CN109545687B - 基于交流电压下微波等离子体氧化的凹槽mosfet器件制造方法 - Google Patents
基于交流电压下微波等离子体氧化的凹槽mosfet器件制造方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于交流电压下微波等离子体氧化的凹槽MOSFET器件制造方法，包括：步骤一、提供具有凹槽结构的碳化硅衬底，并将其放在微波发生装置中；步骤二、加入含氧气体，在交流电压下将其电离，产生氧等离子体；步骤三、通过所述交流电压控制所述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凹槽侧壁与凹槽底部厚度相等的氧化层，其中，当碳化硅衬底电压为负值时，氧离子到达碳化硅界面，并与碳化硅发生氧化反应，之后改变交流电压偏置方向，电子到达界面，与界面处残留的碳簇反应，生成CO；步骤四、停止通入含氧气体，反应结束。本发明可以有效地去除碳化硅氧化时界面残留的碳簇，改善界面质量，修复界面损伤，并且能够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，具体涉及一种基于交流电压下微波等离子体氧化的凹槽MOSFET器件制造方法。
背景技术
碳化硅(SiC)材料因其优异的物理特性(禁带宽度大、击穿场强高，热导率大)成为电力电子器件的理想材料，由于其属于单极性器件，SiC MOSFETs的开关速度比Si IGBT更快，损耗更小。另外，由于其导通电阻相比于Si MOSFETs更低，使得SiC MOSFETs器件成为当前研究的热点。而其中最受关注的为SiC MOSFET器件的栅氧工艺。
SiC MOSFET可以直接通过热氧制备。然而，相比于Si，SiC的氧化温度很高，要达到1300℃。目前SiC氧化主要是采用电阻加热方式的氧化炉，在1300℃下，氧气分子与SiC材料反应生成的SiO2，由于此反应在热平衡条件下进行，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。另外，高温氧化还会造成界面损伤，降低氧化效率。
近来，一些人提出在低温下利用等离子体氧化SiC的方法，可改善了界面质量。然而此方法的氧化效率较低，获得较厚栅氧所需的氧化时间较长。另外，在此过程中，界面处的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。
而且，利用热氧方式对碳化硅进行氧化时，不同晶向上的氧化速率相差很大，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制备SiC UMOSFET，凹槽侧壁氧化层厚度将会是底部的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。
由于沟道是凹槽的侧壁的垂直沟道，开启时需要提供很大的栅压。但是，由于侧壁栅氧很厚，就有可能出现栅极电压很大时，器件仍未开启，而此时底部栅氧中的电场强度已经达到临界击穿电场的现象。继续加大栅压会导致底部氧化层发生击穿，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交流电压下微波等离子体氧化的凹槽MOSFET器件制造方法，可以形成低界面态、凹槽侧壁与底部厚度均匀的栅氧层。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于交流电压下微波等离子体氧化的凹槽MOSFET器件制造方法，包括：
步骤一、提供具有凹槽结构的碳化硅衬底，并将其放在微波发生装置中；
步骤二、加入含氧气体，在交流电压下将其电离，产生氧等离子体；
步骤三、通过所述交流电压控制所述等离子体中的氧离子与电子的运动，氧化过程中等离子体的化学反应速率远远大于碳的扩散效应，在所述碳化硅衬底上生成凹槽侧壁与凹槽底部厚度相等的氧化层，其中，当碳化硅衬底电压为负值时，氧离子到达碳化硅界面，并与碳化硅发生氧化反应，之后改变交流电压偏置方向，电子到达界面，与界面处残留的碳簇反应，生成CO；
步骤四、停止通入含氧气体，反应结束。
优选地，所述电压为方波电压，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：
本发明能够在界面处实现热力学非平衡条件，有效降低在界面处的碳残留及缺陷密度，修复界面损伤，提高界面处载流子的迁移率。
本发明可形成均匀栅介质层，实现凹槽侧壁与底部的栅氧厚度大致相等，在一定栅压下，器件能够正常开启，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为热氧方法下的凹槽界面示意图；
图3A为理想情况下热力学非平衡态的界面；
图3B为常规氧化条件下热力学平衡态的界面；
图4为本发明实施例中对等离子体施加交流电压的示意图；
图5为本发明实施例中凹槽MOSFET器件的制备流程图。
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。
在热力学非平衡条件下，可实现SiC热氧后的理想界面，如图3A所示。然而，电热炉加热的方式，使得在界面处的反应处于热平衡的条件，导致SiC/SiO2界面有一过渡层，如图3B所示。此过渡层中会残留碳簇，含有Si、C悬挂键，以及Si-O-C等键，进而在栅氧中形成散射中心，对界面处的载流子产生散射作用，降低其迁移率，同时会导致栅氧漏电，器件无法正常工作。
另外，SiC在不同晶向上的氧化速率是不同的，例如，沿着a轴方向的氧化速率比c轴方向的大3-5倍。
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，如图4所示，利用交流电控制等离子体的原子运动，使得电子和离子分别对应交流电的上下两种波形，在碳化硅表面利用正的偏置电压使电子靠近，可以利用电子的还原性起作用。而利用负的偏置电压可以吸引带正电荷的离子靠近，使它产生氧化反应。因此利用上述交流反应，可以使氧化物的形成按照氧化还原的节奏交替进行，当形成一个薄层氧化层的时候，氧化结束，这时改变外加偏置电压的脉冲方向，使电子靠近，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，可以有效的改变界面处的缺陷数量，从而降低碳残留，提高迁移率，进而提高器件的驱动电流。在氧化过程中，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。在上述氧化条件下实现等离子体的化学反应速率远远大于碳的扩散效应，实现氧化速率的各向同性，进而得到凹槽底部与侧壁厚度相等的氧化层。
在本发明的实施例中，所述交流电压为方波电压，周期为10-30s，电压幅值为5V，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。
基于上述碳化硅氧化方法，本发明提出了一种基于交流电压下微波等离子体氧化的凹槽MOSFET器件制造方法，所述制造方法包括：
步骤一、提供具有凹槽结构的碳化硅衬底，并将其放在微波发生装置中；
步骤二、加入含氧气体，在交流电压下将其电离，产生氧等离子体；
步骤三、通过所述交流电压控制所述等离子体中的氧离子与电子的运动，氧化过程中等离子体的化学反应速率远远大于碳的扩散效应，在所述碳化硅衬底上生成凹槽侧壁与凹槽底部厚度相等的氧化层，其中，当碳化硅衬底电压为负值时，氧离子到达碳化硅界面，并与碳化硅发生氧化反应，之后改变交流电压偏置方向，电子到达界面，与界面处残留的碳簇反应，生成CO；
步骤四、停止通入含氧气体，反应结束。
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。
在本发明的实施例中，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5所示，凹槽MOSFET器件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氧化的凹槽MOSFET器件制造方法，包括：
步骤一、提供具有凹槽结构的碳化硅衬底，并将其放在微波发生装置中；
步骤二、加入含氧气体，在交流电压下将其电离，产生氧等离子体；
步骤三、通过所述交流电压控制所述等离子体中的氧离子与电子的运动，氧化过程中等离子体的化学反应速率远远大于碳的扩散效应，在所述碳化硅衬底上生成凹槽侧壁与凹槽底部厚度相等的氧化层，其中，当碳化硅衬底电压为负值时，氧离子到达碳化硅界面，并与碳化硅发生氧化反应，之后改变交流电压偏置方向，电子到达界面，与界面处残留的碳簇反应，生成CO；
步骤四、停止通入含氧气体，反应结束。
2.根据权利要求1所述的制造方法，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所述的制造方法，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所述的制造方法，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。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其中，等离子放电时间为400-1000s。
7.根据权利要求1所述的制造方法，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所述的制造方法，其中，所述混合气中氧气含量为30-90vol.%。
9.根据权利要求1所述的制造方法，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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