CN108666206A - 基于两步微波等离子体氧化的碳化硅氧化方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于两步微波等离子体氧化的碳化硅氧化方法，包括：提供碳化硅衬底；将所述碳化硅衬底放置在微波等离子体发生装置中；通入第一含氧气体，产生的氧等离子体以第一升温速度升温到第一温度，在所述第一温度和第一压力下进行低温等离子体氧化；将氧等离子体以第二升温速度升温到第二温度，通入第二含氧气体，在所述第二温度和第二压力下进行高温等离子体氧化，直到生成预定厚度的二氧化硅；停止通入含氧气体，反应结束；其中，第一温度为300‑400℃，第二温度为700‑900℃，所述第一压力为100‑200mTorr，所述第二压力为700‑900mTorr，所述第一升温速度大于所述第二升温速度。本发明可以显著提高碳化硅的氧化效率，有效改善界面质量。

Description

基于两步微波等离子体氧化的碳化硅氧化方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种基于两步微波等离子体氧化的碳化硅氧化方法。
背景技术
碳化硅(SiC)是第三代半导体-宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、临界击穿场强高、热导率高等优点，是制作高压、大功率半导体器件的理想材料，SiC电力电子器件是下一代高效电力电子器件技术的核心。SiC MOSFETs相比于Si MOSFETs导通电阻更小、开关电压更高、应用频率更高、温度性能更好，特别适用于功率开关应用。SiC MOSFET器件的集成制造工艺，特别是栅介质工艺，是当前研究的热点。
SiC是唯一能够热生长SiO2的化合物半导体，这就使得SiC可以实现所有Si MOS的器件结构。SiC的热氧化需要比Si更高的氧化温度，氧化温度高达1300℃。目前主流的SiC氧化工艺主要是采用电阻加热方式的氧化炉，主要原理是基于碳化硅与氧气分子的反应，但是这种与氧气分子氧化的方法，容易造成界面处残留碳簇、Si-O-C键、C的悬挂键和氧空位等缺陷，界面质量退化，导致迁移率降低，如图1所示。特别是在在这么高的温度下，界面除了氧化外，还会造成界面损伤，降低氧化效率。
因此，如何获取高效、低损的SiC表面氧化的工艺方法是关键。近些年，研究人员提出一种在低温下利用等离子体氧化SiC的方法，在一定程度上改善了界面质量。然而该方法的氧化效率较低，尤其是在需要获得较厚的SiO2层的情况下，氧化时间较长，SiC和SiO2的界面处，SiC和SiO2仍会处于一种热力学平衡态，导致界面质量并不理想。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于两步微波等离子体氧化的碳化硅氧化方法，用于降低界面态密度和界面损伤，提高半导体结构的性能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于两步微波等离子体氧化的碳化硅氧化方法，包括：
提供碳化硅衬底；
将所述碳化硅衬底放置在微波等离子体发生装置中；
通入第一含氧气体，产生的氧等离子体以第一升温速度升温到第一温度，在所述第一温度和第一压力下进行低温等离子体氧化；
将氧等离子体以第二升温速度升温到第二温度，通入第二含氧气体，在所述第二温度和第二压力下进行高温等离子体氧化，直到生成预定厚度的二氧化硅；
停止通入含氧气体，反应结束；
其中，第一温度为300-400℃，第二温度为700-900℃，所述第一压力为100-200mTorr，所述第二压力为700-900mTorr，所述第一升温速度大于所述第二升温速度。
优选地，所述第一升温速度为1-1.5℃/s，所述第二升温速度为0.5-1℃/s。
优选地，所述微波等离子体发生装置的输入功率为800-2000W，微波频率为2.4-2.5GHz。
优选地，低温等离子体氧化的等离子放电时间为400-600s，高温等离子体氧化的等离子放电时间为600-1000s。
优选地，第一含氧气体为氧气与氢气或惰性气体的混合气，其中氧气的含量为30-99vol.％，所述第二含氧气体为纯氧。
优选地，生成的二氧化硅的厚度为1-60nm。
优选地，所述方法还包括排出生成的一氧化碳的步骤。
优选地，反应结束后通入氮气，在氮气氛围下冷却降温。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明可以显著提高碳化硅的氧化效率，可以在SiC和SiO2的界面实现热力学非平衡态，大大提高了界面质量；
本发明可以形成低损伤的表面，改善表面粗糙度，并降低界面处的炭残留，降低界面处的悬挂键，减少氧化硅中的电子缺陷，从而提高有效迁移率，特别是在高电场下的有效迁移率。
附图说明
图1为SiC/SiO2界面缺陷示意图；
图2为本发明碳化硅氧化方法的反应步骤；
图3为本发明实施例中的SiC/SiO2界面；
图4为本发明实施例和对比例中的界面态密度对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
发明人通过大量的试验研究发现，碳化硅氧化形成氧化硅的过程可看作是碳的反应扩散过程，在低温等离子体氧化条件下，由于反应过程持续时间较长，碳的反应扩散过程与等离子体的化学反应过程相当，在这种情况下，在SiC/SiO2界面在一定范围内仍会存在碳的梯度分布。虽然研究人员曾尝试在高温下进行碳化硅的等离子氧化，然而由于温度升高后，等离子氧化反应条件难于控制，导致SiC/SiO2界面质量并没有明显改善。
为此，本发明提出了一种新的基于两步微波等离子体氧化的碳化硅氧化方法，通过优化等离子氧化的条件，获得了更好的氧化效率，并显著提高了界面质量。
本发明主要是采用两步法通过改变第一步氧化和第二步氧化过程中温度、气体成分和压力，在一定等离子氧化条件范围内对分子氧进行电离，使它形成氧等离子体或者均裂形成的氧自由基。在本发明的氧化条件下，与氧分子相比，氧等离子体或氧自由基具有明显的化学活性，以及更小的尺寸。在发生界面氧化时，可以在获得氧化层的同时，由于它具有更小的尺寸，在扩散过程中并不需要和晶格发生更多的交互就可以在界面处将反应产生的碳残留氧化，形成易挥发的一氧化碳，在反应过程中将一氧化碳脱出。
如图2所示，本发明提出的一种基于两步微波等离子体氧化的碳化硅氧化方法包括以下步骤：
提供碳化硅衬底；
将所述碳化硅衬底放置在微波等离子体发生装置中；
通入第一含氧气体，产生的氧等离子体以第一升温速度升温到第一温度，在所述第一温度和第一压力下进行低温等离子体氧化；
将氧等离子体以第二升温速度升温到第二温度，通入第二含氧气体，在所述第二温度和第二压力下进行高温等离子体氧化，直到生成预定厚度的二氧化硅；
停止通入含氧气体，反应结束。
SiC的微波等离子氧化包括以下过程：氧自由基或者氧离子向氧化层表面的输运；氧自由基或者氧离子通过氧化层向反应界面处扩散；界面处，碳化硅与氧自由基或者氧离子的反应；反应生成气体(CO)透过氧化层向外部扩散；反应生成气体在氧化层表面处排除。
在本发明的实施例中，第一温度为300-400℃，第二温度为700-900℃，所述第一压力为100-200mTorr，所述第二压力为700-900mTorr，所述第一升温速度为1-1.5℃/s，所述第二升温速度为0.5-1℃/s。
在本发明的实施例中，微波等离子体发生装置的输入功率为800-2000W，微波频率为2.4-2.5GHz。低温等离子体氧化的等离子放电时间为400-600s，高温等离子体氧化的等离子放电时间为600-1000s。
在上述条件下，可以有效控制等离子体火球的直径、密度、持续时间以及激发位置等，从而达到理想的氧化条件。发明人通过多次试验发现，在本发明的氧化条件下，等离子体的化学反应速率远远大于碳的扩散效应，生成的氧化硅的各向同性性能优异，尤其是在制备较厚的氧化硅层时，效果更加突出。
在本发明的实施例中，第一含氧气体为氧气与氢气或惰性气体的混合气，其中氧气的含量为30-99vol.％，所述第二含氧气体为纯氧。
本发明中的氧化层厚度可灵活调节，在本发明的一些实施例中，生成的二氧化硅的厚度为1-60nm。
在本发明的实施例中，该方法还包括排出生成的一氧化碳的步骤。
在本发明的一些实施例中，反应结束后通入氮气，在氮气氛围下冷却降温。
实施例1
微波等离子体发生装置的微波输入功率设定为1000w，激发微波等离子体的微波频率可调范围为2.4-2.5GHz。在气压100mTorr，H2∶O2＝1∶1的环境下，设置样品载物台最初温度设置为100℃，等离子以1℃/s的速度升温，到达350℃，进行低温氧化，等离子放电时间为400s；然后，改变升温速率为0.5℃/s，直到设定好的微波等离子体氧化温度800℃，将气体换为纯氧气，气压改变为800mTorr，等离子放电时间为800s，进行高温度氧化，氧化层厚度约为30nm，氧化完成后，将纯氧气改为纯氮气，在氮气氛围下冷却降温。
由图3可以看出，采用本发明的等离子氧化工艺形成SiC/SiO2的界面比较清晰，表面粗糙度较低，氧化层损伤少，表面平坦，侧壁和底部氧化速率一致，各向同性好。
在本发明的对比例中，将碳化硅沉底放置在高温氧化炉中在1200℃进行常规高温氧化，从图4可以看出，采用本发明实施例中的等离子氧化工艺获得界面态密度明显低于常规高温氧化。
与常规高温氧化或者低温等离子氧化方法相比，本发明的氧化反应效率可以提高20％-50％，C相关缺陷可以降低20％以上，SiC表面腐蚀坑的形成率可以降低到10％以下。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于两步微波等离子体氧化的碳化硅氧化方法，包括：
提供碳化硅衬底；
将所述碳化硅衬底放置在微波等离子体发生装置中；
通入第一含氧气体，产生的氧等离子体以第一升温速度升温到第一温度，在所述第一温度和第一压力下进行低温等离子体氧化；
将氧等离子体以第二升温速度升温到第二温度，通入第二含氧气体，在所述第二温度和第二压力下进行高温等离子体氧化，直到生成预定厚度的二氧化硅；
停止通入含氧气体，反应结束；
其中，第一温度为300-400℃，第二温度为700-900℃，所述第一压力为100-200mTorr，所述第二压力为700-900mTorr，所述第一升温速度大于所述第二升温速度。
2.根据权利要求1所述的碳化硅氧化方法，其中，所述第一升温速度为1-1.5℃/s，所述第二升温速度为0.5-1℃/s。
3.根据权利要求1所述的碳化硅氧化方法，其中，所述微波等离子体发生装置的输入功率为800-2000W，微波频率为2.4-2.5GHz。
4.根据权利要求1所述的碳化硅氧化方法，其中，低温等离子体氧化的等离子放电时间为400-600s，高温等离子体氧化的等离子放电时间为600-1000s。
5.根据权利要求1所述的碳化硅氧化方法，其中，第一含氧气体为氧气与氢气或惰性气体的混合气，其中氧气的含量为30-99vol.％，所述第二含氧气体为纯氧。
6.根据权利要求1所述的碳化硅氧化方法，其中，生成的二氧化硅的厚度为1-60nm。
7.根据权利要求1所述的碳化硅氧化方法，其中，所述方法还包括排出生成的一氧化碳的步骤。
8.根据权利要求1所述的碳化硅氧化方法，其中，反应结束后通入氮气，在氮气氛围下冷却降温。
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