CN109801840A - 一种改善SiC器件界面特征的方法及SiC器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改善SiC器件界面特征的方法及SiC器件，方法包括：在SiC衬底上形成氧化层；对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照，并在辐照的过程中，采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火，其中，紫外辐照能打断SiC与氧化层的界面缺陷的化学键，并且在紫外辐照的协助下能使N元素与界面C原子的反应更易进行，使钝化效果更彻底；在退火后的SiC衬底上完成SiC器件制备。本发明提供一种改善SiC器件界面特征的方法及SiC器件，减少了SiC器件的界面缺陷，提高了器件的可靠性。

Description

一种改善SiC器件界面特征的方法及SiC器件

技术领域

本发明涉及半导体工艺技术领域，尤其涉及一种改善SiC器件界面特征的方法及SiC器件。

背景技术

随着新型能源的发展和世界用电量的不断提升，Si功率器件已不能满足高耐压及高效率的电力转换。第三代宽禁带半导体由于其优秀的性能，在电力电子中将起到重要的作用，而SiC器件由于其更宽的禁带宽度，更大的临界击穿场强，更好的导热性能，在高压高功率应用中有着不可替代的作用。

SiC可以热生长出本征的SiO₂氧化层，在第三代半导体中有着独特的优势。但由于化合物半导体由两种元素组成，这使得氧化工艺过程中，化学变化过程变得更加复杂，尤其在界面处，半导体本身存在的C原子可能在界面处堆积，同时，C原子也有可能参与Si的氧化过程中，产生更多的缺陷，降低氧化层的质量。在界面处氧化层一侧，一般存在两种过渡层，一种是成分主导的过渡层，由于氧化不完全导致的氧原子不足，原子的化学键没有完全成键，能够捕获载流子，形成载流子陷阱；另一种是晶格不匹配主导的过渡层，晶格的不匹配产生应力，使Si-O键的键长及键角发生变化，影响界面处氧化层的电学性质，降低氧化层的质量及寿命。

可见，相比Si器件，SiC器件在界面处存在更多的缺陷，其数量可多出两个数量级，严重影响了器件的性能及氧化层寿命。SiC器件界面缺陷主要由以下构成：

1.近界面缺陷

近界面缺陷是SiC-SiO₂界面态高的重要原因之一，主要分布在距离 SiC-SiO₂界面附近的氧化层内。它分布在导带底很近的范围内，很容易对沟道内的载流子进行捕获，降低沟道的迁移率。

2.C团簇

在氧化过程中，SiC-SiO₂界面处的O原子浓度很低，C元素并不能够充分发生反应而变成气体脱离界面，这导致大量的C原子在界面处堆积，进而形成 C团簇。C团簇根据尺寸的不同，其在SiC禁带内引入的能级深度而不同。C 团簇的存在形式很可能是石墨结构，一般的氧化和退火方法不能将它有效的去除。

3.悬挂键

由于SiC与SiO₂的晶格不匹配，SiC-SiO₂界面会存在悬挂键。悬挂键能够捕获载流子，作为一种陷阱存在，对沟道的电学性质进行影响。在SiC器件中，除了Si悬挂键，C也能形成悬挂键。在Si器件中，H₂退火能够减少界面Si 引起的悬挂键，但在SiC器件中，C悬挂键数量不能通过H₂退火有效减少。

SiC器件中，界面处的缺陷降低了器件的性能及氧化层可靠性。界面缺陷在界面处会作为陷阱出现，能够捕获来自沟道的载流子。一方面，载流子被捕获，降低了沟道内的多数载流子数量，减少了形成电流的电荷；另一方面，被捕获的载流子作为相对固定的电荷，与其他自由载流子发生库伦散射，降低沟道的迁移率，以及增加了沟道电阻，使器件的功耗上升。氧化层较为深层的陷阱捕获载流子后，需要长时间对载流子进行释放，载流子可以看作固定电荷，大量的固定电荷在界面处聚集，形成的电场会对器件的阈值电压进行影响，一般会使阈值电压降低，从而使关态的漏电流增加，或者使器件更容易受到电磁干扰，导致器件错误导通或关断。除此之外，界面的被捕获的电荷能够使局部电场极大升高，导致局域发生击穿，反复的击穿在氧化层内形成栅极-沟道导电通路，发生击穿，使器件失效。

因此对界面的改善是改善器件性能，延长器件寿命，减少功耗的必要因素，急需进行研究改善。

发明内容

本发明通过提供一种改善SiC器件界面特征的方法及SiC器件，减少了SiC 器件的界面缺陷。

一方面，本发明提供了一种改善SiC器件界面特征的方法，包括：

在SiC衬底上形成氧化层；

对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照，并在辐照的过程中，采用含N 元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火，其中，紫外辐照能打断SiC与氧化层的界面缺陷的化学键，并且在紫外辐照的协助下能使N元素与界面C原子的反应更易进行，使钝化效果更彻底；

在退火后的SiC衬底上完成SiC器件制备。

可选的，对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照之前，还包括：通入惰性气体对形成氧化层后的SiC衬底进行退火降温至室温。

可选的，所述对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照，包括：将形成氧化层后的SiC衬底放在真空紫外辐照设备内，用氘灯进行紫外辐照。

可选的，将波长低于150nm的波段用滤光片滤除后进行紫外辐照。

可选的，辐照功率为20～60mW。

可选的，辐照时间为1～16小时。

可选的，所述采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火，包括：采用氮气的等离子体对所述SiC衬底进行高温退火。

可选的，所述采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火，包括：采用含N与O元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火。

可选的，所述SiC器件为SiC MOSFET或SiC IGBT。

另一方面，提供一种SiC器件，所述器件制备在SiC衬底上，所述器件SiC 衬底在形成氧化层后进行过紫外辐照，并在辐照的过程中，采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例提供的方法及器件，对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照，并在辐照的过程中，采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火，其中，紫外辐照能打断SiC与氧化层的界面缺陷的化学键，并且在紫外辐照的协助下能使N元素与界面C原子的反应更易进行，使钝化效果更彻底，从而减少SiC器件的界面缺陷。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中改善SiC器件界面特征的方法的步骤图。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种改善SiC器件界面特征的方法及SiC器件，减少了SiC器件的界面缺陷，提高了器件的可靠性。

本申请实施例中的技术方案，总体思路如下：

在SiC衬底上形成氧化层；对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照，并在辐照的过程中，采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火，其中，紫外辐照能打断SiC与氧化层的界面缺陷的化学键，并且在紫外辐照的协助下能使N元素与界面C原子的反应更易进行，使钝化效果更彻底；在退火后的 SiC衬底上完成SiC器件制备。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

在本实施例中，提供了一种改善SiC器件界面特征的方法，如图1所示，包括：

步骤S101，在SiC衬底上形成氧化层；

步骤S102，对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照，并在辐照的过程中，采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火，其中，紫外辐照能打断 SiC与氧化层的界面缺陷的化学键，并且在紫外辐照的协助下能使N元素与界面C原子的反应更易进行，使钝化效果更彻底；

步骤S103，在退火后的SiC衬底上完成SiC器件制备。

需要说明的是，步骤S102中对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照时，该SiC衬底可以是只制备了氧化层的衬底，也可以是制备了部分器件结构的衬底，还可以是已经制备了器件的衬底，在此不作限制。

在本申请实施例中，所述SiC器件可以为SiC MOSFET或SiC IGBT等器件，在此不作限制。

下面，结合图1详细介绍本实施例提供的改善SiC器件界面特征的方法：

步骤S101，在SiC衬底上形成氧化层。

具体形成氧化层的工艺不限制，可以是沉积制备、溅射制备或氧化制备，在此不作一一列举。氧化层的材质也不作限制，可以根据器件需要选择。

在形成氧化层之后，对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照之前，还包括：通入惰性气体对形成氧化层后的SiC衬底进行退火降温至室温。

步骤S102，对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照，并在辐照的过程中，采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火，其中，紫外辐照能打断 SiC与氧化层的界面缺陷的化学键，并且在紫外辐照的协助下能使N元素与界面C原子的反应更易进行，使钝化效果更彻底。

在本申请实施例中，所述对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照，包括：

将形成氧化层后的SiC衬底放在真空紫外辐照设备内，用氘灯进行紫外辐照，具体可以将波长低于150nm的波段用滤光片滤除后进行紫外辐照。辐照功率为20～60mW，辐照时间为1～16小时。

具体来讲，在氧化工艺后，对器件表面进行紫外光的照射，然后用适当气体对器件进行高温退火处理。紫外光能够透过氧化层，直接照射在器件界面处，并且，紫外线的透射深度很浅，能够直接对界面处的缺陷进行处理。高能量的紫外线能够破坏界面处的化学键，使碳团簇及其他不饱和有关C的化学键发生断裂，在退火过程中，能够更有效地去除界面处的C原子及使N对界面进行钝化。紫外光使界面的化学键破坏，这使得N元素更加容易与界面进行反应，使钝化效果更加彻底。

在本申请实施例中，在辐射过程中进行退火至少有两种方式，下面分别说明：

第一种，采用氮气的等离子体对所述SiC衬底进行高温退火。

等离子体更容易与界面化学键连接，并且在紫外辐射的协助下可以使反应更容易进行。N等离子体比NO及N2要小，更容易穿过氧化层，退火加热还能促进等离子体的扩散作用，达到更好的与界面C原子的反应效果，使钝化效果更彻底。

第二种，采用含N与O元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火。

紫外光进行辐照，破坏界面缺陷的化学键，使更多的化学键能够暴露出来，使退火更加容易进行。紫外辐射导致C团簇的化学键破坏，有利于与退火时引入的O原子进行反应，进而减少界面处的C残留，减少C团簇对界面的影响。紫外辐射时，含N与O元素的气体气氛下的高温退火能够有效改善界面特性。N元素在更多化学键暴露出来后能够更容易发生钝化；O元素能够氧化紫外光照射过的碳团簇，减少界面处的碳残留。

当然，具体过程中，退火的方法不限于上述两种，上述两种方法各有其有益效果。

步骤S103，在退火后的SiC衬底上完成SiC器件制备。

具体可以是在退火后再进行全部器件制备工艺，也可以是在退火后将未完成的部分器件制备工艺完成，也可以是退火后就进行封装等工艺，在此不作限制。

本发明使用紫外线照射SiC器件的界面，使界面的碳团簇及不饱和C 化学键发生断裂，再兼采用含氮元素的气体退火能够充分与界面C元素发生反应，减少C在界面的残留及使N元素在界面进行钝化。碳团簇的减少及N元素的钝化可以减少导带底的缺陷密度，减少载流子在界面处的捕获，改善界面的电学性质，增加器件沟道的迁移率，降低导通电阻，提高氧化层的质量。在功率器件的应用中，能增加器件沟道的迁移率，降低导通电阻，提高氧化层的质量，有效改善器件的性能及寿命。

基于同一发明构思，本申请还提供了实施例一的方法制备的器件，详见实施例二。

实施例二

本实施例提供一种SiC器件，所述器件制备在SiC衬底上，所述器件SiC 衬底在形成氧化层后进行过紫外辐照，并在辐照的过程中，采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火。

在本申请实施例中，所述SiC器件可以为SiC MOSFET或SiC IGBT等器件，在此不作限制。

由于本发明实施例二所介绍的器件，为实施本发明实施例一的方法所制备的器件，故而基于本发明实施例一所介绍的方法，本领域所属人员能够了解该器件的具体结构及变形，故而在此不再赘述。凡是本发明实施例一的方法所制备的器件都属于本发明所欲保护的范围。

本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例提供的方法及器件，对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照，并在辐照的过程中，采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火，其中，紫外辐照能打断SiC与氧化层的界面缺陷的化学键，并且在紫外辐照的协助下能使N元素与界面C原子的反应更易进行，使钝化效果更彻底，从而减少SiC器件的界面缺陷。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种改善SiC器件界面特征的方法，其特征在于，包括：

在SiC衬底上形成氧化层；

对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照，并在辐照的过程中，采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火，其中，紫外辐照能打断SiC与氧化层的界面缺陷的化学键，并且在紫外辐照的协助下能使N元素与界面C原子的反应更易进行，使钝化效果更彻底；

在退火后的SiC衬底上完成SiC器件制备。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照之前，还包括：

通入惰性气体对形成氧化层后的SiC衬底进行退火降温至室温。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对形成氧化层后的SiC衬底进行紫外辐照，包括：

将形成氧化层后的SiC衬底放在真空紫外辐照设备内，用氘灯进行紫外辐照。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将波长低于150nm的波段用滤光片滤除后进行紫外辐照。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，辐照功率为20～60mW。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，辐照时间为1～16小时。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火，包括：

采用氮气的等离子体对所述SiC衬底进行高温退火。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火，包括：

采用含N与O元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SiC器件为SiC MOSFET或SiC IGBT。

10.一种SiC器件，其特征在于，所述器件制备在SiC衬底上，所述器件SiC衬底在形成氧化层后进行过紫外辐照，并在辐照的过程中，采用含N元素的气体对所述SiC衬底进行高温退火。