CN109003895B - 一种提高SiC MOSFET器件性能稳定性的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及碳化硅半导体器件制造及可靠性技术领域，一种提高SiC MOSFET器件性能稳定性的制作方法，包括以下步骤：(1)采用RCA工艺清洗，(2)高温热氧化，(3)电子回旋共振微波一步处理或分步处理，(4)涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入形成源区和漏区，(5)完成SiC MOSFET的制作。本发明通过电子回旋共振混合等离子体放电产生大量N、H、Cl高反应活性物质，其中N、H可钝化界面及近界面氧化层陷阱，Cl可钝化栅氧化层中的可动离子，通过二元N‑Cl或三元H‑N‑Cl混合等离子体的协同作用可以显著并同时提高SiC MOS器件阈值电压在低温(80～250K)和高温(350～550K)的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高SiC MOSFET器件性能稳定性的制作方法，属于碳化硅半导体器件制造及可靠性技术领域。
背景技术
SiC半导体具有禁带宽度大、临界击穿场强高、热导率高、载流子饱和漂移速度高等优异的物理和电学特性，使其在高温、高频率、大功率器件电子领域具有广泛地应用前景。同时，相比于其它宽禁带半导体，SiC可以由热氧化形成SiO2层，这一优异的特点有利于利用传统的硅工艺来加工制造SiC MOS器件。随着不同氧化和钝化技术的发展，SiC MOS器件高界面态以及沟道迁移率低的问题得以基本解决，其中朱巧智等人(博士论文：SiO2/SiC界面过渡区及其等离子体钝化工艺研究)利用N和H混合等离子体处理显著地降低了界面态密度。然而，另一个关键问题是器件在偏压温度下阈值电压或平带电压不稳定性问题，在MOS电容的宏观体现是C-V曲线和平带电压发生漂移。该不稳定性的根源可归因于SiO2/SiC界面和近界面附近陷阱的电荷俘获以及栅氧化层SiO2中的可动离子，在高温下MOS平带电压(MOSFET阈值电压)不稳定性与电荷俘获和可动离子有关，而在低温下由于可动离子被冻结，平带电压不稳定性只与电荷俘获有关。因此，减小电荷俘获和钝化或中性化可动离子是SiC MOS器件研究领域急待解决的关键技术问题。本专利期望在李秀圣(硕士论文：SiO2/SiC界面氮氢等离子体处理及电学特性研究)、朱巧智所报道(博士论文：SiO2/SiC界面过渡区及其等离子体钝化工艺研究)的显著地降低界面态的基础上，同时提高器件的稳定性。
针对界面附近陷阱的电荷俘获问题，郭辉等人在专利[公开号：CN 101540280A]中提出了一种低偏移平带电压SiC MOS电容制作方法。其中的关键工艺即为在氧化前依次向SiC衬底离子注入一层N+和Al-离子。该方法降低了界面陷阱密度，MOS电容平带电压偏移小。但该方法仅降低了界面陷阱密度，而对于关键的近界面氧化层陷阱钝化情况并未报道，并且该工艺步骤多工艺较为复杂。
汤晓燕等人在其专利[公开号：CN102842489A]中提出了在N-SiC外延材料上淀积一层1～10nm厚的AlN，随后再干氧氧化的工艺方法来降低SiO2/SiC界面陷阱密度，减小MOS电容平带电压偏移。但该方法不仅引入了新的界面可能产生更多界面陷阱，而且AlN层也不利于后续O2的扩散来热氧化。AlN层的作用有利于减小界面陷阱、降低平带电压漂移。
针对可动离子影响器件不稳定问题，Woods等人在其专利[公开号：US4007294]中提出了一种电晕放电技术引入F-离子到SiO2层的方法，F-离子在SiO2层中引入中性化和固定化正Na+，处理后的平带电压几乎没有漂移，改善了MOS器件的稳定性。然而，该专利申请者是在Si体系下的SiO2进行的可动离子的钝化，并未在SiC体系下进行尝试。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种提高SiC MOSFET器件性能稳定性的制作方法。该方法可获得低温(80～250K)和高温(350～550K)下较为稳定的SiCMOS器件的平带电压和阈值电压，从而改善MOS器件性能的稳定性。
为了实现上述发明目的，解决已有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种提高SiC MOSFET器件性能稳定性的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、采用RCA工艺清洗，烘干碳化硅晶片表面，具体包括以下子步骤：
(a)将碳化硅晶片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中，90～130℃清洗15～60min，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述浓硫酸与双氧水的体积比为1:1；
(b)将子步骤(a)碳化硅晶片取出置于一号清洗液中，70～85℃清洗3～10min，然后用浓度为0.1％～10％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述一号清洗液是由水、双氧水和氨水按5:1:1～7:2:1体积比组成的混合溶液；
(c)将子步骤(b)碳化硅晶片取出置于二号清洗液中，70～85℃清洗3～10min，然后用浓度为0.1％～10％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述二号清洗液是由水、双氧水和盐酸按5:1:1～8:2:1体积比组成的混合溶液；
(d)将子步骤(c)碳化硅晶片取出，采用红外灯烘干碳化硅晶片表面；
步骤2、将清洗和烘干后的碳化硅晶片置于氧化炉中1100～1500℃下干热氧化形成一层30～50nm的SiO2薄膜；
步骤3、对干热氧化后的碳化硅晶片进行电子回旋共振微波一步处理或分步处理，具体包括以下子步骤：
(a)将干热氧化后的碳化硅晶片放置在样品盘中，再用抽送杆送入到电子回旋共振微波等离子体系统的放电室中；
(b)对放电室采用机械泵和分子泵抽真空处理，当真空度达到10-4Pa以下时，加热升温至200～900℃，加热时间控制在60～120min；随后向放电室通入激发气源含有H、N、Cl的两种或者三种混合气体，氢气流量控制在20～80sccm，氢气、氯气及氮气流量比为1:1～1.5:1～10，调节微波功率为200～900W，然后开启电子回旋共振微波等离子体的微波放电源按钮，一步处理产生H-N-Cl二元或三元混合等离子体，处理时间控制在1～30min，或通入激发气源含有H、N、Cl气体的等离子体进行分步处理，微波功率控制在200～900W，处理时间控制在1～30min；其中，一步处理中的激发气源为含有H、N、Cl的两种或者三种混合气体，即包括N2-Cl2、N2-HCl、N2-H2-Cl2、N2-H2-HCl、NH3-Cl2和NH3-HCl，分步处理中的激发气源为单一气体H2、N2、Cl2、NH3、HCl或其中两种气体的混合气体，即N2、H2混合气体与HCl，N2、H2混合气体与Cl2，氢气流量控制在20～80sccm，氢气、氯气及氮气流量比为1:1～1.5:1～10；
(c)处理完成后，将含有SiO2薄膜的碳化硅晶片在N2气氛保护下冷却到室温取出；
步骤4、在含有SiO2薄膜的碳化硅晶片上涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入形成源区和漏区，并在Ar或N2气氛保护下1000～1800℃高温退火10～30min；
步骤5、利用金属掩模板通过热蒸发或溅射金属Al、Ti、TiC制作电极，在氮气保护下升温至400～450℃，退火10～30min，冷却至室温完成SiC MOSFET的制作。
本发明有益效果是：一种提高SiC MOSFET器件性能稳定性的制作方法，包括以下步骤：(1)采用RCA工艺清洗，(2)高温热氧化，(3)电子回旋共振微波一步处理或分步处理，(4)涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入形成源区和漏区，(5)完成SiC MOSFET的制作。与已有技术相比，本发明通过电子回旋共振混合等离子体放电产生大量N、H、Cl高反应活性物质，其中N、H可钝化界面及近界面氧化层陷阱，Cl可钝化栅氧化层中的可动离子，通过二元N-Cl或三元H-N-Cl混合等离子体的协同作用可以显著并同时提高SiC MOS阈值电压在低温(80～250K)和高温(350～550K)的稳定性。
附图说明
图1是本发明方法步骤流程图。
图2是不同碳化硅晶片制作的MOSFET在423K下的交替正负应力后的C-V回滞图，其中：(a)表示未处理的碳化硅晶片制作的MOSFET图，(b)表示10min H-Cl-N混合等离子体处理的碳化硅晶片制作的MOSFET图。
图3是10min H-Cl-N混合等离子体处理的碳化硅晶片制作的MOSFET在423K不同应力下的解钝化C-V测试图，其中：(a)表示不同栅氧场强应力下的C-V测试图，(b)表示不同应力时间下的C-V测试图。
图4是不同碳化硅晶片制作的MOSFET在100K下的交替正负应力后的C-V回滞图，其中：(a)表示未处理的碳化硅晶片制作的MOSFET图，(b)表示10min H-Cl-N混合等离子体处理的碳化硅晶片制作的MOSFET图。
图5是10min H-Cl-N混合等离子体处理的碳化硅晶片制作的MOSFET在低温和高温下的ID-VGS特性曲线图，其中：(a)表示100K下的交替正负应力后的ID-VGS特性曲线图，(b)表示423K下的交替正负应力后的ID-VGS特性曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种提高SiC MOSFET器件性能稳定性的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、采用RCA工艺清洗，烘干碳化硅晶片表面，具体包括以下子步骤：
(a)将碳化硅晶片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中，100℃清洗30min，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述浓硫酸与双氧水的体积比为1:1；
(b)将子步骤(a)碳化硅晶片取出置于一号清洗液中，80℃清洗10min，然后用浓度为1％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述一号清洗液是由水、双氧水和氨水按5:1:1体积比组成的混合溶液；
(c)将子步骤(b)碳化硅晶片取出置于二号清洗液中，80℃清洗10min，然后用浓度为1％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述二号清洗液是由水、双氧水和盐酸按5:1:1体积比组成的混合溶液；
(d)将子步骤(c)碳化硅晶片取出，采用红外灯烘干碳化硅晶片表面；
步骤2、将清洗和烘干后的碳化硅晶片置于氧化炉中1200℃下干热氧化形成一层40nm的SiO2薄膜；
步骤3、对干热氧化后的碳化硅晶片进行电子回旋共振微波一步处理或分步处理，具体包括以下子步骤：
(a)将干热氧化后的碳化硅晶片放置在样品盘中，再用抽送杆送入到电子回旋共振微波等离子体系统的放电室中；
(b)对放电室采用机械泵和分子泵抽真空处理，当真空度达到10-4Pa以下时，加热升温至700℃，加热时间控制在90min；随后向放电室通入激发气源含有H、N、Cl的两种或者三种混合气体，氢气流量控制在30sccm，氢气、氯气及氮气流量比为1:1.2:6，调节微波功率为700W，然后开启电子回旋共振微波等离子体的微波放电源按钮，一步处理产生H-N-Cl二元或三元混合等离子体，处理时间控制在10min，或通入激发气源含有H、N、Cl气体的等离子体进行分步处理，微波功率控制在700W，处理时间控制在10min；其中，一步处理中的激发气源为含有H、N、Cl的两种或者三种混合气体，即包括N2-Cl2、N2-HCl、N2-H2-Cl2、N2-H2-HCl、NH3-Cl2和NH3-HCl，分步处理中的激发气源为单一气体H2、N2、Cl2、NH3、HCl或其中两种气体的混合气体，即N2、H2混合气体与HCl，N2、H2混合气体与Cl2，氢气流量控制在30sccm，氢气、氯气及氮气流量比为1:1.2:6。
(c)处理完成后，将含有SiO2薄膜的碳化硅晶片在N2气氛保护下冷却到室温取出；
步骤4、在含有SiO2薄膜的碳化硅晶片上涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入形成源区和漏区，并在Ar或N2气氛保护下1500℃高温退火10min；
步骤5、利用金属掩模板通过热蒸发或溅射金属Al、Ti、TiC制作电极，在氮气保护下升温至450℃，退火10min，冷却至室温完成SiC MOSFET的制作。
下面通过电学性能根据实测内容以及实测结果进行说明：
实施例2
实测内容(1)，对未处理和利用本发明方法处理10min后的SiC MOS器件进行高温正负应力C-V回滞测试，正应力为2.7MV/cm，温度423K，时间600s，随后在423K原位测量正应力后的C-V曲线；负应力为-2.7MV/cm，温度423K，时间600s，随后在423K原位测量负应力后的C-V曲线。实测结果如图2所示，其中：图2(a)为H-Cl-N三元混合等离子体处理前，高温423K的平带电压回滞为0.43V(正应力后CV曲线提取的平带电压和负应力后CV曲线提取的平带电压的差值)，而图2(b)10min H-Cl-N混合等离子体处理后的C-V完全重合，平带电压几乎没有发生变化。说明本发明的H-Cl-N三元混合等离子体处理可以有效钝化陷阱的电荷俘获和钝化可动离子，因而提高了SiC MOS器件平带电压在高温下的稳定性。
实施例3
实测内容(2)，对利用本发明方法处理10min后的SiC MOS器件进行高温不同应力场强下的解钝化C-V测试，栅氧场强从1.11～6.64MV/cm，温度423K，时间300s。对利用本发明方法处理10min后的SiC MOS器件进行高温不同应力时间下的解钝化C-V测试，应力时间从60～3600s，温度423K，场强2.33MV/cm。应力后的C-V测试均在原位进行。实测结果如图3所示，其中：图3(a)为10min H-Cl-N混合等离子体处理后的样品在高温423K下的不同栅压场强应力解钝化C-V测试，在1.11～4.43MV/cm的中高场强下C-V曲线几乎重合，平带电压没有发生漂移；在场强提高到5.54MV/cm和6.64MV/cm的强场时，平带电压才发生漂移。图3(b)为10min H-Cl-N混合等离子体处理后的样品在高温423K下的不同应力时间解钝化C-V测试，在60s～3600s的应力时间下C-V曲线几乎重合，平带电压没有发生漂移。通过高温423K下的解钝化测试可看出，三元H-Cl-N混合等离子体处理后的样品在高温下的平带电压稳定性确实得以提高。
实施例4
实测内容(3)，对未处理和利用本发明方法处理10min后的SiC MOS器件进行低温正负应力C-V回滞测试，正应力为2.8MV/cm，温度100K，时间600s，随后在100K原位测量正应力后的C-V曲线；负应力为-2.8MV/cm，温度100K，时间600s，随后在100K原位测量负应力后的C-V曲线。实测结果如图4所示，其中：图4(a)为H-Cl-N三元混合等离子体处理前，低温100K的平带电压回滞为5.76V，而图4(b)10min H-Cl-N混合等离子体处理后，平带电压回滞减小到3V。说明本发明的H-Cl-N三元混合等离子体处理可以有效钝化SiC/SiO2界面以及近界面栅氧化层中陷阱，从而抑制了电荷俘获，因而提高了SiC MOS器件平带电压在低温下的稳定性。
实施例5
实测内容(4)，对利用本发明方法处理10min后的SiC MOS器件进行低温100K和高温423K下的交替正负应力后的ID-VGS特性测试。低温应力测试下参数为：正应力为2.8MV/cm，温度100K，时间600s；负应力为-2.8MV/cm，温度100K，时间600s。高温应力测试下参数为：正应力为2.7MV/cm，温度423K，时间600s；负应力为-2.7MV/cm，温度423K，时间600s。实测结果如图5所示，其中：图5(a)为10min H-Cl-N混合等离子体处理后的样品在低温100K下交替正负应力后的ID-VGS测试，显示阈值电压回滞为3.11V；而图5(b)为10min H-Cl-N混合等离子体处理后的样品在高温423K下交替正负应力后的ID-VGS测试，显示阈值电压回滞为0.5V。相比于其它实例，10min处理的样品阈值电压回滞最小，表明10min处理时间最佳。实测结果表明，本发明的三元H-Cl-N混合等离子体处理方法可以是一步或分步处理，同时显著提高高温和低温下SiC MOS器件阈值电压和平带电压的稳定性，其中N、H可钝化界面及近界面氧化层陷阱，从而抑制电荷俘获；Cl可钝化或中性化可动离子。该方法实现了H、Cl、N钝化元素的协同作用，开拓了思路，为改善商业SiC MOSFET器件阈值电压稳定性奠定了基础。
实施例6
本发明方法中的H-Cl-N混合等离子体处理还可采用不同的处理时间、温度、微波功率，二元或三元组分，不同的混合气体组合，不同的混合气源比例，一步或分步处理，不同测量温度，实测结果如表1～14所示。
表1
表2
表3
表4
表5
表6
表7
表8
表9
表10
表11
表12
表13
表14
其中：
表1为不同H-Cl-N混合等离子体处理时间的样品在423K和100K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
表2为不同H-Cl-N混合等离子体处理温度的样品在423K和100K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
表3为不同H-Cl-N混合等离子体微波处理功率的样品在423K和100K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
表4为不同二元或三元气源组合后的N-Cl或H-Cl-N混合等离子体处理的样品在423K和100K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
表5为一步二元混气下不同比例的Cl2-N2产生的Cl-N混合等离子体处理的样品在423K和100K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
表6为一步三元混气下不同比例的：HCl-N2产生的H-Cl-N混合等离子体处理的样品在423K和100K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
表7为一步三元混气下不同比例的：H2-Cl2-N2产生的H-Cl-N混合等离子体处理的样品在423K和100K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
表8为一步三元混气下不同比例的：H2-HCl-N2产生的H-Cl-N混合等离子体的样品在423K和100K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
表9为一步三元混气下不同比例的：Cl2-NH3产生的H-Cl-N混合等离子体的样品在423K和100K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
表10为一步三元混气下不同比例的：HCl-NH3产生的H-Cl-N混合等离子体的样品在423K和100K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
表11为不同分步处理产生的H-Cl-N混合等离子体的样品在423K和100K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
表12为分步和不同比例下的先H2和N2激发H-N处理，随后HCl所激发H-Cl混合等离子体处理的样品在423K和100K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
表13为分步和不同比例下的先H2和N2激发H-N处理，后Cl2所激发Cl等离子体处理的样品在423K和100K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
表14为一步三元混气不同比例H2-Cl2-N2下所激发出来的H-Cl-N混合等离子体处理的样品在80K、200K、400K和500K下的平带电压和阈值电压漂移数值。
本发明优点在于：一种提高SiC MOSFET器件性能稳定性的制作方法，通过电子回旋共振混合等离子体放电产生大量N、H、Cl高反应活性物质，其中N、H可钝化界面及近界面氧化层陷阱，Cl可钝化栅氧化层中的可动离子，通过二元N-Cl或三元H-N-Cl混合等离子体的协同作用可以显著并同时提高SiC MOS阈值电压在低温(80～250K)和高温(350～550K)的稳定性。
Claims (1)
1.一种提高SiC MOSFET器件性能稳定性的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、采用RCA工艺清洗，烘干碳化硅晶片表面，具体包括以下子步骤：
(a)将碳化硅晶片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中，90～130℃清洗15～60min，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述浓硫酸与双氧水的体积比为1:1；
(b)将子步骤(a)碳化硅晶片取出置于一号清洗液中，70～85℃清洗3～10min，然后用浓度为0.1％～10％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述一号清洗液是由水、双氧水和氨水按5:1:1～7:2:1体积比组成的混合溶液；
(c)将子步骤(b)碳化硅晶片取出置于二号清洗液中，70～85℃清洗3～10min，然后用浓度为0.1％～10％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述二号清洗液是由水、双氧水和盐酸按5:1:1～8:2:1体积比组成的混合溶液；
(d)将子步骤(c)碳化硅晶片取出，采用红外灯烘干碳化硅晶片表面；
步骤2、将清洗和烘干后的碳化硅晶片置于氧化炉中1100～1500℃下干热氧化形成一层30～50nm的SiO2薄膜；
步骤3、对干热氧化后的碳化硅晶片进行电子回旋共振微波一步处理或分步处理，具体包括以下子步骤：
(a)将干热氧化后的碳化硅晶片放置在样品盘中，再用抽送杆送入到电子回旋共振微波等离子体系统的放电室中；
(b)对放电室采用机械泵和分子泵抽真空处理，当真空度达到10-4Pa以下时，加热升温至200～900℃，加热时间控制在60～120min；随后向放电室通入激发气源含有H、N、Cl的两种或者三种混合气体，氢气流量控制在20～80sccm，氢气、氯气及氮气流量比为1:1～1.5:1～10，调节微波功率为200～900W，然后开启电子回旋共振微波等离子体的微波放电源按钮，一步处理产生H-N-Cl二元或三元混合等离子体，处理时间控制在1～30min，或通入激发气源含有H、N、Cl气体的等离子体进行分步处理，微波功率控制在200～900W，处理时间控制在1～30min；其中，一步处理中的激发气源为含有H、N、Cl的两种或者三种混合气体，即包括N2-Cl2、N2-HCl、N2-H2-Cl2、N2-H2-HCl、NH3-Cl2和NH3-HCl，分步处理中的激发气源为单一气体H2、N2、Cl2、NH3、HCl或其中两种气体的混合气体，即N2、H2混合气体与HCl，N2、H2混合气体与Cl2，氢气流量控制在20～80sccm，氢气、氯气及氮气流量比为1:1～1.5:1～10；
(c)处理完成后，将含有SiO2薄膜的碳化硅晶片在N2气氛保护下冷却到室温取出；
步骤4、在含有SiO2薄膜的碳化硅晶片上涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入形成源区和漏区，并在Ar或N2气氛保护下1000～1800℃高温退火10～30min；
步骤5、利用金属掩模板通过热蒸发或溅射金属Al、Ti、TiC制作电极，在氮气保护下升温至400～450℃，退火10～30min，冷却至室温完成SiCMOSFET的制作。
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