CN109540969A - SiC氧化中SiC-SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法 - Google Patents

SiC氧化中SiC-SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109540969A
CN109540969A CN201811349359.4A CN201811349359A CN109540969A CN 109540969 A CN109540969 A CN 109540969A CN 201811349359 A CN201811349359 A CN 201811349359A CN 109540969 A CN109540969 A CN 109540969A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sic
sio
sic substrate
sample
measuring method
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811349359.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109540969B (zh
Inventor
刘新宇
王盛凯
白云
韩忠霖
汤益丹
田晓丽
陈宏�
杨成樾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Microelectronics of CAS
Original Assignee
Institute of Microelectronics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Microelectronics of CAS filed Critical Institute of Microelectronics of CAS
Priority to CN201811349359.4A priority Critical patent/CN109540969B/zh
Publication of CN109540969A publication Critical patent/CN109540969A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109540969B publication Critical patent/CN109540969B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)

Abstract

一种SiC氧化中SiC‑SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法,包括:提供一个包含SiC‑Si16O2‑Si18O2或SiC‑Si18O2‑Si16O2结构的SiC衬底样品,所述SiC衬底样品由SiC氧化获得;将所述SiC衬底样品放置在真空腔体中,对所述SiC衬底样品匀速加热,不同温度下SiO2与不同类型的碳杂质反应,生成C16O和C18O,并逐渐从界面脱附进入所述真空腔体中;检测所述真空腔体内的C16O+和C18O+的离子电流;分析C16O+和C18O+离子电流的大小随温度的变化曲线判断碳杂质的类型;分析C16O+和C18O+离子电流的大小随时间的变化关系,确定C16O+和C18O+在样品中的扩散机制,利用扩散方程得到不同位置的碳杂质浓度。本发明的测试方法操作简单,准确度高,为表征和筛选合格碳杂质浓度的SiC衬底提供了新的思路。

Description

SiC氧化中SiC-SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域,具体涉及一种SiC氧化中SiC-SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法。
背景技术
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SiC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、间隙原子碳、Si-O-C键、C的悬挂键等缺陷,界面质量退化,导致迁移率降低,如图1所示。
因此,SiC-SiO2界面处的碳杂质类型与位置分布是评价SiC氧化工艺制备的SiC-SiO2界面质量的重要指标,然而目前并没有一个行之有效的方法。
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SiC氧化中SiC-SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
一方面,本发明提供一种SiC氧化中SiC-SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法,包括:
提供一个包含SiC-Si16O2-Si18O2或SiC-Si18O2-Si16O2结构的SiC衬底样品,所述SiC衬底样品由SiC氧化获得;
将所述SiC衬底样品放置在真空腔体中,对所述SiC衬底样品匀速加热,不同温度下SiO2与不同类型的碳杂质反应,生成C16O和C18O,并逐渐从界面脱附进入所述真空腔体中;
检测所述真空腔体内的C16O+和C18O+的离子电流;
分析C16O+和C18O+离子电流的大小随温度的变化曲线判断碳杂质的类型;
分析C16O+和C18O+离子电流的大小随时间的变化关系,确定C16O+和C18O+在样品中的扩散机制,利用扩散方程得到不同位置的碳杂质浓度。
优选地,在判断碳杂质的类型时,在800~900℃范围内检测间隙C杂质浓度,在900~1300℃范围内检测成键C杂质浓度。
优选地,在计算碳杂质浓度时,首先将所述SiC衬底样品分别在不同温度进行N2退火处理,并利用二次离子质谱测试C的浓度分布,根据公式(1)确定C在SiO2的扩散系数;
其中,C(x,t)为C的浓度,C0为SiO2中C的初始浓度,erfc为余误差函数,D为C的扩散系数,x为C与SiC衬底样品表面之间的距离,t为C的扩散时间;
然后,根据不同时刻的C16O+和C18O+离子电流确定样品的边界条件,利用公式(2)和公式(3)得出不同位置的C杂质浓度,
其中,J表示C的净流量。
优选地,所述包含SiC-5i16O2-Si18O2结构的SiC衬底样品通过首先由18O2氧化,然后由16O2氧化SiC获得,所述包含SiC-Si18O2-Si16O2结构的SiC衬底样品通过首先由16O2氧化,然后由18O2氧化SiC获得。
优选地,氧化温度范围为800℃~1400℃,氧化时间范围为1s~2h,氧化厚度为1nm~20nm。
优选地,加热所述SiC衬底样品时的升温速率为0.1℃/s~10℃/s,加热的温度范围为800℃~1300℃。
优选地,所述真空腔体的压强范围为10-5Pa~10-9Pa。
优选地,利用四级杆质谱仪QMS设备检测C16O+和C18O+的离子电流大小。
另一方面,本发明还提供一种所述测定方法在SiC-SiO2界面质量评价或SiC氧化样品筛选中的应用。
本发明通过制备SiC-Si16O2-Si18O(或SiC-Si18O2-Si16O2)的结构,并利用加热系统以及QMS设备检测C16O+和C18O+的离子电流随时间的变化关系,确定CO在SiC-SiO2的扩散机制以及不同位置的碳杂质浓度分布,并且通过电流大小随温度变化的变化关系可以确定杂质的类型,本发明的方法操作简单,准确度高,为SiC氧化质量的评估提供了一种新的方法。
附图说明
图1为SiC/SiO2界面缺陷示意图。
图2为本发明测定方法中的设备示意图。
图3为SiC-Si16O2-Si18O2样品结构示意图。
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。
氧在和SiC表面发生化学反应时,容易产生碳残留,这部分残留存在于氧化硅界面处,一方面造成栅介质漏电,另外一方面形成界面的散射中心,从而影响SiC的迁移率,进而导致器件的输出电流减小,并诱发可靠性问题。因此,准确测量界面处的碳杂质类型以及位置分布,进而筛选界面质量合格的SiC衬底是非常必要的。
图2为本发明提出的测试方法中的设备示意图:其中包括相互连接的真空腔体1和四级杆质谱仪QMS 2,真空腔体1中设置有加热装置3,用于对包含SiC-Si16O2-Si18O2或SiC-Si18O2-Si16O2结构的SiC衬底样品进行加热,真空腔体1通过真空阀4与真空泵5相连,用于控制真空腔体内的压强。
通过低温下对SiC先后在18O216O2的环境下氧化获得的包含SiC-Si16O2-Si18O2(或SiC-Si18O2-Si16O2)结构的SiC衬底样品如图3所示。在真空腔体中利用加热装置对SiC衬底样品匀速加热,不同键能的碳杂质会在不同的温度下与SiO2反应生成CO,例如:间隙原子碳形成CO的解析温度低于成键型碳杂质,一般地间隙碳原子在500~900℃左右可以生成CO,而成键型碳杂质在900~1300℃形成CO。生成的CO由SiC-SiO2内部扩散进入到真空腔体中。保持腔体压强一定,通过四级杆质谱仪QMS检测扩散到真空腔体中CO的离子电流随温度的变化,即可分析碳杂质的类型。同时,不同位置处碳杂质生成的CO被QMS检测到的时间不同。一般地CO直接以气体形式在SiO2扩散,此时离表面近的碳杂质形成的CO最先扩散出来,也最先被QMS检测到,而离表面远的扩散慢,最后才被QMS检测到。因此QMS最先检测到位于上层的Si18O2中的碳杂质生成的C18O,之后是位于下层Si16O2中的碳杂质生成的C16O。但是,如果生成的CO通过O原子交换的形式进行扩散,QMS只能检测到C18O,而没有C16O。
本发明通过对O原子的标定不但可以确定CO在内部的扩散机制,同时可以确定C杂质的类型以及相应的位置,具体步骤为:
(1)利用QMS多离子检测模式,设置m/Z=28、30区分C16O、C18O气体成分。
(2)利用QMS中C16O+和C18O+的离子电流随温度的变化可以分析出C16O、C18O成分随温度的变化,进而可以确定CO在SiO2的扩散机制。同时利用不同的温度范围确定不同的C杂质类型:在800~900℃范围内检测间隙C杂质浓度,在900~1300℃范围内检测成键C杂质浓度。
(3)对包含SiC-Si16O2-Si18O2(或SiC-Si18O2-Si16O2)结构的SiC衬底样品分别在900℃及1300℃进行N2退火处理,并利用SIMS(二次离子质谱)测试SiC-Si16O2-Si18O2(或SiC-Si18O2-Si16O2)结构中C的浓度分布,根据公式(1)确定C在SiO2的扩散系数。
其中,C(x,t)为C的浓度,C0为SiO2中C的初始浓度,erfc为余误差函数,D为C的扩散系数,x为C与SiC衬底样品表面之间的距离,t为C的扩散时间;
(4)根据不同时刻的C16O+和C18O+离子电流确定样品的边界条件,扩散方程(菲克第一定律式(2)以及菲克第二定律式(3))就可以得出不同位置的C杂质浓度。
其中,J表示C的净流量。
在本发明的方法中,Si18O2和Si16O2层的厚度由氧化时间以及氧化温度确定,厚度越大氧化时间越长,而氧化温度范围越大,能够与SiO2反应的碳杂质类型越多,得到的碳杂质信息越全,优选地,氧化温度范围在800℃~1400℃,氧化时间为1s~2h。
实施例1
利用多个SiC晶片先在一个标准大气压下,1200℃,18O2的环境下氧化20min,得到5nm左右的Si18O2,之后一个标准大气压下,1200℃,16O2的环境下氧化30min,得到5nm左右的Si16O2,从而形成包含SiC-Si16O2-Si18O2结构的SiC样品,随机抽取若干样品进行检测;
保持腔体真空度为10-5Pa的条件下,对样品匀速加热,加热速率为1℃/s,利用QMS检测C16O+和C18O+的离子电流大小随时间的变化趋势,确定CO在SiC-SiO2的扩散机制,利用扩散方程求解不同位置处的C浓度分布。
利用四级杆质谱仪QMS检测C16O+和C18O+的离子电流大小随温度的变化曲线,进而确定不同温度下的碳杂质类型。
本发明的方法能够准确表征SiC衬底氧化工艺中得到的SiC-SiO2界面碳杂质类型以及位置分布的信息,可以应用于SiC-SiO2界面质量评测方法,当检测结果低于设定的阈值时,认为样品合格,当检测结果高于设定的阈值时,认为样品不合格。这样通过筛选合格碳残留浓度的SiC衬底,可以提高产品的稳定性和可靠性。
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 (9)

1.一种SiC氧化中SiC-SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法,其特征在于,包括:
提供一个包含SiC-Si16O2-Si18O2或SiC-Si18O2-Si16O2结构的SiC衬底样品,所述SiC衬底样品由SiC氧化获得;
将所述SiC衬底样品放置在真空腔体中,对所述SiC衬底样品匀速加热,不同温度下SiO2与不同类型的碳杂质反应,生成C16O和C18O,并逐渐从界面脱附进入所述真空腔体中;
检测所述真空腔体内的C16O+和C18O+的离子电流;
分析C16O+和C18O+离子电流的大小随温度的变化曲线判断碳杂质的类型;
分析C16O+和C18O+离子电流的大小随时间的变化关系,确定C16O+和C18O+在样品中的扩散机制,利用扩散方程得到不同位置的碳杂质浓度。
2.根据权利要求1所述的测定方法,其中,在判断碳杂质的类型时,在800℃~900℃范围内检测间隙C杂质浓度,在900℃~1300℃范围内检测成键C杂质浓度。
3.根据权利要求1所述的测定方法,其中,在计算碳杂质浓度时,首先将所述SiC衬底样品分别在不同温度进行N2退火处理,并利用二次离子质谱测试C的浓度分布,根据公式(1)确定C在SiO2的扩散系数;
其中,C(x,t)为C的浓度,C0为SiO2中C的初始浓度,erfc为余误差函数,D为C的扩散系数,x为C与SiC衬底样品表面之间的距离,t为C的扩散时间;
然后,根据不同时刻的C16O+和C18O+离子电流确定样品的边界条件,利用公式(2)和公式(3)得出不同位置的C杂质浓度,
其中,J表示C的净流量。
4.根据权利要求1所述的测定方法,其中,所述包含SiC-Si16O2-Si18O2结构的SiC衬底样品通过首先由18O2氧化,然后由16O2氧化SiC获得,所述包含SiC-Si18O2-Si16O2结构的SiC衬底样品通过首先由16O2氧化,然后由18O2氧化SiC获得。
5.根据权利要求4所述的测定方法,其中,氧化温度范围为800℃~1300℃,氧化时间范围为1s~2h,氧化厚度为1nm~20nm。
6.根据权利要求1所述的测定方法,其中,加热所述SiC衬底样品时的升温速率为0.1℃/s~10℃/s,加热的温度范围为800℃~1300℃。
7.根据权利要求1所述的测定方法,其中,所述真空腔体的压强范围为10-5Pa~10-9Pa。
8.根据权利要求1所述的测定方法,其中,利用四级杆质谱仪QMS设备检测C16O+和C18O+的离子电流大小。
9.一种权利要求1~8中任一项所述测定方法在SiC-SiO2界面质量评价或SiC氧化样品筛选中的应用。
CN201811349359.4A 2018-11-13 2018-11-13 SiC氧化中SiC-SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法 Active CN109540969B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811349359.4A CN109540969B (zh) 2018-11-13 2018-11-13 SiC氧化中SiC-SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811349359.4A CN109540969B (zh) 2018-11-13 2018-11-13 SiC氧化中SiC-SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109540969A true CN109540969A (zh) 2019-03-29
CN109540969B CN109540969B (zh) 2021-01-05

Family

ID=65847192

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811349359.4A Active CN109540969B (zh) 2018-11-13 2018-11-13 SiC氧化中SiC-SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109540969B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111106012A (zh) * 2019-12-20 2020-05-05 电子科技大学 一种实现半导体器件局域寿命控制的方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101942696A (zh) * 2010-07-15 2011-01-12 四川大学 Si基“反向外延”3C-SiC单晶薄膜及其制备方法
CN101872772B (zh) * 2010-06-08 2011-08-31 杭州电子科技大学 用于横向高压器件和智能功率集成电路的厚膜soi材料
WO2012003348A2 (en) * 2010-06-30 2012-01-05 Anpac Bio-Medical Science Co., Ltd. Apparatus for disease detection
CN104876621A (zh) * 2015-05-07 2015-09-02 陕西科技大学 一种具有仿生结构C/SiC多孔复合陶瓷及其制备方法
CN106470834A (zh) * 2014-09-29 2017-03-01 积水化学工业株式会社 碳包覆导热材料
CN107419225A (zh) * 2011-06-08 2017-12-01 株式会社半导体能源研究所 溅射靶材、溅射靶材的制造方法及薄膜形成方法
CN107623069A (zh) * 2016-07-14 2018-01-23 上海磁宇信息科技有限公司 一种刻蚀磁性隧道结及其底电极的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101872772B (zh) * 2010-06-08 2011-08-31 杭州电子科技大学 用于横向高压器件和智能功率集成电路的厚膜soi材料
WO2012003348A2 (en) * 2010-06-30 2012-01-05 Anpac Bio-Medical Science Co., Ltd. Apparatus for disease detection
CN101942696A (zh) * 2010-07-15 2011-01-12 四川大学 Si基“反向外延”3C-SiC单晶薄膜及其制备方法
CN107419225A (zh) * 2011-06-08 2017-12-01 株式会社半导体能源研究所 溅射靶材、溅射靶材的制造方法及薄膜形成方法
CN106470834A (zh) * 2014-09-29 2017-03-01 积水化学工业株式会社 碳包覆导热材料
CN104876621A (zh) * 2015-05-07 2015-09-02 陕西科技大学 一种具有仿生结构C/SiC多孔复合陶瓷及其制备方法
CN107623069A (zh) * 2016-07-14 2018-01-23 上海磁宇信息科技有限公司 一种刻蚀磁性隧道结及其底电极的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘新红: "SiC加热元件在N_2气氛下使用损毁机理研究", 《郑州大学学报(工学版)》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111106012A (zh) * 2019-12-20 2020-05-05 电子科技大学 一种实现半导体器件局域寿命控制的方法
CN111106012B (zh) * 2019-12-20 2022-05-17 电子科技大学 一种实现半导体器件局域寿命控制的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109540969B (zh) 2021-01-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105628732B (zh) 一种测量Seebeck系数的装置及其方法
CN112005105B (zh) 用于确定天然气热容量的传感器
Schafft et al. Reproducibility of electromigration measurements
CN107045993B (zh) 电迁移测试装置、电迁移测试系统及其测试方法
CN101545881A (zh) 用于测量气体浓度的方法
CN101413908B (zh) 薄膜温差电材料赛贝克系数测试系统及方法
JPH11186351A (ja) 絶縁膜評価方法および装置ならびにプロセス評価方法
US20030037590A1 (en) Method of self-testing a semiconductor chemical gas sensor including an embedded temperature sensor
CN109540969A (zh) SiC氧化中SiC-SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法
CN113406161B (zh) 一种氢气传感器芯体及其制备方法和氢气传感器
CN113588710B (zh) 一种混合气体的组分浓度检测装置及方法及应用
CN103808425A (zh) 测量多晶硅温度变化的方法
CN109932356A (zh) 一种半导体载流子类型判断及禁带宽度的测量方法
Khan et al. Accelerated stress tests and statistical reliability analysis of metal-oxide/GaN nanostructured sensor devices
CN112903145B (zh) 高低温探针台在片温度参数的校准方法及装置
CN110118804A (zh) 用于测试多个传感器装置的方法、用于该方法中的板和通过该方法生产的传感器部件
CN109283298B (zh) SiC氧化中SiC-SiO2界面碳残留浓度的测定方法及其应用
Xu et al. Improved hydrogen-sensitive properties of MISiC Schottky sensor with thin NO-grown oxynitride as gate insulator
Baroncini et al. Characterization of an embedded micro-heater for gas sensors applications
CN104362109B (zh) 监测多晶硅衬底热退火活化效果及制造多晶硅衬底的方法
CN100461362C (zh) 提高超薄等离子体氮氧化硅电性测试准确性的方法
CN102427045B (zh) 原位水汽生成工艺实时检测方法
JP6139122B2 (ja) リーク検査方法及びリーク検査装置
JP5545131B2 (ja) ボロンドープp型シリコン中の鉄濃度分析における定量分析限界決定方法
US20070024312A1 (en) Device and method for the testing of integrated semiconductor circuits on wafers

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant