CN105513962A - 碳化硅器件中的Trench MOSFET的栅氧化加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳化硅器件中的Trench？MOSFET的栅氧化加工方法，其包括：步骤1：在N型低掺杂外延碳化硅的表面进行退火；步骤2：在所述的退火产物的表面植入含硅CVD膜的步骤；步骤3：对含硅CVD膜进行热处理，完成氧化过程。本发明的工艺处理非常新颖，本发明的方法既改善了SiC/SiO2界面态，又提高了热氧化的生长速率并得到了控制Trench？MOSFET阈值的高质量介质-栅氧化层；本发明的方法简便易行，便于进行大规模的商业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，属于半导体技术领域。
背景技术
在功率元器件的发展中，主要半导体材料当然还是硅(Si)。在功率元器件领域中，通过微细化可以改善器件性能，但远不能达到更高的应用要求。在需要更高应用的性能领域，仅采用微细加工是无法改善的。因此，就需要在半导体材料结构上下工夫。
碳化硅(SiC)材料是第三代宽禁带半导体材料的代表，因其在高温、高功率、高辐射条件下的优异性能而成为“极端电子学”中最重要的研究对象之一，同时SiC材料又是除了硅Si材料之外唯一能够通过直接热氧化生长氧化绝缘膜的半导体材料。目前，功率器件的研究是SiC应用的主要研究方向，尤其功率MOSFET更是研究的热点所在。但是，在制作SiCMOS器件时，始终存在着热氧化生长速率低、沟道迁移率低的问题，这主要是由于SiC的晶格结构与高界面态密度引起的。因此如何提高栅氧化生长速率与降低MOS器件的界面态密度成为SiCMOS器件研究中需要解决的首要问题。
SiC功率元器件是以碳和硅的化合物—“碳化硅”作为原材料制作而成，并且，SiC可以被热氧化，可以作为制作“金属-氧化物-半导体结构”的合适材料。由于在体4H-和3C-SiC中几乎各向同性的电学特性及高电子霍尔迁移率，这二种材料很适合高功率MOSFET应用。对于控制MOSFET器件阈值的栅氧化层，SiC上热生长的SiO2质量可以与Si上的SiO2层质量相当。然而，由于SiC固有的晶格结构以及SiC/SiO2的界面电荷比Si/SiO2大约高二个数量级，尤其是“4H-SiC/SiO2”界面处靠近导带边缘的高界面态密度，若按Si热生长SiO2原理会使热生长的SiO2工艺速率低、SiO2层的性能难以与Si热氧化媲美，进而使SiCMOSFET器件的沟道迁移率非常低，进而会降低器件的性能。
发明内容
针对固有的SIC热生长工艺速率低、“SiC/SiO2”界面态差特性缺陷，本发明的目的是提供一种提高热生长速率以及改善SiC热氧化后的界面态的制造方法，即碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化制备方法，以使SiC/SiO2界面态达到相当于Si/SiO2界面态密度，进而改善并提高(SiC)MOSFET器件应用性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，其包括：
步骤1：在N型低掺杂外延碳化硅的表面进行退火；
步骤2：在所述的退火产物的表面植入含硅CVD膜的步骤；
步骤3：对含硅CVD膜进行热处理，完成氧化过程。
作为优选方案，前述方法还包括：
定义SiC外延晶圆底材TrenchMOSFET的制程，并加工止于待“栅氧化”的步骤；
在所述含硅CVD膜并进行过热处理的表面植入多晶硅的步骤。
作为优选方案，步骤1具体包括如下操作：将待栅氧化的碳化硅器件在850～1200℃的氧气氛中退火30～60min后，再在850～1000℃的氢气氛或氢气-氮气混合气氛中退火30～60min。
作为优选方案，步骤2具体包括如下操作：
将经过步骤1处理的碳化硅器件在0.5～1乇的真空度下，于500～900℃的硅烷气氛中处理30～50min。
作为优选方案，所述硅烷的体积分数为10～30％。
作为优选方案，步骤3具体包括如下操作：
将经过步骤2处理的碳化硅器件在900～1200℃的氢气-氧气混合气氛中热处理120～180min。
作为优选方案，所述定义SiC外延晶圆底材TrenchMOSFET的制程，并加工止于待“栅氧化”的步骤具体包括如下操作：
将碳化硅外延基片进行制程；
等待栅氧化。
作为优选方案，在所述含硅CVD膜并进行过热处理的表面植入多晶硅的方法为低压力化学气相沉积法。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的方法工艺处理新颖，本发明的方法既改善了SiC/SiO2界面态，又提高了热氧化的生长速率，并得到了控制TrenchMOSFET阈值的高质量介质-栅氧化层；
2、本发明利用“低温；O2/H2或N2/H2”退火工艺方法，改善了SiC/SiO2界面态，使得碳化硅晶圆底材功率半导体的抗瞬态击穿电场能力强度大为提升，利用该特性，可以显著提高与硅晶圆底材元件相同结构时的耐压性能；因而，在相同的耐压条件下，可以实现较高的抗瞬态击穿特性；
3、利用植入的含硅CVD膜，能够使得SiC热生长氧化层速率提高，同时避免了热生长氧化层过程中引入的SiC/SiO2界面态问题，进而得到满足器件要求的热氧化层；
4、以碳化硅晶圆底材TrenchMOSFET工艺制程为基体，在关键的工艺步骤植入“低温；O2/H2或N2/H2”退火工艺方法与“含硅CVD膜”工艺方法，使之用于碳化硅底材TrenchMOSFET工艺制程的SiC/SiO2界面态、热氧化生长速率与质量与硅晶圆底材TrenchMOSFET工艺制程的Si/SiO2界面态相当；本发明的方法简便易行，便于进行大规模的商业化生产。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明制备的碳化硅器件中的TrenchMOSFET的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供碳化硅器件中的TrenchMOSFET的结构如图1所示，包括衬底1；覆盖衬底1的碳化硅外延层2；覆盖于外延层2顶部的含硅CVD膜3；覆盖于所述含硅CVD膜并进行过热处理顶部的多晶硅层5，其中，含硅CAD膜3和多晶硅层5之间具有含硅CVD膜的热处理区域4。
实施例1
本实施例的一种碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，其包括如下步骤：
步骤1：定义SiC外延晶圆底材TrenchMOSFET的制程，并加工止于待“栅氧化”的步骤，具体操作属于现有技术，在此不再赘述；
步骤2：将经过步骤1处理过的待栅氧化的碳化硅器件(即碳化硅外延晶圆底材)在850℃的氧气氛中退火60min后，再在1000℃的氢气/氮气气氛中退火30min，完成N型低掺杂外延碳化硅的表面退火，利用“低温、N2/H2”退火工艺方法，改善了SiC/SiO2界面态，使得碳化硅晶圆底材功率半导体的抗瞬态击穿电场能力强度大为提升，利用该特性，可以显著提高与硅晶圆底材元件相同结构时的耐压性能；因而，在相同的耐压条件下，可以实现较高的抗瞬态击穿特性；
步骤3：将经过步骤2处理的碳化硅器件在0.5～1乇的真空度下，于500℃的硅烷气氛中处理50min，完成表面植入含硅CVD膜，优选地，硅烷的体积分数为30％；利用植入的含硅CVD膜，能够使得SiC热生长氧化层速率提高，同时避免了热生长氧化层过程中引入的SiC/SiO2界面态问题，进而得到满足器件要求的热氧化层；
步骤4：将经过步骤3处理的碳化硅器件在900℃的氢气-氧气混合气氛中热处理180min，对含硅CVD膜进行热处理，完成氧化过程；
步骤5：在所述含硅CVD膜并进行过热处理的表面通过低压力化学气相沉积法植入多晶硅。
实施例2
本实施例的一种碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，其包括如下步骤：
步骤1：定义SiC外延晶圆底材TrenchMOSFET的制程，并加工止于待“栅氧化”的步骤；
步骤2：将经过步骤1处理过的待栅氧化的碳化硅器件在1050℃的氧气氛中退火40min后，再在950℃的氢气-氮气混合气氛中退火40min，完成N型低掺杂外延碳化硅的表面退火，利用“低温、N2/H2”退火工艺方法，改善了SiC/SiO2界面态，使得碳化硅晶圆底材功率半导体的抗瞬态击穿电场能力强度大为提升，利用该特性，可以显著提高与硅晶圆底材元件相同结构时的耐压性能；因而，在相同的耐压条件下，可以实现较高的抗瞬态击穿特性；
步骤3：将经过步骤2处理的碳化硅器件在0.5～1乇的真空度下，于780℃的硅烷气氛中处理45min，完成表面植入含硅CVD膜，优选地，硅烷的体积分数为20％，利用植入的含硅CVD膜，能够使得SiC热生长氧化层速率提高，同时避免了热生长氧化层过程中引入的SiC/SiO2界面态问题，进而得到满足器件要求的热氧化层；
步骤4：将经过步骤3处理的碳化硅器件在1100℃的氢气-氧气混合气氛中热处理150min，对含硅CVD膜进行热处理，完成氧化过程；
步骤5：在所述含硅CVD膜并进行过热处理的表面通过低压力化学气相沉积法植入多晶硅。
实施例3
本实施例的一种碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，其包括如下步骤：
步骤1：定义SiC外延晶圆底材TrenchMOSFET的制程，并加工止于待“栅氧化”的步骤；
步骤2：将经过步骤1处理过的待栅氧化的碳化硅器件在1200℃的氧气氛中退火30min后，再在850℃的氢气氛中退火60min，完成N型低掺杂外延碳化硅的表面退火，利用“低温、N2/H2”退火工艺方法，改善了SiC/SiO2界面态，使得碳化硅晶圆底材功率半导体的抗瞬态击穿电场能力强度大为提升，利用该特性，可以显著提高与硅晶圆底材元件相同结构时的耐压性能；因而，在相同的耐压条件下，可以实现较高的抗瞬态击穿特性；
步骤3：将经过步骤2处理的碳化硅器件在0.5～1乇的真空度下，于900℃的硅烷气氛中处理30min，完成表面植入含硅CVD膜，优选地，硅烷的体积分数为10％，利用植入的含硅CVD膜，能够使得SiC热生长氧化层速率提高，同时避免了热生长氧化层过程中引入的SiC/SiO2界面态问题，进而得到满足器件要求的热氧化层；
步骤4：将经过步骤3处理的碳化硅器件在1200℃的氢气-氧气混合气氛中热处理120min，对含硅CVD膜进行热处理，完成氧化过程；
步骤5：在所述含硅CVD膜并进行过热处理的表面通过低压力化学气相沉积法植入多晶硅。
综上所述，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的方法工艺处理新颖，本发明的方法既改善了SiC/SiO2界面态，又提高了热氧化的生长速率，并得到了控制TrenchMOSFET阈值的高质量介质-栅氧化层；
2、本发明利用“低温；O2/H2或N2/H2”退火工艺方法，改善了SiC/SiO2界面态，使得碳化硅晶圆底材功率半导体的抗瞬态击穿电场能力强度大为提升，利用该特性，可以显著提高与硅晶圆底材元件相同结构时的耐压性能；因而，在相同的耐压条件下，可以实现较高的抗瞬态击穿特性；
3、利用植入的含硅CVD膜，能够使得SiC热生长氧化层速率提高，同时避免了热生长氧化层过程中引入的SiC/SiO2界面态问题，进而得到满足器件要求的热氧化层；
4、以碳化硅晶圆底材TrenchMOSFET工艺制程为基体，在关键的工艺步骤植入“低温；O2/H2或N2/H2”退火工艺方法与“含硅CVD膜”工艺方法，使之用于碳化硅底材TrenchMOSFET工艺制程的SiC/SiO2界面态、热氧化生长速率与质量与硅晶圆底材TrenchMOSFET工艺制程的Si/SiO2界面态相当；本发明的方法简便易行，便于进行大规模的商业化生产。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，其特征在于，包括：
步骤1：在N型低掺杂外延碳化硅的表面进行退火处理；
步骤2：在N型低掺杂外延碳化硅的表面植入含硅CVD膜；
步骤3：对含硅CVD膜进行热处理，完成氧化过程。
2.如权利要求1所述的碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，其特征在于，在进行步骤1之前，进行如下步骤的处理：
定义SiC外延晶圆底材TrenchMOSFET的制程，并加工止于待“栅氧化”的步骤。
3.如权利要求1所述的碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，其特征在于，步骤3中对含硅CVD膜进行热处理后，还包括在所述含硅CVD膜并进行过热处理的表面植入多晶硅的步骤。
4.如权利要求1所述的碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，其特征在于，
步骤1具体包括如下操作：将待栅氧化的碳化硅器件在850～1200℃的氧气氛中氧化30～60min后，再在850～1000℃的氢气氛或氢气-氮气混合气氛中退火30～60min。
5.如权利要求1所述的碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，其特征在于，
步骤2具体包括如下操作：
将经过步骤1处理的碳化硅器件在0.5～1乇的真空度下，于500～900℃的硅烷气氛中处理30～50min。
6.如权利要求4所述的碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，其特征在于，所述硅烷的体积分数为10～30％。
7.如权利要求1所述的碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，其特征在于，
步骤3具体包括如下操作：
将经过步骤2处理的碳化硅器件在900～1200℃的氢气-氧气混合气氛中热处理120～180min。
8.如权利要求2所述的碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，其特征在于，
将碳化硅外延基片进行制程；
等待栅氧化。
9.如权利要求2所述的碳化硅器件中的TrenchMOSFET的栅氧化加工方法，其特征在于，
在所述含硅CVD膜并进行过热处理的表面植入多晶硅的方法为低压力化学气相沉积法。
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