CN104637801A - 一种制备SiC MOSFET栅氧化层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备SiC MOSFET栅氧化层的方法，属于SiC MOSFET器件领域。所述方法包括在SiC外延层上热生长SiO2栅氧化层，然后在500～1000℃，优选700～800℃下，包含Cl2的环境中退火该栅氧化层。优选以0.5-2slm的速率通入Cl2与惰性气体的混合气体，退火压力为100～1000mbar，保持时间30～180min。所述方法使用Cl2退火栅介质SiO2层，可以消除SiO2栅介质层中的氧空位陷阱电荷，提高SiC MOSFET器件中SiO2栅介质层的临界击穿电场和耐压能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备SiC MOSFET栅氧化层的方法，属于SiC MOSFET器件领域。
背景技术
SiC作为第三代半导体材料，具有宽带隙、高热导率、高击穿场强、高饱和速度等优越性能，适合制作高温大功率、高温高频以及抗辐射器件。其被广泛应用的电源装置为电源金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在电源MOSFET中，控制信号被传递给栅电极，该栅电极与半导体表面通过插入的绝缘体被隔开，该绝缘体可以但不限于是二氧化硅。
通常在SiC外延层制备SiO2栅介质层采用热生长的方法。然而，由于生长过程中SiO2与SiC材料晶格不匹配，在SiO2栅介质层和SiO2/SiC界面中会产生大量的悬挂键、碳簇和氧空位等缺陷电荷，使得在SiC层热生长的SiO2/SiC界面陷阱电荷比SiO2/Si界面陷阱电荷大约高两个数量级，造成SiC MOSFET器件反型沟道载流子迁移极低，降低了器件性能。
目前主流的降低SiO2/SiC界面中的陷阱电荷的方法是使用高温气体退火。常用的退火气体有含氮气体(如N2、NH3、N2O、NO)、Ar、H2、POCl3、O2等。其中含氮气体主要用于降低SiO2/SiC界面的碳簇现象，H2用于降低SiO2/SiC界面的悬挂键，POCl3、O2用于填补SiO2栅介质层在高温生长过程中造成氧空位现象。高温退火的步骤包括在SiC衬底片上生长外延SiC层，进行RCA清洗，在O2、NO和/或N2O气氛中热生长SiO2层，用N2、NO等气体进行退火。
使用NO退火SiO2栅介质层的方法可参考美国CREE公司的专利WO2007035304A1。其在SiC材料上形成氧化层的方法包括：在SiC材料上热生长氧化层(栅介质SiO2)，并在NO气氛中不低于1175℃的温度下热退火，最适宜温度为1300℃。目的是降低SiO2层中的碳簇现象，从而降低界面陷阱电荷，提高SiC MOSFET器件反型层沟道载流子迁移率。热氧化层退火可以在表面覆有SiC薄膜的SiC管中进行。为形成该氧化层，可以在干燥氧气中热生长整体氧化层，之后在湿氧气中再次氧化该整体氧化层。
使用H2退火SiO2栅介质层的方法可参考美国克里公司的专利CN1531746A。其通过在一层SiC上制备氮化的氧化物层(即SiO2)和在含氢气环境中退火该氮化的氧化物层制备了碳化硅结构。目的是降低SiO2层中的悬挂键，也可以降低界面陷阱电荷，提高SiC MOSFET器件反型层沟道载流子迁移率。
但是，上述方法都只能降低SiO2/SiC界面的陷阱电荷，不能填补SiO2栅介质层中由于高温产生的氧空位陷阱电荷，因此只能提高SiC MOSFET器件反型层沟道载流子迁移率，不能提高该器件中SiO2栅介质层的临界击穿电场。
发明内容
本发明提供一种制备SiC MOSFET栅氧化层的方法，其在热沉积SiO2栅介质层后使用Cl2进行退火，能够填补SiO2栅介质层的陷阱电荷，从而提高SiCMOSFET器件中SiO2栅介质层的临界击穿电场。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
根据本发明，所述制备SiC MOSFET栅氧化层的方法包括：首先在SiC外延层上热生长SiO2栅氧化层，然后在500～1000℃，优选700～800℃下，包含Cl2的环境中退火该栅氧化层。
使用Cl2退火栅介质SiO2层的主要原理为：SiO2在高温下热解，部分氧原子离开SiO2，在栅介质SiO2中形成氧空位陷阱电荷。氯原子与氧空位陷阱电荷发生化学反应，形成Si-Cl键，填补高温氧化过程产生的氧空位陷阱电荷，达到电荷平衡。
优选这一过程中使用惰性气体与Cl2的混合气体，目的是稀释Cl2，防止过多的Cl2破坏SiO2栅介质层中的Si-O键，造成对SiO2栅介质层的损害。
根据本发明，混合气体中Cl2的体积含量为1％～10％，优选1％～3％。当Cl2含量过高时会损害Si-O键，稀释用的惰性气体可以为N2或Ar。
根据本发明，反应前采用RCA标准清洗法清洗SiC外延片，目的是除去SiC外延片表面可能存在的有机物、颗粒和金属杂质等污染物。这些污染物的存在会影响SiC MOSFET器件的电学特性。
所述RCA标准清洗法是一种典型的、至今仍普遍使用的湿式化学清洗法，清洗的一般思路是首先去除硅片表面的有机物，然后溶解氧化膜，最后去除颗粒、金属等污染物，同时使硅片表面钝化。该清洗法主要包括以下几种清洗液：
(1)SPM：使用H2SO4/H2O2在120～150℃下进行清洗。SPM具有很高的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液中，并能把有机物氧化生成CO2和H2O。用SPM清洗SiC外延片可去除硅片表面的重有机物沾污和部分金属，但是当有机物沾污特别严重时会使有机物碳化而难以去除。
(2)HF(DHF)：使用HF(DHF)在20～25℃下进行清洗。DHF可以去除硅片表面的自然氧化膜，因此，附着在自然氧化膜上的金属将被溶解到清洗液中，同时DHF抑制了氧化膜的形成。因此可以很容易地去除硅片表面的Al，Fe，Zn，Ni等金属，DHF也可以去除附着在自然氧化膜上的金属氢氧化物。用DHF清洗时，在自然氧化膜被腐蚀掉时，硅片表面的硅几乎不被腐蚀。
(3)APM(SC-1)：使用NH4OH/H2O2/H2O在30～80℃下进行清洗。由于H2O2的作用，硅片表面有一层自然氧化膜(SiO2)呈亲水性，硅片表面和粒子之间可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化层与硅片表面的Si被NH 4OH腐蚀，因此附着在硅片表面的颗粒便落入清洗液中，从而达到去除粒子的目的。在NH4OH腐蚀硅片表面的同时，H2O2又在氧化硅片表面形成新的氧化膜。
(4)HPM(SC-2)：使用HCl/H2O2/H2O在65～85℃下进行清洗。用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污。在室温下HPM就能除去Fe和Zn。
根据本发明，RCA清洗结束后，所述制备SiC MOSFET栅氧化层的方法包括：
步骤一、将SiC外延片升温至氧化温度的升温过程；
步骤二、氧化温度下，在SiC外延片上生长SiO2栅介质层的氧化过程；
步骤三、将生长有SiO2栅介质层的SiC外延片降温至退火温度的降温过程；
步骤四、退火温度下通入Cl2与惰性气体的混合气体，对生长有SiO2栅介质层的SiC外延片进行退火的退火过程；和
步骤五、将退火后的生长有SiO2栅介质层的SiC外延片降温的冷却过程。
在本发明的实施例中，所述方法进一步阐述如下：
步骤一、升温过程：将RCA清洗后的SiC外延片置于高温氧化炉中，升温至1000～1400℃，优选1300～1400℃的氧化温度。在本发明的一个具体实施例中，升温速率为5～10℃/cm。
该方法可以在高温氧化炉优选管式炉内进行，具体为在炉腔内排列多个SiC晶片，晶片可置于载体上，使晶片在炉腔内有固定位置。步骤一的目的是使放置有SiC外延片的炉腔温度达到热氧化生长SiO2栅介质层的温度。后续步骤中炉腔内可注入反应气体并保持在所需要的设定温度。
步骤二、氧化过程：在步骤一设定的氧化温度下，以0.5～2slm(standard litreper minute的缩写，意思是标准状态下1L/min的流量)的速率向炉腔内通入氧化气体O2或H2O，设定炉腔压力为100～1000mbar，保持时间10～180min；得到SiO2层栅介质的厚度为10～100nm。
对应不同的反应时间，该步骤可在SiC外延片上形成不同厚度的SiO2层栅介质。其中通O2为干法氧化，通入H2O气为湿法氧化。对于干法氧化，干燥O2与SiC外延片反应生成SiO2和CO，CO气体穿过SiO2并逸出SiC/SiO2界面，在SiC外延片上形成SiO2栅介质层。对于湿法氧化，通入H2O蒸汽(或通入H2与O2两股气体，使其在炉腔内发生化合反应生成H2O蒸汽)与SiC外延片反应生成CO、H2和SiO2，其中的CO、H2气体穿过SiO2并逸出SiC/SiO2界面，在SiC外延片上形成SiO2栅介质层。
步骤三、降温过程：将高温氧化炉内的温度降至500～1000℃，优选700～800℃的退火温度。由于退火温度低于氧化温度，因此该步骤中需要在氧化得到SiO2栅介质层后将炉腔温度降至退火温度，降温后再通入Cl2与惰性气体的混合气体可精确控制下一步的退火时间。在本发明的一个具体实施例中，降温速率为5～10℃/cm。
步骤四、退火过程：在步骤三设定的退火温度下，以0.5～2slm的速率向炉腔内通入Cl2与惰性气体的混合气体退火SiO2栅介质层，设定炉腔压力为100～1000mbar，保持时间30～180min；
优选混合气体中Cl2的体积含量为1％～10％，更优选1％～3％，稀释用的惰性气体可以为N2或Ar。
步骤五、冷却过程：在惰性气氛(如氮气或氩气)中自然降温降至室温，最后取出生长有SiO2栅介质层的SiC外延片。
对得到的生长有SiO2栅介质层的SiC外延片进行测试，IV曲线说明临界击穿电场升高至＞10MV/cm，薄膜的致密性变好，进一步说明使用Cl2与惰性气体的混合气体退火能减少SiO2层中的氧空位陷阱电荷。
本发明提供的制备SiC MOSFET栅氧化层的方法，使用Cl2退火栅介质SiO2层，可以消除SiO2栅介质层中的氧空位陷阱电荷，提高SiC MOSFET器件中SiO2栅介质层的临界击穿电场和耐压能力。
附图说明
图1为SiC MOSFET的结构示意图；
图2为制备SiC MOSFET栅氧化层的方法中的炉腔温度变化图；
图3为对比例的I-V曲线图；
图4为实施例的I-V曲线图。
具体实施方式
本发明涉及的SiC MOSFET器件的结构可以是N型沟道器件，也可以是P型沟道器件。如图1所示，其包括在SiC衬底12上方生长的外延层14，所述外延层14可以为n型或p型，其通过例如MOCVD的方法通过注入不同类型和浓度的掺杂离子形成，掺杂氮离子对应N型外延层，掺杂铝离子对应P型外延层。在特定的实施方案中，外延层14可以具有约12微米的厚度和可以具有约5×1015cm-3的掺杂剂浓度。氮和/或磷离子可以被注入到外延层14中以形成n+源/漏区域16。栅氧化层18在外延层14上之间且延伸到源/漏区域16的上面。该控制氧化层18的厚度可以取决于装置的期望的工作参数。栅接触20在控制氧化物18上形成。该栅接触20可以包含，例如硼-掺杂多晶硅和/或蒸发铝。硼-掺杂多晶硅可以用来帮助调整装置的阈电压达到期望水平。用其它杂质掺杂的多晶硅，包含n型杂质，也可以被用作为栅接触20。同时镍源/漏极接触22、24可以在源/漏区域16上形成。
实施例
实验使用的SiC晶圆衬底采购自美国CREE公司，N型，厚度为(350±25)μm，电阻率为(0.012-0.025)Ω·cm；外延由翰天天成电子科技(厦门)有限公司完成，外延厚度12μm，厚度均匀性≤5％，掺杂浓度1E16cm-3，掺杂浓度均匀性≤10％。使用的高温氧化炉为Centrotherm公司生产，型号为Oxidator 150-5。
IV测试使用AGILENT4155半导体特性分析仪，使用0.2V扫描电压从0V直至SiO2栅介质层击穿。
制备SiC MOSFET栅氧化层的方法如图2所示，包括：
步骤一、升温过程，对应图2中的T1→T2：将RCA清洗后的SiC外延片置于SiC高温氧化炉中，以6℃/cm的升温速率升温至1300℃的氧化温度。
步骤二、氧化过程，对应图2中的T2→T3：采用干法氧化，在步骤一设定的氧化温度下，以1slm的速率向炉腔内通入氧化气体O2，设定炉腔压力为750mbar，保持时间60min。
步骤三、降温过程，对应图2中的T3→T4：以6℃/cm的降温速率，将高温氧化炉内的温度降至800℃的退火温度。
步骤四、退火过程，对应图2中的T4→T5：在步骤三设定的退火温度下，以1slm的速率向炉腔内通入Cl2与惰性气体的混合气体退火SiO2栅介质层，Cl2与惰性气体的体积比为100:1，设定炉腔压力为750mbar，保持时间120min。
步骤五、冷却过程，对应图2中的T5→T6：在氮气气氛中自然降温降至室温，最后取出生长有SiO2栅介质层的SiC外延片。
对比例
除步骤四在同等温度、压力和时间下，以1slm的速率向炉腔内通入N2退火SiO2栅介质层，其它步骤与实施例相同。
对得到的栅介质SiO2层进行测试，图3为对比例的IV曲线。其中横坐标为临界击穿电场值(EB，单位MV/cm)，纵坐标为电流密度值(J，单位A/cm2)，说明退火后SiO2栅介质层的临界击穿电场<10MV/cm。
图4为实施例的IV曲线，测试条件与对比例相同。说明退火后SiO2栅介质层的临界击穿电场>10MV/cm。临界击穿电场值直接反映SiO2栅介质层的击穿能力，间接反映薄膜的致密性，临界击穿电场升高说明SiO2栅介质层的致密性变好，进一步说明使用Cl2与惰性气体的混合气体退火能减少SiO2层中的氧空位陷阱电荷，提高SiO2栅介质层的临界击穿电场和耐压能力。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
Claims (10)
1.一种制备SiC MOSFET栅氧化层的方法，包括：在SiC外延层上热生长SiO2栅氧化层，然后在500～1000℃，优选700～800℃下包含Cl2的环境中退火该栅氧化层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用惰性气体与Cl2的混合气体退火，混合气体中Cl2的体积含量为1％～10％，优选1％～3％。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，Cl2以0.5～2slm的速率通入，退火压力为100～1000mbar，保持时间30～180min。
4.一种制备SiC MOSFET栅氧化层的方法，包括：
步骤一、将SiC外延片升温至氧化温度的升温过程；
步骤二、氧化温度下，在SiC外延片上生长SiO2栅介质层的氧化过程；
步骤三、将生长有SiO2栅介质层的SiC外延片降温至退火温度的降温过程；
步骤四、退火温度下通入Cl2与惰性气体的混合气体，对生长有SiO2栅介质层的SiC外延片进行退火的退火过程；和
步骤五、将退火后的生长有SiO2栅介质层的SiC外延片降温的冷却过程。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述升温过程为将RCA清洗后的SiC外延片置于高温氧化炉中，升温至1000～1400℃，优选1300～1400℃的氧化温度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述氧化过程为在氧化温度下，以0.5～2slm的速率向炉腔内通入氧化气体O2或H2O，设定炉腔压力为100～1000mbar，保持时间10～180min。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述降温过程为将高温氧化炉内的温度降至500～1000℃，优选700～800℃的退火温度。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述退火过程为在退火温度下，以0.5～2slm的速率向炉腔内通入Cl2与惰性气体的混合气体退火SiO2栅介质层，设定炉腔压力为100～1000mbar，保持时间30～180min。
9.根据权利要求4或8所述的方法，其特征在于，混合气体中Cl2的体积含量为1％～10％，优选1％～3％。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冷却过程为在惰性气氛中自然降温至室温。
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