CN105428223A - 一种改善SiC/SiO2界面态密度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善SiC/SiO2界面态密度的方法，属于微电子技术领域。本发明的改善SiC/SiO2界面态密度方法具体包括以下步骤：基片表面清洗；底层SiO2层的生长；对底层SiO2栅介质层的SiC外延片进行PDS退火；对进行了PDS退火的SiC外延片进行顶层SiO2层的淀积；底部衬底电极的生长，并进行电极退火；对进行了衬底电极退火的SiC外延片进行栅电极的形成。本发明通过在P氛围中进行退火，能有效的减小SiC/SiO2表面界面态密度，从而改善SiC/SiO2界面质量，提高器件特性。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种改善SiC/SiO2界面态密度的方法，以减小SiC/SiO2界面存在的悬挂键，减小SiC/SiO2界面态密度，改善SiC/SiO2界面质量。
背景技术
SiC具有独特的物理、化学及电学特性，是在高温、高频、大功率及抗辐射等极端应用领域极具发展潜力的半导体材料。由于SiO2/SiC较高的界面态导致MOSFET沟道迁移率过低严重阻碍了SiC器件期望优势的发挥。虽然在改善SiO2/SiC界面质量方面有不断的提高，但是SiC/SiO2界面态密度仍旧比SiO2/Si界面态高出一个数量级。虽然采用H、N元素来降低界面态密度，但是H元素钝化的效果并不明显，N元素虽然能够极大地减小界面态密度，但是并没有使得SiC材料体优势极大地发挥。
发明内容
本发明的目的在于针对现有工艺的不足，提出一种改善SiC/SiO2界面态密度的方法，具体是采用在P氛围中对SiO2栅介质进行退火，生成P=O键减小碳团簇，将碳三键变为磷氧二键，并且采用顶层SiO2盖帽的方式从而可以不但有效地减小SiC/SiO2界面态密度并且保持MOSFET器件的稳定性，改善界面、栅介质质量和提高器件特性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种改善SiC/SiO2界面态密度的方法，该方法包括以下步骤：
A1、基片表面清洗：对N-/N+型SiC外延片的表面进行标准湿法工艺清洗；
A2、底层栅介质层生长：对进行了标准清洗的SiC外延片进行底层SiO2层的生长；
A3、PDS退火：对生长了SiO2栅介质层的SiC样品在PDS炉子中进行P氛围退火；
A4、顶部栅介质层的淀积：对进行PDS退火之后的SiC样品利用LPCVD方法淀积顶部SiO2介质层；
A5、底部衬底电极的形成：对进行了NO退火的SiC外延片进行底部衬底电极的生长，并进行电极退火；
A6、栅电极的形成：对进行了衬底电极退火的SiC外延片进行栅电极的形成。
具体地，上述步骤A2的具体工艺为：将进行了表面清洗的SiC外延片放入高温氧化炉中，在1150℃时，通入纯氧气，在纯氧条件下氧化SiC外延片正面1小时，生成厚度为8nm的SiO2氧化膜。
具体地，上述步骤A3的具体工艺为：对生长的SiO2氧化膜在PDS炉子中进行1000℃下4小时的P氛围退火。
具体地，所述步骤A4的具体工艺为：把已经进行P氛围退火的SiC外延片放入LPCVD(低压力化学气相沉积法)室中；然后在650℃下，0.6Torr气压下利用分解TEOS源淀积SiO2顶层栅介质，其中淀积速率20nm/min，总共淀积时间为2.5分钟，厚度大约50nm左右；最后关掉TEOS源，在850℃下N2中原位退火2小时。
具体地，上述步骤A5的具体工艺为：把已经形成顶层栅介质SiO2的SiC外延片放入直流溅射室中；然后在SiC外延片背面上溅射厚度为40nm的Ni作为衬底接触金属；最后将进行了衬底电极制作的SiC外延片置于退火炉中在800℃下合金退火30分钟。
具体地，上述骤A6的具体工艺为：在进行了衬底电极制作的SiC外延片表面涂光刻胶，甩胶，利用栅版光刻出栅金属区域；然后在刻出栅接触孔的SiC外延片表面上在直流溅射室中溅射厚度为60nm的Mo作为栅接触金属；最后利用剥离方法形成栅图形。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明利用在P氛围中对生成的SiO2栅介质进行退火，促使在SiC/SiO2界面形成稳定的P=O键，从而有效的消除界面碳团簇，从而减小SiC/SiO2界面态密度，改善SiC/SiO2界面质量，另外此工艺流程因采用底层SiO2层P化，顶层SiO2层盖帽的方式能够有效的稳定MOSFET器件的阈值电压，并且能够极大地改善器件的迁移率特性。
附图说明
图1是本发明的制备流程图；
图2是经过P退火和未经过P退火的SiC-MOS电容以及经过NO退火之后的界面态密度。
具体实施方式
下面结合具体的实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围。
实施例1
参照说明书附图1，本实施例的制备步骤如下：
步骤1，采用标准清洗方法RCA对4H-SiCN-/N+型SiC外延片进行表面清洗：
(1a)将4H-SiCN-/N+型SiC外延片依次浸在丙酮、三氯乙烯、丙酮、甲醇和去离子水中超声波条件下各5min,再用N2吹干；
(1b)将第一次清洗后的SiC外延片置于HF酸溶液中15分钟，然后用去离子水超声波中震荡5分钟，HF酸的质量百分比为40%；
(1c)将第二次清洗后的SiC外延片置于H2SO4︰H2O2=1︰1(体积比)的溶液中浸泡15min，H2SO4的浓度为98%(wt%)，H2O2的浓度为27%(wt%)，然后用去离子水冲洗；
(1d)将第三次清洗后的SiC外延片置于HF︰H2O=1︰10(体积比)的溶液中浸泡1min以漂去自然氧化层，HF酸的浓度为40%(wt%)，并用去离子水冲洗；
(1e)将第四次清洗后的SiC外延片浸在NH4OH︰H2O2︰DIW(去离子水)=3︰3︰10(体积比)的溶液中在75℃~80℃煮沸15分钟，NH4OH的浓度为28%(wt%)，H2O2的浓度为27%(wt%)，再用去离子水冲洗；
(1f)将第五次清洗后的SiC外延片置于HF︰H2O=1︰10(体积比)的溶液中浸泡60s，HF酸的浓度为40%(wt%)，并用去离子水冲洗；
(1g)将第六次清洗后的SiC外延片在HCl︰H2O2︰DIW(去离子水)=3︰3︰10(体积比)的溶液中在75℃~80℃煮沸15分钟，HCl的浓度为10%(wt%)，H2O2的浓度为27%(wt%)，最后用去离子水冲洗；
(1h)将第七次清洗后的SiC外延片在HF︰H2O=1︰10(体积比)的溶液中浸泡60s，并用去离子水冲洗，HF酸的浓度为40%(wt%)，最后用N2枪吹干。
步骤2，大面积生长底层SiO2栅介质层：
(2a)首先打开氧化炉的Ar气体阀门，利用Ar气体冲刷炉子15分钟；
(2b)将进行完RCA清洗的SiC外延片放入高温氧化炉中，在温度为900℃的Ar环境中推入氧化炉恒温区中；
(2c)按5℃/min速率对恒温区进行升温；
(2d)当温度升至1150℃时通入氧气，氧气流量为500sccm，在纯干氧条件下氧化外延片表面1小时，在外延片正面生成厚度为8nm的SiO2氧化膜。
(2e)关掉O2，通Ar气30分钟；
(2f)按照10℃/min速率对恒温区进行降温；
(2g)当温度降到900℃的时候氧化终止。
步骤3，PDS炉中进行P氛围退火：
(3a)打开N2气罐阀门，冲洗炉内环境将炉内的剩余P元素冲洗干净，冲洗30分钟；
(3b)打开PDS舱门，将样品装载在石英舟上，将样品送到炉中间；
(3c)设置温度为1000℃，升温速度10℃/min；
(3d)待温度升到1000℃之后，打开SiP2O7阀门，设置流速2L/min，计时1小时；
(3e)关掉SiP2O7阀门，打开N2阀门，冲洗30分钟；
(3f)将炉子温度按照10℃/min的速度降到900℃；
(3g)一小时以后拿出样品。
步骤4，顶层SiO2层的LPCVD淀积以及N2中退火：
(4a)设置炉管温度，炉口714℃，中心726℃，炉尾712℃，并开始加热；
(4b)打开机械泵阀门，打开蝶阀，罗兹泵阀门，开始抽真空；
(4c)打开TEOS(四乙基原硅酸盐)加热阀门，当温度升到23℃时，打开TEOS阀门，让TEOS进入LPCVD腔室；
(4d)当炉体升温完成，真空度降到4mTorr时，完成TEOS源升温；
(4e)关闭罗兹泵，打开N2阀门，直到内外压强一致，打开炉门，将样品送入LPCVD炉中，关掉N2阀门；
(4f)打开机械泵阀门，打开蝶阀，罗兹泵阀门，开始抽真空，直到真空度降低到4mTorr以下，选择淀积SiO2的工艺，开始计时2.5分钟；
(4g)工艺完成后，打开N2阀门，回填N2，关掉TEOS阀门，原位N2氛围中退火2小时；
(4h)关掉罗兹泵，等到炉内外气压一致，打开炉门，取出样品。
步骤5，衬底电极的形成：
(5a)将进行了LPCVD淀积SiO2的SiC外延片放入直流溅射室中，并置于Al电极靶下面；
(5b)对已经放入SiC样品的直流溅射台先粗抽真空，一直到压力表显示为50mTorr；
(5c)关掉粗抽阀门；
(5d)打开分子泵阀门一直开到底，到压力表显示4~5×10-7Torr；
(5e)打开Ar气阀门；
(5f)增大电压到400V左右，此时电流表显示在0.4A左右，稳定到溅射盘底部有蓝光出现，开始计时6min；
(5g)将电压调小，关掉Ar气阀门；
(5h)打开真空泵阀门，关掉精抽阀门，充N2，直到溅射台的盖子可以移动，拿出样品。
步骤6，衬底电极欧姆接触退火：
(6a)将溅射了衬底电极的SiC外延片放在退火炉的小舟中间，并置于退火炉前面的缓冲室中；
(6b)抽真空：先粗抽，等到压力表数字不发生变化的时候打开精抽阀门，直到压力表显示为1×10-7Torr；
(6c)设置退火炉恒温室的温度为800℃，等到温度升到775℃的时候将整个样品推入退火炉的恒温室，保持30s；
(6d)在时间为20s的时候将小舟抽出到恒温区门口，等温度冷却到200℃左右继续抽出到缓冲室，等温度降到50℃时，拿出样品。
步骤7栅电极的形成：
(7a)在进行完衬底电极退火的SiC外延片正面涂光刻胶，甩胶，然后对甩过胶的SiC外延片在100℃下进行前烘；前烘时间为11min；
(7b)利用栅电极光刻板刻出栅图形，曝光30s；
(7c)在正性显影液中显影，溶液温度为20℃，显影时间为20s；
(7d)将显影之后的SiC外延片在超纯水进行坚膜，坚膜时间为25s，并露出有效栅接触区域；
(7e)对进行了光刻的SiC外延片放入直流溅射室当中，通过溅射Mo为栅电极，电压为400伏，电流为0.4A下6min，Mo电极厚度为40nm；
(7f)通过剥离方法形成最后的栅电极接触。
实施例2
与实施例1相比，在本实施例是在实施例1的基础上，在大面积生长SiO2栅介质层之前增加了一道牺牲氧化层的生长工序，能够有效的减小界面粗糙度，有效的改善界面平整度。
步骤A，采用标准清洗方法RCA对4H-SiCN-/N+型SiC外延片进行表面清洗：
(Aa)将4H-SiCN-/N+型SiC外延片依次浸在丙酮、三氯乙烯、丙酮、甲醇和去离子水中超声波条件下各5min,再用N2吹干；
(Ab)将第一次清洗后的SiC外延片置于HF酸溶液，HF酸的浓度40%(wt%)中15分钟，然后用去离子水超声波中震荡5min；
(Ac)将第二次清洗后的SiC外延片置于H2SO4︰H2O2=1︰1(体积比)的溶液中浸泡15min，H2SO4的浓度为98%(wt%)，H2O2的浓度为27%(wt%)，然后用去离子水冲洗；
(Ad)将第三次清洗后的SiC外延片置于HF︰H2O=1︰10(体积比)的溶液中浸泡1min以漂去自然氧化层，HF酸的浓度为40%(wt%)，并用去离子水冲洗；
(Ae)将第四次清洗后的SiC外延片浸在NH4OH︰H2O2︰DIW(去离子水)=3︰3︰10(体积比)的溶液中在75℃~80℃煮沸15分钟，NH4OH的浓度为28%(wt%)，H2O2的浓度为27%(wt%)，再用去离子水冲洗；
(Af)将第五次清洗后的SiC外延片置于HF︰H2O=1︰10(体积比)的溶液中浸泡60s，HF酸的浓度为40%(wt%)，并用去离子水冲洗；
(Ag)将第六次清洗后的SiC外延片在HCl︰H2O2︰DIW(去离子水)=3︰3︰10(体积比)的溶液中在75℃~80℃煮沸15分钟，HCl的浓度为10%(wt%)，H2O2的浓度为27%(wt%)，用去离子水冲洗；
(Ah)将第七次清洗后的SiC外延片在HF︰H2O=1︰10(体积比)的溶液中浸泡60s，并用去离子水冲洗，HF酸的浓度为40%(wt%)，最后用N2枪吹干。
步骤B，牺牲氧化层的生长：
(Ba)将进行了清洗的SiC外延片直接放入氧化炉当中，然后直接升温到1150℃，氧化3小时；
(Bb)在浓度为40%的HF酸溶液中将生长的牺牲氧化层去掉。
步骤C，PDS炉中进行P氛围退火：
(Ca)打开N2气罐阀门，冲洗炉内环境将炉内的剩余P元素冲洗干净，冲洗30分钟；
(Cb)打开PDS舱门，将样品装载在石英舟上，将样品送到炉中间；
(Cc)设置温度为1000℃，升温速度10℃/min；
(Cd)待温度升到1000℃之后，打开SiP2O7阀门，设置流速2L/min，计时1小时；
(Ce)关掉SiP2O7阀门，打开N2阀门，冲洗30分钟；
(Cf)将炉子温度按照10℃/min的速度降到900℃；
(Cg)一小时以后拿出样品。
步骤D，顶层SiO2层的LPCVD淀积以及N2中退火：
(Da)设置炉管温度，炉口714℃，中心726℃，炉尾712℃，并开始加热；
(Db)打开机械泵阀门，打开蝶阀，罗兹泵阀门，开始抽真空；
(Dc)打开TEOS加热阀门，当温度升到23℃时，打开TEOS阀门，让TEOS进入LPCVD腔室；
(Dd)当炉体升温完成，真空度降到4mTorr时，完成TEOS源升温；
(De)关闭罗兹泵，打开N2阀门，直到内外压强一致，打开炉门，将样品送入LPCVD炉中，关掉N2阀门；
(Df)打开机械泵阀门，打开蝶阀，罗兹泵阀门，开始抽真空，直到真空度降低到4mTorr以下，选择淀积SiO2的工艺，开始计时2.5分钟；
(Dg)工艺完成后，打开N2阀门，回填N2，关掉TEOS阀门，关掉罗兹泵，等到炉内外气压一致，打开炉门，取出样品。
步骤E，衬底电极的形成：
(Ea)将进行了LPCVD淀积SiO2的SiC外延片放入直流溅射室中，并置于Al电极靶下面；
(Eb)对已经放入SiC样品的直流溅射台先粗抽真空，一直到压力表显示为50mTorr；
(Ec)关掉粗抽阀门；
(Ed)打开分子泵阀门一直开到底，到压力表显示4~5×10-7Torr；
(Ee)打开Ar气阀门；
(Ef)增大电压到400V左右，此时电流表显示在0.4A左右，稳定到溅射盘底部有蓝光出现，开始计时6min；
(Eg)将电压调小，关掉Ar气阀门；
(Eh)打开真空泵阀门，关掉精抽阀门，充N2，直到溅射台的盖子可以移动，拿出样品。
步骤F，衬底电极欧姆接触退火：
(Fa)将溅射了衬底电极的SiC外延片放在退火炉的小舟中间，并置于退火炉前面的缓冲室中；
(Fb)抽真空：先粗抽，等到压力表数字不发生变化的时候打开精抽阀门，直到压力表显示为1×10-7Torr左右；
(Fc)设置退火炉恒温室的温度为800℃，等到温度升到775℃的时候将整个样品推入退火炉的恒温室，保持30s；
(Fd)在时间为20s的时候将小舟抽出到恒温区门口，等温度冷却到200℃左右继续抽出到缓冲室，等温度降到50℃时，拿出样品。
步骤G栅电极的形成：
(Ga)在进行完衬底电极退火的SiC外延片正面涂光刻胶，甩胶，然后对甩过胶的SiC外延片在100℃下进行前烘；前烘时间为11min；
(Gb)利用栅电极光刻板刻出栅图形，曝光30s；
(Gc)在正性显影液中显影，溶液温度为20℃，显影时间为20s；
(Gd)将显影之后的SiC外延片在超纯水进行坚膜，坚膜时间为25s，并露出有效栅接触区域；
(Ge)对进行了光刻的SiC外延片放入直流溅射室当中，通过溅射Mo为栅电极，电压为400伏，电流为0.4A下6min，Mo电极厚度为40nm；
(Gf)通过剥离方法形成最后的栅电极接触。
说明书附图2是SiC-MOS电容在有P退火和没有P退火以及与NO退火所测的SiC/SiO2界面态密度，从图上可以看出与没有进行P氛围退火的样品相比，其界面态密度下降了67%，而与经过NO退火的样品相比，尤其差异在0.2eV处，其界面态密度减小了25%。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：利用P氛围进行底层栅介质的退火，能有效的减小SiC/SiO2界面态密度，改善SiC/SiO2界面质量，另外此工艺流程因采用底层SiO2层P化，顶层SiO2层盖帽的方式能够减小因整层SiO2被磷化之后产生的极性所带来的阈值电压的不稳定性，从而有效的稳定MOSFET器件的阈值电压，并且能够极大的改善器件的迁移率特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种改善SiC/SiO2界面态密度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A1、基片表面清洗：对N-/N+型SiC外延片的表面进行标准湿法工艺清洗；
A2、底层栅介质层生长：对进行了标准清洗的SiC外延片进行底层SiO2层的生长；
A3、PDS退火：对生长了SiO2栅介质层的SiC样品在PDS炉子中进行P氛围退火；
A4、顶部栅介质层的淀积：对进行PDS退火之后的SiC样品利用LPCVD方法淀积顶部SiO2介质层；
A5、底部衬底电极的形成：对进行了NO退火的SiC外延片进行底部衬底电极的生长，并进行电极退火；
A6、栅电极的形成：对进行了衬底电极退火的SiC外延片进行栅电极的形成。
2.根据权利要求1所述的改善SiC/SiO2界面态密度的方法，其特征在于：所述步骤A2的具体工艺为：将进行了表面清洗的SiC外延片放入高温氧化炉中，在1150℃时，通入纯氧气，在纯氧条件下氧化SiC外延片正面1小时，生成厚度为8nm的SiO2氧化膜。
3.根据权利要求1所述的改善SiC/SiO2界面态密度的方法，其特征在于：所述步骤A3的具体工艺为：对生长的SiO2氧化膜在PDS炉子中进行1000℃下4小时的P氛围退火。
4.根据权利要求1所述的改善SiC/SiO2界面态密度的方法，其特征在于：所述步骤A4的具体工艺为：把已经进行P氛围退火的SiC外延片放入LPCVD室中；然后在650℃下，0.6Torr气压下利用分解TEOS源淀积SiO2顶层栅介质，其中淀积速率为20nm/min，总共淀积时间为2.5分钟，厚度为50nm；最后关掉TEOS源，在850℃下N2中原位退火2小时。
5.根据权利要求1所述的改善SiC/SiO2界面态密度的方法，其特征在于：所述步骤A5的具体工艺为：把已经形成顶层栅介质SiO2的SiC外延片放入直流溅射室中；在SiC外延片背面上溅射厚度为40nm的Ni作为衬底接触金属；然后将进行了衬底电极制作的SiC外延片置于退火炉中在800℃下合金退火30分钟。
6.根据权利要求1所述的改善SiC/SiO2界面态密度的方法，其特征在于：所述步骤A6的具体工艺为：在进行了衬底电极制作的SiC外延片表面涂光刻胶，甩胶，利用栅版光刻出栅金属区域；然后在刻出栅接触孔的SiC外延片表面上在直流溅射室中溅射厚度为60nm的Mo作为栅接触金属；然后利用剥离方法形成栅图形。
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