量的碳化硅衬底。

为了达到上述目的，本发明提供一种采用离子注入在单晶硅衬底上形成碳化硅薄层的方法，包含以下步骤：

步骤1、在单晶硅衬底上进行碳离子注入；

采用能量为10～200kev，注入剂量为10¹⁶～10¹⁹的C⁺离子进行注入；

注入能量决定注入层的深度，注入剂量决定最终得到的SiC层的厚度；

在离子注入过程中，硅片的温度须维持一定的温度(100～1200℃)；

步骤2、高温退火；

将离子注入后的硅片放在退火炉中进行高温处理，以最终形成SiC层。

本发明在硅衬底上利用C离子注入，而在硅衬底表面上生成一层高质量的单晶硅SiC层，从而使得高质量发光材料可在SiC层上生长出来。

具体实施方式

一种采用离子注入在单晶硅衬底上形成碳化硅薄层的方法，包含以下步骤：

步骤1、采用能量为10～200kev，注入剂量为10¹⁶～10¹⁹的C⁺离子注入单晶硅衬底；

在离子注入过程中，硅片的温度须维持一定的温度(100～1200℃)；

步骤2、高温退火；

将离子注入后的硅片放在退火炉中进行高温处理，以最终形成高质量的SiC层。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.一种采用离子注入在单晶硅衬底上形成碳化硅薄层的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤1、在单晶硅衬底上进行碳离子注入；

注入能量决定注入层的深度，注入剂量决定最终得到的SiC层的厚度；

在离子注入过程中，硅片的温度须维持一定的温度；

步骤2、高温退火；

将离子注入后的硅片放在退火炉中进行高温处理，以最终形成SiC层。

2.如权利要求1所述的采用离子注入在单晶硅衬底上形成碳化硅薄层的方法，其特征在于，所述的步骤1中，采用能量为10～200kev，注入剂量为10¹⁶～10¹⁹的C⁺离子进行注入。

3.如权利要求2所述的采用离子注入在单晶硅衬底上形成碳化硅薄层的方法，其特征在于，在所述步骤1的离子注入过程中，硅片的温度维持在100～1200℃。