CN108766887B - 基于两步微波等离子体氧化的凹槽mosfet器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于两步微波等离子体氧化的凹槽MOSFET器件的制造方法，包括：在凹槽栅刻蚀后，利用微波等离子体将凹槽栅表面的碳化硅氧化为二氧化硅，形成凹槽栅氧化层，其中形成凹槽栅氧化层的步骤包括：将进行凹槽栅刻蚀后的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。本发明可以显著提高碳化硅的氧化效率，改善界面质量，形成均匀的栅介质层。
Description
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凹槽MOSFET器件的制造方法。
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。
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。
另外，实验表明，碳化硅在不同晶向上的氧化速率差别很大，在Si面，与a轴垂直的平面的氧化速率甚至是与c轴垂直的平面的3-5倍。如果采用热氧化工艺形成UMOS结构的栅氧，将得到侧壁上的氧化层厚度是底部的3-5倍，如图2所示，这就使得器件在正向偏压下不能正常开启。
因为沟道是从侧壁上形成的纵向沟道，为了使器件正常开启，而要提供更高的栅压VG。但是，由于侧壁上热氧化生长的SiO2速率是底部氧化速率的数倍，这使得器件在栅压到达栅氧安全工作电压的最大值时，侧壁上沟道区由于栅压未达到阈值电压，器件不能开启，不能得到正向特性，继续增加栅压，底部栅氧稳定性会变坏，使得底部氧化层提前发生击穿，器件不能正常工作。因此形成低界面态、均匀栅氧层是制作凹槽MOSFET器件的关键。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于两步微波等离子体氧化的凹槽MOSFET器件的制造方法，可以形成低界面态、均匀的栅氧层。
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凹槽MOSFET器件的制造方法，包括：
在凹槽栅刻蚀后，利用微波等离子体将凹槽栅表面的碳化硅氧化为二氧化硅，形成凹槽栅氧化层，
其中形成凹槽栅氧化层的步骤包括：
将进行凹槽栅刻蚀后的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，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。
本发明可形成均匀栅介质层，使侧壁上的氧化层厚度与底部氧化层厚度相当，在一定栅压下，可使器件正常开启，得到正常正向特性，防止底部栅氧化层提前击穿，发挥凹槽栅MOSFET器件的优势。
附图说明
图1为SiC/SiO2界面缺陷示意图；
图2为常规热氧化工艺形成的凹槽MOSFET器件的结构示意图；
图3为本发明实施例中碳化硅氧化的反应过程；
图4为本发明实施例中凹槽MOSFET器件的制备流程图；
图5为本发明实施例中的SiC/SiO2界面；
图6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微波等离子体的碳化硅氧化方法，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3所示，在上述研究的基础上，本发明提出的一种基于微波等离子体的碳化硅氧化方法，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。
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。
基于上述碳化硅氧化方法，本发明提出了一种基于两步微波等离子体氧化的凹槽MOSFET器件的制造方法，包括：
在凹槽栅刻蚀后，利用微波等离子体将凹槽栅表面的碳化硅氧化为二氧化硅，形成凹槽栅氧化层，
其中形成凹槽栅氧化层的步骤包括：
将进行凹槽栅刻蚀后的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，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
如图4所示，凹槽MOSFET器件的制备方法通常包括以下步骤：
(1)清洗衬底；
(2)在衬底上形成P-base注入掩膜及离子注入；
(3)形成N-plus掩膜及离子注入；
(4)形成P-base及去除对应掩膜；
(5)形成N-plus及去除对应掩膜；
(6)形成P-plus掩膜及离子注入；
(7)高温激活退火；
(8)形成P-plus及去除对应掩膜；
(9)形成凹槽栅刻蚀掩膜；
(10)凹槽栅刻蚀；
(11)形成凹槽栅氧化层；
(12)制作多晶硅栅电极；
(13)制作源电极；
(14)制作漏电极；
(15)制作层间介质；
(16)制作盖层金属。
本实施例在形成凹槽栅氧化层时，采用微波等离子体氧化法，具体步骤为：
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5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6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 (7)
1.一种基于两步微波等离子体氧化的凹槽MOSFET器件的制造方法，包括：
在凹槽栅刻蚀后，利用微波等离子体将凹槽栅表面的碳化硅氧化为二氧化硅，形成凹槽栅氧化层，
其中形成凹槽栅氧化层的步骤包括：
将进行凹槽栅刻蚀后的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；
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。
2.根据权利要求1所述的制造方法，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所述的制造方法，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所述的制造方法，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所述的制造方法，其中，生成的二氧化硅的厚度为1-60nm。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其中，所述方法还包括排出生成的一氧化碳的步骤。
7.根据权利要求1所述的制造方法，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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