CN105304498A - 一种降低SiO2/SiC界面态密度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种降低SiO2/SiC界面态密度的方法,涉及SiC(碳化硅)半导体器件的性能改进技术领域。其处理过程是：第一步，将SiC样品清洗，并氧化形成一层SiO2薄膜；第二步，将样品装入电子回旋共振微波等离子体系统到放电室样品台中，第三步，抽取真空并将样品台升温；第四步，开启微波源，向放电室通入NH3产生氨等离子体对氧化后的样品进行处理。本发明中氨等离子体放电产生大量N、H、NH和NH2等高活性物质，同时结合N、H钝化作用，可以在保证氧化膜质量的前提下，显著降低SiO2/SiC界面态密度，为进一步改善SiC-MOS器件性能奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及SiC(碳化硅)半导体器件的性能改进技术领域，特别是SiC-MOS器件制作过程中一种降低SiO2/SiC界面态密度的方法。
背景技术
SiC半导体具有禁带宽度大、临界击穿电场高、热导率高、载流子饱和漂移速度高等优异特性，在高温、高频、大功率器件领域具有极大应用潜力。同时，SiC是唯一一种可以热氧化形成SiO2膜的宽带隙化合物半导体，这一特点使SiC-MOS器件可以在成熟的硅工艺上实现。然而，实际制作的SiC-MOS器件存在沟道迁移率低的问题，其主要原因是SiO2/SiC界面态密度过高。因此，降低SiO2/SiC界面态密度是SiC-MOS器件研究领域的关键技术问题。
目前，氮钝化是公认最有效的降低SiO2/SiC界面态密度的方法。郭辉等人在专利[申请号：200910022011.9]中提出了一种低界面态密度的SiC-MOS电容制作方法。其中的关键工艺即为在氧化前向SiC衬底离子注入一层N+离子。该方法有效降低了界面态密度，但由于氧化层中含有大量的N元素，导致氧化层绝缘特性下降。
AK.萨克斯勒.MK.达斯在其专利[申请号：03820297]中提出在基本无氧的含氮环境中高温退火，使用了N2O、NO、NH3三种气氛。他们都降低了界面态密度，但也都存在一些问题。N2O/NO气氛下高温退火会向SiO2/SiC界面引入大量的氧，使氧化层不可控地增加，最终限制该工艺的钝化效率。而在NH3气氛下高温退火，N和H都是以NH3分子的形式被引入，不能提供原子级的H，所以只有N对界面缺陷有钝化作用，而H几乎没有钝化作用，导致NH3退火工艺的钝化有效十分有限。
廖奇泊等人在其专利[申请号：201510091817.9]中提出低温N2/H2退火方法，可以同时发挥N和H的界面钝化作用，降低界面态密度。但是N2和H2在低温很难分解成N、H原子，所以实际其钝化作用的是N、H分子，而分子级的N和H的界面钝化作用十分有限的。
徐茵等人发明了电子回旋共振微波等离子体系统[申请号：01101424.5]。该系统采用具有可调谐振腔和磁多极场位形的腔耦合型电子回旋共振微波等离子体源，利用电子回旋共振原理，通入反应气体参与电子回旋共振放电，通过控制电子回旋共振等离子体源的运行参数可以实现高活化低离子损伤的等离子体。
发明内容
本发明的目的是提供一种SiC氧化后氨等离子体退火处理方法，降低SiO2/SiC界面态密度。本发明的技术方案如下：
一种降低SiO2/SiC界面态密度的方法：首先将碳化硅样品清洗，并氧化形成一层SiO2薄膜；然后对氧化后的样品进行氨等离子体退火处理；在对氧化后的样品进行氨等离子体退火处理中采用了电子回旋共振微波等离子体系统，该电子回旋共振微波等离子体系统主要包括：等离子体系统、微波源、石英放电室、装样室、样品台，其中样品台可以在装样室和石英放电室之间移动；
氧化后氨等离子体处理工艺，实施过程是将氧化后的SiC样品通过样品台载入石英放电室，对石英放电室抽真空，当真空度达到10-3Pa以下时，开始对石英放电室升温200-800℃；开启电子回旋共振微波等离子体系统的微波源，功率在200-800W条件下，向石英放电室通入NH3产生氨等离子体，对样品处理5-30min；将样品台冷却到室温，将样品台载入装样室，向装样室充入N2，在N2气氛保护下从样品台中取出样品。
本发明的优异效果在于：氨等离子体在放电过程中产生大量N、H、NH和NH2等高活性物质，同时结合N、H钝化作用，显著降低SiO2/SiC界面态密度。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为氨等离子体退火处理前后SiO2膜的电流密度－场强特性曲线。
图3为氨等离子体退火处理前后SiO2/SiC界面态密度随能量的分布图。
表1为同样处理10min时不同氨等离子体退火处理温度的界面态密度。
表2为处理温度600℃时不同氨等离子体退火处理时间的界面态密度。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
实施例一
图1是结合了本发明的SiC-MOS器件制备流程图，步骤如下：
第一步，通过公知的RCA标准清洗法清洗SiC材料。
第二步，对清洗后的SiC衬底进行氧化，形成一层SiO2膜。
第三步，采用电子回旋共振微波等离子体系统产生的氨等离子体对退火后的样品进行处理。
(1)将氧化后的样品在N2气氛保护下载入电子回旋共振微波等离子体系统的装样室中，并推送到石英放电室；
(2)对石英放电室抽真空，当真空度达到10-4Pa以下时，开始对石英放电室升温，设定温度为600℃；
(3)以NH3作为等离子体的产生源，NH3流量设定为70sccm，微波源功率为650W条件下，对样品进行氨等离子体处理10min。
(4)处理完成后，将样品台冷却到室温，并载入装样室；向装样室通入N2，在N2气氛保护下从样品台取出样品。
第四步，利用金属掩膜版，采用阻抗加热蒸发法在样品正面和背面分别形成Al电极。
本发明的效果可以通过电学性能实测结果进一步说明：
实测内容：(1)对利用本发明方法处理前后的SiC-MOS样品进行I-V特性测试，I-V测试利用Keithley4200半导体参数分析仪完成，电压扫描范围为0-38V，电压步长为0.05V，保持时间为0.1s；(2)对利用本发明方法处理前后的SiCMOS样品进行C-V特性测试，C-V测试利用Keithley4200半导体参数分析仪和LakeShoreTTPX低温探针台完成，低温条件通过液氮制冷实现，电压扫描范围为+10～–10V，电压步长为0.02V，保持时间为0.1s。
实测结果，如图3所示。
参照图3，氨等离子体处理前后，氧化膜的击穿场强均超过9.6MV/cm，单从击穿场强的角度考虑，两组样品均可满足实际SiC-MOS器件对氧化膜绝缘特性的要求。由该图计算得到的处理前后两组样品的势垒高度分别为2.63eV和2.55eV，均接近理论值2.7eV。说明本发明的氨等离子体处理方法不会劣化SiO2膜的绝缘特性。
氨等离子体处理后，整个SiC禁带上半部分的界面态密度均明显降低，随能级逐渐加深，其降低幅度逐渐增加。在EC–E＝0.06eV处，氨等离子体处理使界面态密度由处理前的6.3×1013cm-2eV-1降低到2.5×1013cm-2eV-1，降低幅度约为65％；在0.2eV<EC–E<0.6eV范围内，氨等离子体处理后样品的界面态密度降低幅度接近一个数量级，在0.2eV和0.6eV处，界面态密度分别由处理前的7.1×1013cm-2eV-1和6.7×1011cm-2eV-1降低到处理后的1.9×1012cm-2eV-1和1.3×1011cm-2eV-1；在EC–E>0.6eV范围内，氨等离子体处理后样品的界面态密度降低幅度超过一个数量级。说明本发明的氨等离子体处理方法可以有效降低整个SiC禁带上半部分的界面态密度。
实测结果表明，本发明的氨等离子体处理方法可以在保证氧化膜质量不被劣化的前提下，显著降低SiO2/SiC界面态密度。该方法实现了N、H钝化作用的结合，为进一步改善SiC-MOSFET器件性能奠定基础。
其他实施例
在实施例1中的样品制作步骤中，氨等离子体处理时间还可以采用5min和20min；处理温度还可以采用400℃、500℃；实测结果如表1和表2，其他实施例也可以降低SiO2/SiC界面态密度，但其降低幅度均低于实施例1中处理温度为600℃、处理时间为10min的样品。
表1
表2
Claims (1)
1.一种降低SiO2/SiC界面态密度的方法：首先将碳化硅样品清洗，并氧化形成一层SiO2薄膜；然后对氧化后的样品进行氨等离子体退火处理；在对氧化后的样品进行氨等离子体退火处理中采用了电子回旋共振微波等离子体系统，该电子回旋共振微波等离子体系统主要包括：等离子体系统、微波源、石英放电室、装样室、样品台、其中样品台可以在装样室和石英放电室之间移动；
其特征在于氧化后氨等离子体处理工艺，实施过程是将氧化后的SiC样品通过样品台载入石英放电室，对石英放电室抽真空，当真空度达到10-3Pa以下时，开始对石英放电室升温200-800℃；开启电子回旋共振微波等离子体系统的微波源，功率在200-800W条件下，向石英放电室通入NH3产生氨等离子体，对样品处理5-30min；将样品台冷却到室温，将样品台载入装样室，向装样室充入N2，在N2气氛保护下从样品台中取出样品。
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