CN106611705B - 一种碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法，所述方法包括：1)清洗碳化硅外延衬底；2)氧化步骤1)所述衬底；3)于无氧的含磷环境中，退火处理步骤2)所述氧化的碳化硅样品。本发明在传统氧化的基础上，加入磷环境下的退火，有助于提高氧化层质量，实现二氧化硅与碳化硅界面的钝化，降低碳化硅/二氧化硅界面态密度，提高沟道电子迁移率，减小器件的性能退化，工艺简单，适用于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件，具体涉及一种碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法。
背景技术
碳化硅的宽禁带和高临界击穿场强等特性使其在功率器件方面得到广泛应用。目前基于碳化硅的电力电子器件技术已经取得了一系列技术突破，越来越彰显出其在电网、轨道交通、混合动力汽车和军事等上的广阔应用前景。高压碳化硅电力电子器件是电力电子器件的研究热点之一。
高压碳化硅开关器件制备过程中的高温氧化工艺是决定器件性能的核心工艺之一，其对高压碳化硅电力电子器件的耐压能力、通流能力、长期可靠性以及损耗性能等都有重要影响。SiC材料相比于其它宽禁带半导体具有自身的优势，它与Si相同通过热氧化工艺生成氧化膜SiO2，且不引入其他杂质元素，使得其更易在成熟的硅器件制备工艺体系下设计并制备基于MOS结构的器件。
然而，SiC/SiO2具有较高的界面态密度，导致碳化硅器件的反型沟道电子迁移率较低，严重影响了碳化硅功率MOSFET的性能。在整个禁带内，SiC/SiO2的界面态密度Dit比Si/SiO2界面态密度高两个数量级左右，其中导带附近的界面态密度更为陡峭，使得SiCMOSFET器件性能严重退化，使其开关速度低、通态电阻大、驱动能力和高温特性变差。因此，SiC MOS的界面特性成为碳化硅MOS器件的研究重点之一。
发明内容
本发明提供了一种碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法，通过对氧化后的碳化硅表面进行钝化处理，有助于提高氧化层质量，获得更好的碳化硅/二氧化硅界面。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法，所述方法包括：
1)清洗碳化硅外延衬底；
2)氧化步骤1)所述衬底；
3)于无氧的含磷环境中，退火处理步骤2)所述氧化的碳化硅样品。
所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法的第一优选技术方案，所述外延衬底材料为n型或p型的4H-SiC或6H-SiC，其掺杂浓度为1×1013～1021cm-3，所述外延的厚度为0.1～500μm。
所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法的第二优选技术方案，所述清洗的方法为本领域技术人员熟知的各种清洗方法，尤其是RCA标准清洗法。
所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法的第三优选技术方案，所述氧化的方法为本领域技术人员熟知的任何氧化方法，包括干氧、湿氧或N2O中高温氧化等。
所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法的第四优选技术方案，所述含磷环境为载气通过鼓泡法携带含磷化合物进入退火炉。
所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法的第五优选技术方案，所述含磷化合物为POCl3。
所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法的第六优选技术方案，所述载气为惰性气体N2或Ar等。
所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法的第七优选技术方案，所述载气流量为100～5000sccm。
所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法的第八优选技术方案，所述载气的驻留时间为10s～20min。
所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法的第九优选技术方案，所述退火处理时退火炉内的压强小于1atm。
所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法的第十优选技术方案，所述退火处理的温度为800℃～2500℃。
所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法的第十一优选技术方案，所述退火处理时为单阶梯或多阶梯升温，所述升温速率为0.1℃/min～2000℃/min，所述升温梯度为30℃～2500℃，所述梯度上的维持时间为0.1min～100000min。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
1)本发明在传统氧化的基础上，加入磷环境下的退火，由于磷原子的三个价电子可以与碳化硅表面的三个未成对硅价电子结合形成稳定相，所以适当调整钝化过程含磷化合物的流量，有助于提高氧化层质量，降低界面态，实现二氧化硅与碳化硅界面的钝化；
2)本发明使用含磷化合物进行退火钝化，是由于磷与硅形成的键较氮来说更为稳定，N的最外层电子排布为2s2p3，P最外层电子排布为3s2p3，相比之下P的价电子更为活泼，成键更稳定，故而P的钝化效果则更理想，用P钝化可以有效消除悬挂键带来的能隙带，从而降低碳化硅/二氧化硅界面态密度，提高沟道电子迁移率，减小器件的性能退化；
3)本发明工艺简单，适用于工业化生产。
附图说明
图1：本发明中碳化硅衬底及其上的外延层示意图；
图2：本发明氧化后的样品示意图；
图3：本发明退火后的样品示意图；
图4：本发明制备方法的流程图；
其中：1碳化硅衬底层；2碳化硅外延层；3碳化硅/二氧化硅界面层；4经钝化处理后的界面层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明示例性的实施例进行描述。为了清楚和简要起见，实际的实施例并不局限于说明书中所描述的这些技术特征。然而，应该理解的是，在改进任何一个所述实际实施例的过程中，多个具体实施例的决定必须是能够实现改进人员的特定目标，例如，遵从行业相关和商业相关的限制，所述限制随着实施例的不同而变化。而且，应该理解的是，前述改进的效果即使是非常复杂和耗时的，但是这对于知晓本发明益处的本领域技术人员来说仍然是常规技术手段。
实施例1
本发明的碳化硅材料如图1所示，碳化硅衬底层1上为碳化硅外延层2。所述碳化硅半导体衬底材料为n型4H结构，厚度为350μm，n型掺杂杂质为氮，掺杂浓度约为5×1018cm-3；所述碳化硅外延层2为n型的4H结构，厚度为40μm，n型掺杂杂质为氮，其掺杂浓度为1×1015cm-3。
对上述碳化硅样品进行RCA标准清洗，具体清洗步骤如下所述：
(1)配制氢氟酸溶液(HF:H2O＝1:10)；
(2)样品支架清洗、吹干待用；
(3)取上述碳化硅样品放于支架上，按照顺序放好；
(4)配3#液(硫酸：H2O2＝3:1)，硫酸最后加，同时另一容器煮水；
(5)用3#液煮洗，15min，加热至250℃，拎起支架稍凉片刻；
(6)将支架放到热水中，冲水；
(7)配制1#液(氨水：H2O2：H2O＝1:1:5-1:1:7)，前两者倒入热水中，加热75～85℃，时间10～20min(利用络合作用去除重金属杂质)，取出样品支架，放入1#液，15min，取出放到热水中，冲水；
(8)配制2#液(HCl：H2O2：H2O＝1:1:5)前两者倒入热水中；
(9)取出硅片，放入2#液，15min，取出放热水中，冲水；
(10)10％的氢氟酸时间5～10s，去除上述碳化硅样品表面氧化层；
(11)去离子水冲洗时间20min。
对上述清洗后的碳化硅样品进行常规氧化，所用氧化炉为管式氧化炉，以10℃/min的升温速率从室温升高到1100℃，通入N2O气体，气体流量为5SLM，继续以10℃/min的升温速率升高到1300℃，维持3小时，停止通入N2O，关掉氧化炉电源，降温至室温取出样品，测得氧化薄膜的厚度约50nm，如图2所示。
将氧化后的样品放入退火炉内，以Ar为载气，通过鼓泡法携带POCl3进入退火炉，Ar流速为1000sccm，以10℃/min的升温速率从室温升高到1000℃，维持时间为100min，以10℃/min的降温速率降至室温，获得最终样品。
实施例2
本发明的碳化硅材料如图1所示，碳化硅衬底层1上为碳化硅外延层2。所述碳化硅半导体衬底材料为n型4H结构，厚度为300μm，n型掺杂杂质为氮，掺杂浓度约为5×1018cm-3；所述碳化硅外延层2为n型的4H结构，厚度为10μm，n型掺杂杂质为氮，其掺杂浓度为1×1015cm-3。
对上述碳化硅样品进行RCA标准清洗，具体清洗步骤如下所述：
(1)配制氢氟酸溶液(HF:H2O＝1:10)；
(2)样品支架清洗、吹干待用；
(3)取上述碳化硅样品放于支架上，按照顺序放好；
(4)配3#液(硫酸：H2O2＝3:1)，硫酸最后加，同时另一容器煮水；
(5)用3#液煮洗，15min，加热至250℃，拎起支架稍凉片刻；
(6)将支架放到热水中，冲水；
(7)配制1#液(氨水：H2O2：H2O＝1:1:5-1:1:7)，前两者倒入热水中，加热75～85℃，时间10～20min(利用络合作用去除重金属杂质)，取出样品支架，放入1#液，15min，取出放到热水中，冲水；
(8)配制2#液(HCl：H2O2：H2O＝1:1:5)前两者倒入热水中；
(9)取出硅片，放入2#液，15min，取出放热水中，冲水；
(10)10％的氢氟酸时间5～10s，去除上述碳化硅样品表面氧化层；
(11)去离子水冲洗时间20min。
对上述清洗后的碳化硅样品进行常规氧化，所用氧化炉为管式氧化炉，以10℃/min的升温速率从室温升高到1100℃，通入N2O气体，气体流量为5SLM，继续以10℃/min的升温速率升高到1300℃，维持3小时，停止通入N2O，关掉氧化炉电源，降温至室温取出样品，测得氧化薄膜的厚度约50nm，如图2所示。
将氧化后的样品放入退火炉内，用N2为载气，通过鼓泡法携带POCl3进入退火炉，N2流速为2000sccm，以15℃/min的升温速率从室温升高到1800℃，维持时间为60min，以15℃/min的降温速率降至室温，获得最终样品。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法，所述方法包括：
1)清洗碳化硅外延衬底；
2)氧化步骤1)所述衬底；
3)于无氧的含磷环境中，退火处理步骤2)所述氧化的碳化硅样品；
所述含磷环境为载气携带含磷化合物；
所述载气为惰性气体N2或Ar；
所述载气流量为100～5000sccm；
所述载气的驻留时间为10s～20min；
所述退火处理的压强小于1atm；
所述退火处理的温度为800℃～2500℃；
所述退火处理为单阶梯或多阶梯升温，所述升温速率为0.1℃/min～2000℃/min，所述升温梯度为30℃～2500℃，所述梯度上的维持时间为0.1min～100000min。
2.根据权利要求1所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法，其特征在于，所述外延衬底材料为n型或p型的4H-SiC或6H-SiC，其掺杂浓度为1×1013～1021cm-3，所述外延的厚度为0.1～500μm。
3.根据权利要求1所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法，其特征在于，所述清洗的方法为RCA标准清洗法。
4.根据权利要求1所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法，其特征在于，所述氧化的方法为干氧、湿氧或N2O中高温氧化。
5.根据权利要求1所述的碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法，其特征在于，所述含磷化合物为POCl3。
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| CN201510685998.8A Active CN106611705B (zh) | 2015-10-21 | 2015-10-21 | 一种碳化硅表面低界面态氧化层的制备方法 |
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Citations (3)
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| CN102142369A (zh) * | 2011-01-05 | 2011-08-03 | 复旦大学 | 一种改善SiC器件性能的方法 |
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-
2015
- 2015-10-21 CN CN201510685998.8A patent/CN106611705B/zh active Active
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