CN107093548B - 制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法，包括以下步骤：a.对SiC衬底进行清洗；b.通过化学反应、化学气相沉积或物理气相沉积在SiC衬底上沉积SixNy薄膜；c.通过化学气相沉积或物理气相沉积在SixNy薄膜(或直接在SiC衬底上)上沉积Si薄膜；d.通过低温氧化/或氧气退火的方法，将Si薄膜氧化为SiO2薄膜；e.对通过上述步骤生成的SixNy/SiO2和SiO2栅介质层进行退火并冷却；f.在栅介质层溅射或蒸镀金属电极，形成MOS器件结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种介质层薄膜，尤其是涉及一种用于SiC基MOS器件的栅介质薄膜的设计及其制造工艺。
背景技术
碳化硅(SiC)是一种优异性能的宽禁带半导体，不但具有禁带宽、热导率高、击穿场强高、饱和电子漂移速率高等特点，而且还具有极好的物理及化学稳定性、极强的抗辐照能力和机械强度等。因此，SiC可用于研制高温、大功率、高频功率器件。
尽管如此，SiC基MOS功率器件在栅介质层的可靠性、电子迁移率等方面遇到了较大挑战，其中主要的原因是，热氧化SiC衬底而形成的SiO2层与SiC衬底之间有较多的界面态，界面态对载流子的散射导致MOS器件沟道的载流子迁移率比SiC体材料低一个数量级，这就需要寻找新的方法生长SiO2薄膜，以降低界面态密度，提高4H-SiC基MOSFET器件的电子迁移率及可靠性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于，针对目前SiC基MOS器件的栅介质层存在界面态密度高和载流子迁移率低等缺点，提供一种主要用于SiC基MOS器件的降低SiO2/SiC界面态密度的SiO2薄膜及其制备方法。
本发明的技术方案是从界面态密度和稳定性等方面综合考虑，选用SixNy(x、y为化学计量比)和SiO2两种材料组合形成栅介质薄膜，以提高SiC基MOS器件的沟道载流子迁移率和可靠性。
本发明所述的用于SiC基MOS器件的栅介质层薄膜设有n型4H-SiC衬底，在n型4H-SiC衬底上从下到上依次生长以下两种栅氧薄膜组合：(1)SixNy/SiO2和(2)SiO2，以降低界面态密度，提高SiC基MOS器件的沟道载流子迁移率、抗击穿能力和稳定性。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.对SiC衬底进行清洗；
b.通过化学气相沉积或物理气相沉积在所述SiC衬底上沉积Si薄膜；
c.通过低温氧化和/或氧气退火的方法，将所述Si薄膜氧化为SiO2薄膜；
d.对通过所述b和c步骤生成的SiO2栅介质层进行退火并冷却；
e.在所述SiO2栅介质层溅射或蒸镀金属电极，形成MOS器件结构。
本发明还提供另外一种制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.对SiC衬底进行清洗；
b.通过化学反应、化学气相沉积或物理气相沉积在所述SiC衬底上沉积SixNy薄膜；
c.通过化学气相沉积或物理气相沉积在所述SixNy薄膜上沉积Si薄膜；
d.通过低温氧化和/或氧气退火的方法，将所述Si薄膜氧化为SiO2薄膜；
e.对通过所述b～d步骤生成的SixNy/SiO2栅介质层进行退火并冷却；
f.在所述SixNy/SiO2栅介质层溅射或蒸镀金属电极，形成MOS器件结构。
优选生成的SixNy薄膜的厚度范围为1～10nm。
优选气相沉积SixNy薄膜的工艺温度范围为500℃～1000℃。
优选生成的Si薄膜的厚度范围为1～50nm。
优选低温氧化和氧气退火的工艺温度范围为500℃～1000℃，生成的SiO2薄膜的厚度范围为1～100nm。
优选退火并冷却工艺中的退火为氧化氮和/或氩气退火，退火的工艺温度范围为500℃～1400℃。
本发明中SixNy/SiO2和SiO2两种栅介质层的有益效果如下：
(1)通过SixNy在SiC表面钝化，可以减少SiO2/SiC界面的C团簇和悬挂键，进而可以降低SiC基MOSFET器件介质层与碳化硅间的界面态密度，从而降低对载流子输运的散射，提高载流子迁移率。
(2)由于Si在500℃-1000℃范围内即可氧化形成SiO2，与SiC热氧化的温度相比较低，因此在较低温度下氧化Si生长的SiO2薄膜可以抑制SiO2/SiC的界面态形成，从而降低对载流子输运的散射，提高载流子迁移率。
附图说明
图1(a)是本发明的SixNy/SiO2和SiO2两种介质层薄膜生长与MOS器件制备过程的流程图。
图1(b)是本发明的SixNy/SiO2和SiO2两种介质层薄膜生长与MOS器件制备过程的示意图。
图2是实施例一涉及的制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法的流程图。
图3是实施例二涉及的制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法的流程图。
具体实施方式
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图进行详细说明。
图1(a)是本发明的SixNy/SiO2和SiO2两种介质层薄膜生长与MOS器件制备过程的流程图。图1(b)是本发明的SixNy/SiO2和SiO2两种介质层薄膜生长与MOS器件制备过程的示意图。以下参照图1(a)和图1(b)详细说明。
(1)清洗SiC衬底。
a.依次用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗至少一遍，再用去离子水冲洗。
b.将冲洗后的衬底放入氢氟酸内浸泡至少1min。
c.将浸泡氢氟酸后的衬底放入浓硫酸煮至少10min。
d.将煮过浓硫酸的衬底依次用一号液和二号液煮至少5min，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干待用。一号液为氨水、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比氨水︰过氧化氢︰去离子水＝1︰2︰5，二号液为盐酸、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比盐酸︰过氧化氢︰去离子水＝1︰2︰5。
(2)利用化学反应、化学气相沉积或物理气相沉积将SixNy薄膜11生长到清洗后的SiC衬底10上。SixNy薄膜的厚度范围为1～10nm，气相沉积SixNy薄膜的工艺温度范围为：500℃～1000℃。
也可以不进行此步骤，直接进行以下步骤(3),即不沉积SixNy薄膜，直接在SiC衬底10上沉积Si薄膜。
(3)通过化学气相沉积或物理气相沉积在SixNy薄膜11上(或直接在SiC衬底10上)沉积一层Si薄膜11’。Si薄膜的厚度范围为1～50nm。
(4)通过低温氧化和/或氧气退火的方法，将Si薄膜氧化为SiO2薄膜12。SiO2薄膜的厚度范围为1～100nm，低温氧化和/或氧气退火的工艺温度范围为500℃～1000℃。
通过步骤(3)和(4)完成SixNy/SiO2和SiO2两种栅介质层的生长。
(5)对所述两种栅介质层进行氧化氮和/或氩气退火然后冷却。氧化氮和/或氩气退火的工艺温度范围为500℃～1400℃。
(6)在所述两种栅介质层溅射或蒸镀金属电极13，形成MOS器件结构。
SixNy/SiO2和SiO2两种栅介质层的作用分别如下：SixNy作为底层薄膜在衬底SiC上淀积是因为SixNy层可以有效去除SiC表面的悬挂键，可以有效降低界面态密度。SixNy层的生长一是考虑SiC在空气中容易氧化成SiOx薄膜，通过生长SixNy薄膜可以起到预先钝化的作用，避免SiOx薄膜的形成；二是考虑SiC与SiO2之间在高温下容易出现相互反应生成Si-O-C薄膜，通过生长SixNy薄膜可以起到隔离的作用。这样既保证了介质层与SiC界面态的降低，又保证了器件栅介质层的稳定性。SiO2层具有高稳定性，又起到了抗辐射和抗玷污的作用，同时，由于它具有硬度大和耐腐蚀等优点，因此将其作为栅介质层的外层，起到了至关重要的作用。
以下为具体的实施例。
实施例一
图2是实施例一涉及的制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法的流程图，本实施例涉及的是SixNy/SiO2栅介质层。
首先，执行S101步骤，清洗SiC衬底。本实施例中采用4H-SiC衬底样品，对该4H-SiC衬底样品进行标准清洗。
a.依次用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗三遍，再用去离子水冲洗。
b.将冲洗后的衬底放入稀释的氢氟酸(按体积比氟化氢:去离子水＝1:3)内浸泡1min。
c.将浸泡氢氟酸后的衬底放入浓硫酸煮10min。
d.将煮过浓硫酸的衬底依次用一号液和二号液煮15min，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干待用。一号液为氨水、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比氨水︰过氧化氢︰去离子水＝1︰2︰5，二号液为盐酸、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比盐酸︰过氧化氢︰去离子水＝1︰2︰5。
接着，执行S102步骤，利用化学气相沉积将SixNy薄膜生长到清洗后的SiC衬底上，生长的SixNy薄膜的厚度为10nm。
然后，执行S103步骤，通过化学气相沉积或物理气相沉积在SixNy薄膜上沉积一层Si薄膜，Si薄膜的厚度为25nm。
然后，执行S104步骤，通过低温氧化的方法，将Si薄膜氧化为SiO2薄膜。这里，低温氧化的工艺温度为900℃，SiO2薄膜的厚度为50nm。
通过以上的步骤S103和S104完成SixNy/SiO2栅介质层的生长。
然后，执行S105步骤，对以上的SixNy/SiO2栅介质层进行氧化氮退火然后冷却。氧化氮退火的工艺温度为1200℃。
最后，执行S106步骤，在SixNy/SiO2栅介质层溅射或蒸镀金属电极，形成MOS器件结构。
实施例二
图3是实施例二涉及的制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法的流程图，本实施例涉及的是SiO2栅介质层。
首先，执行S201步骤，清洗SiC衬底。本实施例中采用4H-SiC衬底样品，对该4H-SiC衬底样品进行标准清洗。
a.依次用甲苯、丙酮和乙醇超声清洗三遍，再用去离子水冲洗。
b.将冲洗后的衬底放入稀释的氢氟酸(按体积比氟化氢:去离子水＝1:3)内浸泡1min。
c.将浸泡氢氟酸后的衬底放入浓硫酸煮10min。
d.将煮过浓硫酸的衬底依次用一号液和二号液煮15min，再用去离子水冲洗干净后用氮气吹干待用。一号液为氨水、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比氨水︰过氧化氢︰去离子水＝1︰2︰5，二号液为盐酸、过氧化氢和去离子水的混合液，按体积比盐酸︰过氧化氢︰去离子水＝1︰2︰5。
接着，执行S202步骤，通过化学气相沉积或物理气相沉积在SiC衬底上沉积一层Si薄膜。Si薄膜的厚度为25nm。
然后，执行S203步骤，通过低温氧化的方法，将Si薄膜氧化为SiO2薄膜。这里，低温氧化的工艺温度为900℃，SiO2薄膜的厚度为50nm。
通过以上的步骤S202和S203完成SiO2栅介质层的生长。
然后，执行S204步骤，对以上的SiO2栅介质层进行氧化氮退火然后冷却。氧化氮退火的工艺温度为1200℃。
最后，执行S205步骤，在SiO2栅介质层溅射或蒸镀金属电极，形成MOS器件结构。
以上记载了本发明的优选实施例，但是本发明的精神和范围不限于这里所公开的具体内容。本领域技术人员能够根据本发明的教导而做出更多的实施方式和应用，这些实施方式和应用都在本发明的精神和范围内。本发明的精神和范围不由具体实施例来限定，而由权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.对SiC衬底进行清洗；
b.通过化学气相沉积或物理气相沉积在所述SiC衬底上沉积Si薄膜；
c.通过低温氧化和/或氧气退火的方法，将所述Si薄膜氧化为SiO2薄膜；
d.对通过所述b和c步骤生成的SiO2栅介质层进行退火并冷却；
e.在所述SiO2栅介质层溅射或蒸镀金属电极，形成MOS器件结构，
所述步骤c的低温氧化和氧气退火的工艺温度范围为500℃～1000℃，所述SiO2薄膜的厚度范围为1～100nm。
2.根据权利要求1所述的制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法，其特征在于，
所述步骤b生成的Si薄膜的厚度范围为1～50nm。
3.根据权利要求1所述的制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法，其特征在于，
所述步骤d的退火为氧化氮和/或氩气退火，退火的工艺温度范围为500℃～1400℃。
4.一种制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.对SiC衬底进行清洗；
b.通过化学反应、化学气相沉积或物理气相沉积在所述SiC衬底上沉积SixNy薄膜；
c.通过化学气相沉积或物理气相沉积在所述SixNy薄膜上沉积Si薄膜；
d.通过低温氧化和/或氧气退火的方法，将所述Si薄膜氧化为SiO2薄膜；
e.对通过所述b～d步骤生成的SixNy/SiO2栅介质层进行退火并冷却；
f.在所述SixNy/SiO2栅介质层溅射或蒸镀金属电极，形成MOS器件结构。
5.根据权利要求4所述的制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法，其特征在于，
所述步骤b生成的所述SixNy薄膜的厚度范围为1～10nm。
6.根据权利要求4所述的制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法，其特征在于，
所述步骤b气相沉积SixNy薄膜的工艺温度范围为500℃～1000℃。
7.根据权利要求4所述的制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法，其特征在于，
所述步骤c生成的所述Si薄膜的厚度范围为1～50nm。
8.根据权利要求4所述的制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法，其特征在于，
所述步骤d的低温氧化和氧气退火的工艺温度范围为500℃～1000℃，所述SiO2薄膜的厚度范围为1～100nm。
9.根据权利要求4所述的制备SiC基MOS器件栅介质薄膜的方法，其特征在于，
所述步骤e的退火为氧化氮和/或氩气退火，退火的工艺温度范围为500℃～1400℃。
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