CN104659114A - Mos电容以及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及MOS电容以及其制造方法。该方法包括，步骤一：在基板上设置SiC外延层；步骤二：在SiC外延层上设置氧隔离层；步骤三：在氧隔离层上设置硅层；步骤四：将硅层氧化成SiO2层。根据本方法制造的MOS电容，反型沟道载流子迁移较高，MOS电容的性能较好。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种MOS电容。本发明还涉及这种MOS电容的制造方法。
背景技术
SiC材料作为第三代半导体材料的代表，具有许多优越的性能，如带隙宽、高热导率、高击穿场强、高饱和速度。这使得SiC适合制作高温大功率、高温高频以及抗辐射器件。SiC材料的一个显著的优点就是可以通过热氧化方法在其表面直接生成SiO2层，这意味着SiC材料是制作大功率金属-氧化层半导体场效应晶体管(即，MOSFET)以及绝缘栅双极型晶体管等SiO2/SiC金属氧化物半导体器件的理想材料。
但是，通过热氧化方法在SiC表面直接生成SiO2层后，在SiC层的与SiO2层相接触的表面上会由于氧化而产生大量的悬挂键、碳团簇和氧空位等缺陷，并且由于氧原子的扩散速率的不一致而导致该表面为粗糙的形状(如图1所示)。对于SiC MOS器件而言，反型沟道形成在SiC的与SiO2相接触的表面区域，而在该表面区域的这些缺陷和粗糙的形状会造成载流子迁移极低，造成器件性能的严重降低。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种制造MOS电容的方法。根据本方法制造的MOS电容，反型沟道载流子迁移较高，MOS电容的性能较好。
根据本发明的第一方面，提出了一种制造MOS电容的方法，该方法包括步骤一：在基板上设置SiC外延层；步骤二：在SiC外延层上设置氧隔离层；步骤三：在氧隔离层上设置硅层；步骤四：将硅层氧化成SiO2层。
根据本发明的方法，在将硅层氧化成SiO2层的过程中，氧隔离层可以几乎完全避免氧原子扩散到SiC外延层内。这样，在SiC外延层与氧隔离层接触的区域就没有悬挂键、碳团簇和氧空位等缺陷以及粗糙的表面，而是保持光滑的表面。由此，在使用由这种方法制备的MOS电容时，形成在SiC外延层与氧隔离层接触的区域的反型沟道载流子迁移率会较高，并且MOS电容的电性能也因此较好。另外，SiO2层通过氧化设置在氧隔离层上的硅层而得到。由于氧隔离层可以几乎完全避免氧原子扩散到SiC外延层内，因此可以充分地对硅层进行氧化而不必担心SiC外延层受到不利影响，从而可以将硅层完全氧化成SiO2层，并由此提高栅介质层的品质。
在一个实施例中，氧隔离层为氮氧化硅层。氮氧化硅层具有良好的耐原子氧特性，因此在氧化过程中可以几乎完全避免氧原子扩散到SiC外延层内，由此避免SiC外延层形成粗糙的表面，以及SiC外延层表面上的碳团簇和氧空位。此外，氮氧化硅层内的氮原子可以与SiC表面上未成键的硅原子和碳原子形成Si≡N和C≡N键，由此减少了SiC外延层表面上的悬挂键，这有助于进一步提高了MOS电容的反型沟道载流子的迁移率，此外所形成的Si≡N和C≡N键还提高了氮氧化硅层与SiC外延层的结合强度。还应注意地是，在氮氧化硅中，氮原子存在于SiO2内的晶体缺陷处而对SiO2整体的晶体结构影响较小，因此氮氧化硅层与SiO2层之间的界面的错配度较低，从而提高了氮氧化硅层与SiO2层的结合牢固程度。
在一个优选的实施例中，氮氧化硅层的厚度为1-10nm。发明人发现，这种厚度的氧隔离层内的缺陷浓度最低，在将硅层氧化成SiO2层时，其完全能够避免氧原子扩散到SiC外延层中。由此，在提高栅介质层的绝缘性的同时不必大幅增加栅介质层的厚度，从而也有助于减小MOS电容的整体厚度。
在一个实施例中，氮氧化硅层以化学气相沉积的方式形成。由此，在制备氮氧化硅时，可以根据实际情况调节化学气相沉积的气氛组成从而可实现氮氧化硅层与SiC外延层和硅层的牢固结合。
在一个优选的实施例中，在步骤三中，硅层在氮氧化硅层上外延生长而成。这样可以进一步提高氮氧化硅层与硅层的结合牢固程度。
在一个实施例中，在步骤四之后，还在SiO2层上方设置第一电极，基板包括第二电极和设置在第二电极上方的衬底，SiC外延层设置在衬底上。
在一个优选的实施例中，衬底为SiC衬底。SiC衬底与SiC外延层的晶体结构几乎为相同，使得SiC衬底与SiC外延层之间的界面的错配度也非常低，有助于SiC衬底与SiC外延层之间的牢固结合。
根据本发明的第二方面，提出了一种MOS电容，其由上文所述的方法制备而成，该MOS电容包括：基板，设置在基板上的SiC外延层，和设置在SiC外延层上的栅介质层，栅介质层包括设置在SiC外延层上方的氧隔离层和设置在氧隔离层上的SiO2层，在使用MOS电容时，SiC外延层的与氧隔离层接触的区域形成反型沟道。
根据本发明的MOS电容，由于SiC外延层与氧隔离层接触的区域没有悬挂键、碳团簇和氧空位等缺陷并且具有光滑的表面，因此在使用MOS电容时，反型沟道载流子迁移率会较高，并且MOS电容的电性能也因此较好。
在一个实施例中，氧隔离层为氮氧化硅层。
在一个实施例中，在SiO2层的上方设置有第一电极，基板包括第二电极和设置在第二电极上方的SiC衬底，SiC外延层设置在SiC衬底上。
与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)SiC外延层与硅层通过氮氧化硅层间隔开。在将硅层氧化成SiO2层时，没有氧原子扩散到SiC外延层内，这样在SiC外延层与氮氧化硅层接触的区域就没有悬挂键、碳团簇和氧空位等缺陷以及粗糙的表面。由此，在使用MOS电容时，形成在SiC外延层与氧隔离层接触的区域的反型沟道载流子迁移率会较高，并且MOS电容的性能也因此较好。(2)氮氧化硅不但可阻止氧原子扩散到SiC外延层内，而且能与SiC外延层和SiO2层牢固结合。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1示意性地显示了现有技术中的SiC MOS器件中SiC层与SiO2层的界面。
图2示意性地显示了根据本发明的MOS电容的结构。
图3示意性地显示了实施根据本发明的方法流程图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1示意性地显示了现有技术中的SiC MOS电容中SiC外延层1与SiO2层2的界面。在现有技术中，通常直接对SiC外延层1热氧化而形成SiO2层2，但是会在SiO2/SiC的界面处形成氧化过渡层3和SiC外延层1的粗糙表面4。氧化过渡层3是由于热氧化过程中氧原子自由扩散的浓度差引起的。距离SiC外延层1表面越远的位置，由于氧的不足使SiC外延层1发生不完全氧化而产生了氧化过渡层3。在氧化过渡层3内存在有大量碳团簇和氧空位，这是SiO2/SiC界面陷阱电荷的主要来源。另外，由氧原子扩散速率的不一致形成了SiC外延层1的粗糙表面。反型沟道载流子在该粗糙表面处会受到很大的库仑散射以及表面粗糙度散射，从而使SiC MOS电容的反型沟道载流子迁移率极低。
下面，结合图2和图3来详细说明本发明的MOS电容20以及其制造方法。图2示意性地显示了根据本发明的MOS电容20的结构。
首先，在基板21上设置SiC外延层22。基板21包括第二电极210和设置在第二电极210上方的衬底211。在一个实施例中，衬底211为SiC衬底。当然，衬底211还可以为其他材料。第二电极210和衬底211的作用是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。
SiC外延层22与SiC衬底211的基体材料均是SiC，仅掺杂物的种类和/或含量不同，这些均是本领域的技术人员所熟知的。由此，SiC外延层22与SiC衬底211之间的界面的错配度非常低，SiC外延层22也就可与SiC衬底211牢固地结合在一起。
在MOS电容20的使用过程中，SiC外延层22，特别是SiC外延层22与栅介质层23相邻的区域，形成反型沟道。这将在下文中详细描述。
接下来，在SiC外延层22上设置氧隔离层231。氧隔离层231的作用将在下文中详细说明。通常在设置氧隔离层231之前，需要对SiC外延层22的表面进行清洗以除去可能存在的有机物、颗粒和金属杂质等污染物。这些污染物的存在会影响MOS电容的电学特性。清洗过程是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。
然后，在氧隔离层231上设置硅层(未示出)。在一个实施例中，硅层的厚度为10-120nm。优选地，硅层以外延生长的方式形成。
接着，在氧隔离层231的保护下，将硅层完全氧化成SiO2层232。氧隔离层231可选用介电常数k很高的材料，这样氧隔离层231可以与SiO2层232一起形成栅介质层23。如图2所示，SiC外延层22与栅介质层23的实际结构为：氧隔离层231与SiC外延层22直接相邻，而SiO2层232设置在氧隔离层231的上方，即SiC外延层22与SiO2层232通过氧隔离层231而隔开。栅介质层23的作用是本领域的技术人员所熟知的，这里不再赘述。
最后，在退火后，在栅介质层23(或SiO2层232)的上方设置第一电极24。在一个优选的实施例中，第一电极24可为金属或多晶硅。
这样就完成了MOS电容20的制备。
下面来详细说明氧隔离层231。
氧隔离层231可选用氮氧化硅层。氮氧化硅层231不但具有高的介电常数，而且还可以良好地阻止氧原子扩散。在对硅层进行氧化时，氮氧化硅层231可以几乎完全避免氧原子扩散到SiC外延层22内，由此SiC外延层22的表面就不会变粗糙，在氮氧化硅层231和SiC外延层22之间也就不再有含有大量碳团簇和氧空位的氧化过渡层，如图2所示。由此，MOS电容20的反型沟道载流子迁移率会得到大幅提高，MOS电容20的电学性能也因此而提高。
此外，氮氧化硅层231内的氮原子会与SiC外延层22表面未成键的硅原子和碳原子形成Si≡N和C≡N键，由此减少了SiC外延层22表面上的悬挂键，这有助于进一步提高了MOS电容20的反型沟道载流子的迁移率，并且所形成的Si≡N和C≡N键还提高了氮氧化硅层与SiC外延层的结合强度。在氮氧化硅层231中，氮原子存在于SiO2内的晶体缺陷处而对SiO2整体的晶体结构影响较小，因此氮氧化硅层231与SiO2层232之间的界面的错配度较低，从而提高了氮氧化硅层231与SiO2层232的结合牢固程度。
优选地，氮氧化硅层231的厚度为1-10nm。这种厚度的氧隔离层内的缺陷浓度最低，从而在提高栅介质层的绝缘性的同时不必大幅增加栅介质层的厚度。
优选地，氮氧化硅层231以化学气相沉积的方式形成。例如，以SiH4、N2O和NH3的混合气体进行化学气相沉积，这是本领域的技术人员所熟知的。这样，可以根据实际情况调节化学气相沉积的气氛组成从而可实现氮氧化硅层与SiC外延层和硅层(或SiO2层)的牢固结合。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的成分。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种制造MOS电容的方法，所述方法包括，
步骤一：在基板上设置SiC外延层；
步骤二：在所述SiC外延层上设置氧隔离层；
步骤三：在所述氧隔离层上设置硅层；
步骤四：将所述硅层氧化成SiO2层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧隔离层为氮氧化硅层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氮氧化硅层以化学气相沉积的方式形成。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述氮氧化硅层的厚度为1-10nm。
5.根据权利要求2到4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述硅层在所述氮氧化硅层上外延生长而成。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤四之后，还在所述SiO2层上方设置第一电极，所述基板包括第二电极和设置在所述第二电极上方的衬底，所述SiC外延层设置在衬底上方。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述衬底为SiC衬底。
8.一种MOS电容，其由根据权利要求1到7中任一项所述的方法制备而成，所述MOS电容包括：基板，设置在所述基板上的SiC外延层，和设置在所述SiC外延层上的栅介质层，
其中，所述栅介质层包括设置在所述SiC外延层上方的氧隔离层和设置在所述氧隔离层上的SiO2层，在使用所述MOS电容时，所述SiC外延层的与所述氧隔离层接触的区域形成反型沟道。
9.根据权利要求8所述的MOS电容，其特征在于，所述氧隔离层为氮氧化硅层。
10.根据权利要求8或9所述的MOS电容，其特征在于，在所述SiO2层的上方设置有第一电极，所述基板包括第二电极和设置在所述第二电极上方的SiC衬底，所述SiC外延层设置在SiC衬底上。
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