CN109494147B - 基于交流电压下微波等离子体的碳化硅氧化方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于交流电压下微波等离子体的碳化硅氧化方法，包括：步骤一、提供碳化硅衬底，将碳化硅衬底放置在微波等离子体发生装置中；步骤二、加入含氧气体，在交流电压下产生氧等离子体；步骤三、通过所述交流电压控制所述氧等离子体中的氧离子与电子的运动，在所述碳化硅衬底上生成预定厚度的氧化层，其中，碳化硅衬底电压为负时，氧离子靠近界面与碳化硅发生氧化反应，碳化硅衬底电压为正时，电子靠近界面与碳化硅发生还原反应，将碳残留去除；步骤四、停止通入含氧气体，反应结束。本发明可以实现对碳化硅氧化层的实时修复，有效减小碳残留，改善界面质量，减小氧化层中的缺陷中心对载流子的散射作用。

Description

基于交流电压下微波等离子体的碳化硅氧化方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种基于交流电压下微波等离子体的碳化硅氧化方法。
背景技术
碳化硅(SiC)属于第三代半导体材料，由于其优异的物理性能如：禁带宽度大、击穿电场高、电子迁移率大、热导率高，使得其特别适合制备电力电子器件。而SiC MOSFETs是最受关注的电力电子器件，相比于Si MOSFETs，SiC MOSFETs导通损耗小、开关速度快，承受温度高，特别适用于功率开关应用。如何减小SiC MOSFETs栅氧处的缺陷，仍是当前的研究重点。
由于SiC能够热生长SiO2的化合物半导体，使得其可以制备类似Si MOS的器件结构。然而，SiC的热氧需要比Si更高的温度，高达1300℃。当前，SiC热氧主要采用电阻加热方式的氧化炉，在高温下氧气分子与SiC反应生成SiO2，反应过程在热平衡条件下进行，导致界面质量退化如：界面碳簇残留，生成Si-O-C键、C的悬挂键和氧空位等缺陷，如图1所示。碳簇的存在会在界面处形成缺陷中心，降低载流子的迁移率，SiCMOSFETs器件的输出性能。另外，高温氧化还会造成界面损伤，降低氧化效率。
因此，高效、低界面态的栅氧工艺是保障SiC MOSFETs可靠工作的关键。近年，有人提出了在低温下利用等离子体氧化SiC的方法，改善了界面质量。然而该方法的氧化效率较低，获得厚栅氧时，氧化时间较长。另外，在氧化过程中，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交流电压下微波等离子体的碳化硅氧化方法，能够在氧化的过程中，实时修复界面，降低界面处碳残留，减小界面缺陷密度，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：
一种基于交流电压下微波等离子体的碳化硅氧化方法，包括：
步骤一、提供碳化硅衬底，将碳化硅衬底放置在微波等离子体发生装置中；
步骤二、加入含氧气体，在交流电压下产生氧等离子体；
步骤三、通过所述交流电压控制所述氧等离子体中的氧离子与电子的运动，在所述碳化硅衬底上生成预定厚度的氧化层，其中，碳化硅衬底电压为负时，氧离子靠近界面与碳化硅发生氧化反应，碳化硅衬底电压为正时，电子靠近界面与碳化硅发生还原反应，将碳残留去除；
步骤四、停止通入含氧气体，反应结束。
优选地，所述交流电压为方波电压，周期为10-30s，电压幅值为5-10V。
优选地，氧等离子体与碳化硅的反应温度为500-900℃，反应压力为400-1000mTorr。
优选地，氧等离子体以0.5-2℃/s的速度升温到反应温度。
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，等离子放电时间为400-1000s。
优选地，所述含氧气体为纯氧、或者为氧气与惰性气体的混合气，所述混合气中氧气含量优选为30-90vol.％。
优选地，生成的二氧化硅的厚度为1-60nm。
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：
在本发明的氧化条件下，氧离子与电子分别靠近界面处，使得界面处的氧化、还原反应交替进行，这样就可以在氧化的过程中，实时修复界面，减小碳残留，提高界面质量，减小表面散射，提升器件性能。
附图说明
图1为SiC/SiO2界面缺陷示意图。
图2A为理想情况下热力学非平衡态的界面；
图2B为常规氧化条件下热力学平衡态的界面；
图3为本发明实施例中对等离子体施加电压的示意图。
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。
在SiC氧化过程中，理想情况是在热力学非平衡条件下，得到完美的SiC/SiO2分界面，如图2A所示。但是，在常规的氧化条件下，氧分子与SiC的反应是在热平衡的条件下进行，导致实际界面不理想如图2B所示。在SiC/SiO2分界面中有一层过渡层，在此处有碳簇存在，进而导致MOSFET等器件在工作时发生栅氧漏电或击穿。另外，过渡层还能够形成散射中心，对MOSFET的沟道处的载流子产生散射作用，减小载流子的迁移率，降低输出电流，影响器件性能。
研究发现，SiC栅氧氧化过程可以看作碳的反应扩散过程，利用低温等离子体氧化时，由于反应过程持续时间较长，碳的反应扩散时间与等离子体的化学反应时间相当，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。
为此，本发明提出了一种新的基于交流电压下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，并能有效降低界面处的碳残留，修复界面损伤，提高界面质量。
如图3所示，本发明主要是通过在特定温度和压力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，并利用交流电控制等离子体的运动，进而控制氧化过程。具体而言，当碳化硅衬底为负电压压时，氧离子在电场的作用下靠近SiC界面，与SiC发生氧化反应，当形成一定厚度的薄层氧化层时，氧化结束。此时改变外加偏置电压的脉冲方向，电子在电场的作用下靠近SiC界面，在界面处发生还原反应，将形成的碳脱出。按照这个形式交替进行，可以有效的减少界面处的缺陷数量，从而降低碳残留，减小氧化层中的缺陷中心对载流子的散射作用，提高迁移率，进而提高器件的驱动电流。
通过控制脉冲电流的周期，就可以控制氧化与还原反应的时间，进而控制氧化过程以及修复过程。在本发明的一个实施例中，交流电压为方波电压，周期为10-30s，电压幅值为5V。
在本发明的一个实施例中，含氧气体为纯氧、或者为氧气与惰性气体的混合气，所述混合气中氧气含量为30-90vol.％
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，氧等离子体与碳化硅的反应温度为500-900℃，等离子体以0.5-2℃/s的速度升温到反应温度，反应压力为400-1000mTorr。
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。等离子放电时间可以为400-1000s。
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800mTorr，纯氧的环境下，设置样品载物台最初温度设置为100℃，等离子以1.5℃/s的速度升温，直到设定好的微波等离子体氧化温度800℃，同时对氧等离子体施加方波电压，电压周期为20s，电压幅值为5V，等离子放电时间为700s，进行等离子体氧化，氧化层厚度约为40nm，氧化完成后，将纯氧气改为纯氮气，在氮气氛围下冷却降温。
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 (10)

1.一种基于交流电压下微波等离子体的碳化硅氧化方法，其特征在于，包括：
步骤一、提供碳化硅衬底，将碳化硅衬底放置在微波等离子体发生装置中；
步骤二、加入含氧气体，在交流电压下产生氧等离子体；
步骤三、通过所述交流电压控制所述氧等离子体中的氧离子与电子的运动，在所述碳化硅衬底上生成预定厚度的氧化层，其中，碳化硅衬底电压为负时，氧离子靠近界面与碳化硅发生氧化反应，碳化硅衬底电压为正时，电子靠近界面与碳化硅发生还原反应，将碳残留去除；
步骤四、停止通入含氧气体，反应结束。
2.根据权利要求1所述的碳化硅氧化方法，其中，所述交流电压为方波电压，周期为10-30s，电压幅值为5-10v。
3.根据权利要求1所述的碳化硅氧化方法，其中，氧等离子体与碳化硅的反应温度为500-900℃，反应压力为400-1000mTorr。
4.根据权利要求1所述的碳化硅氧化方法，其中，氧等离子体以0.5-2℃/s的速度升温到反应温度。
5.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。
6.根据权利要求1所述的碳化硅氧化方法，其中，等离子总放电时间为400-1000s。
7.根据权利要求1所述的碳化硅氧化方法，其中，所述含氧气体为纯氧、或者为氧气与惰性气体的混合气。
8.根据权利要求7所述的碳化硅氧化方法，其中，所述混合气中氧气含量为30-90vol.％。
9.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。
10.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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