CN110783173A - 一种在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，包括以下步骤：(1)在第一温度下，氧气气氛中，在碳化硅衬底表面形成氧化层；(2)在第二温度下，氩气气氛中，将步骤(1)中形成氧化层的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理；(3)在第三温度下，在湿氧气气氛中，将步骤(2)中形成氧化层的碳化硅衬底进行湿氧气再氧化处理；(4)在第二温度下，一氧化氮气氛或者一氧化二氮气氛中，将步骤(3)中形成氧化层的碳化硅衬底进行第二次高温热退火处理；(5)将温度降低至执行卸载工艺所要求的温度，将步骤(4)中形成氧化层的碳化硅衬底卸载。本发明提供的栅氧化层的制造方法，能够有效降低界面态密度以及氧化层固定电荷数量，从而提高栅氧化层的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，特别涉及一种在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法。
背景技术
自从微电子技术发展以来，硅基半导体器件如二极管、场效应晶体管等占据着功率器件的主导地位。但是，随着技术的不断提升以及人们对器件性能需求的增大，硅基器件的性能已经逐渐逼近其材料论极限。碳化硅材料器件由于其在高温、高频率、高压、大功率以及抗辐射等方面的巨大优势使其脱颖而出。而作为主要产品的碳化硅基金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)也广泛应用于航空航天、混合动力车辆、列车牵引设备、高压直流输电设备等重要领域。
尽管碳化硅MOSFET已经发展至今，但是其性能尤其是栅氧化层质量方面还有非常巨大的研究和提升空间。栅氧化层界面质量不好、界面态密度高、沟道迁移率低等因素严重影响着碳化硅MOSFET的电学性能及可靠性。这种因素不仅和处理栅氧化层的方式有关，也和生长栅氧化层的方法相关。
目前在碳化硅栅氧化层的制造方法中，通常先在氧气环境中使用热氧化的方法形成50-100纳米厚度的氧化层，然后再进行高温下退火以降低界面态密度和陷阱电荷的数量。然而这种常规的制造方法并不能使界面态陷阱电荷数量和氧化层电荷有效地降低。因为形成栅氧化层后，碳化硅和氧化硅界面处会有大量的不饱和悬挂键。而在后续进行的退火中由于氧化层厚度较厚不能够使得退火的气体到达界面从而不能和界面处的不饱和悬挂键反应。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了本发明提供了一种在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，该方法能够有效降低界面态密度以及氧化层固定电荷数量，从而提高栅氧化层的性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，包括以下步骤：
(1)在第一温度下，氧气气氛中，在碳化硅衬底表面形成氧化层；
(2)在第二温度下，氩气气氛中，将步骤(1)中形成氧化层的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理；
(3)在第三温度下，在湿氧气气氛中，将步骤(2)中形成氧化层的碳化硅衬底进行湿氧气再氧化处理；
(4)在第二温度下，一氧化氮气氛或者一氧化二氮气氛中，将步骤(3)中形成氧化层的碳化硅衬底进行第二次高温热退火处理；
(5)降低温度，将步骤(4)中形成氧化层的碳化硅衬底卸载。
本技术方案中，优选地，第一温度、第二温度、以及第三温度分别为1100-1250℃、1100-1300℃和800-1000℃。
优选地，步骤(2)中的第一次高温热退火处理的处理时间为1-2小时，步骤(4)中的第二次高温热退火处理的处理时间为1-2小时。
优选地，步骤(3)中，湿氧气再氧化处理的处理时间为1-3小时。
优选地，步骤(1)中，氧化层的厚度为35-40nm；
优选地，步骤(1)中，氧气的流量为1-1.2slm/min，步骤(2)中，氩气的流量为1-1.2slm/min，步骤(3)中，湿氧气的流量为1-1.2slm/min，步骤(4)中，一氧化氮的流量为0.8-1slm/min，一氧化二氮的流量为0.8-1slm/min。
优选地，步骤(1)中，气体的压强为900-1000mbar。
优选地，步骤(2)和步骤(3)中，气体的压强为800-900mbar。
优选地，步骤(4)中，气体的压强为900-1000mbar。
优选地，步骤(1)中的第一温度变化至步骤(2)中的第二温度过程中的温度变化速率为5-10℃/min，：步骤(2)中的第二温度变化至步骤(3)中的第三温度过程中的温度变化速率为5-10℃/min，步骤(3)中的第三温度变化至步骤(4)中的第二温度过程中的温度变化速率为5-10℃/min。
优选地，在所述碳化硅衬底进行卸载工艺前，采用10-15℃/min的降温度率，将反应腔体的温度降低至卸载工艺所要求的温度，卸载温度小于等于400℃。
有益效果
本发明提供的栅氧化层的制造方法，在碳化硅衬底上首先使用热氧化的方式生长一层氧化层，然后进行氩气氛围高温退火，接着在湿氧环境中对所形成的的氧化层进行湿氧再氧化工艺；最后在一氧化氮或者一氧化二氮的气体氛围下，对形成氧化层的碳化硅衬底进行第二次高温退火处理，减小氧化层和碳化硅衬底之间的界面态密度，提高栅氧化层的性能。
本发明首先在碳化硅衬底上首先使用热氧化的方式生长一层氧化层，由于热氧化生长的氧化层比较致密，而且生长速率比较容易控制，能够使得所生长的氧化层厚度可控并且氧化层抗击穿能力强。其次对氧化层进行氩气氛围高温退火，氩气气氛的高温退火可以减少栅氧化层中的电荷和可动离子，以改善栅氧化层的质量，提升可靠性。接着在湿氧环境中对所形成的的氧化层进行湿氧再氧化工艺，湿氧中的氢离子对栅氧化层有一定的钝化作用，可以提升所制作器件的阈值电压。最后对栅氧化层进行氮氧化物的高温退火处理，氮氧化物中的氮原子可以进入到SiC/SiO2界面并和不饱和的硅原子进行反应生成稳定的Si-N化学键，与此同时氧原子会和界面处的碳原子反应生成碳氧化合物气体离开栅氧化层，这两种情况会降低界面处的不饱和悬挂键和弹团簇，从而减小氧化层和碳化硅衬底之间的界面态密度，改善界面质量，提高栅氧化层的性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法流程示意图；
图2为本发明实施例的栅氧化层制造方法获得的材料结构示意图。
附图中：
1、碳化硅衬底 2、第一氧化层 3、第二氧化层
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
图1为本发明在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法流程示意图，图2为本发明实施例的栅氧化层制造方法获得的结构示意图，如图1和图2所示，本发明提出了一种在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，包括以下步骤：
(1)首先提供碳化硅衬底1，上载至高温炉管中；
(2)将炉管压强设置为950mbar，将炉管内温度以8℃/min的升温速率升至1200℃；
(3)向炉管中通入氧气，氧气流量为1.1slm/min，在碳化硅衬底表面以热氧化的方式形成厚度为38nm的第一氧化层2；
(4)将炉管压强设置为850mbar，将炉管内温度以8℃/min的速率升至1200℃，向炉管中通入氩气，氩气流量为1.1slm/min，将形成第一氧化层2的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理，时间为1.5小时；
(5)将炉管内温度以8℃/min的速率降至900℃，向炉管中通入湿氧气，湿氧气的流量为1.1slm/min，将所成第一氧化层2的碳化硅衬底进行湿氧再氧化工艺处理，时间为2小时；
(6)将炉管压强设置为950mbar，将炉管内温度以8℃/min的速率升至1250℃，向炉管中通入一氧化二氮，一氧化二氮的流量为1slm/min，将具有第一氧化层2的碳化硅衬底进行第二次高温热退火处理，形成第二氧化层3，退火时间为1.5小时；
(7)将炉管内温度以15℃/min的速率降至400℃，将碳化硅衬底卸载完成。
实施例2：
图1为本发明在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法流程示意图，图2为本发明实施例的栅氧化层制造方法获得的结构示意图，如图1和图2所示，本发明提出了一种在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，包括以下步骤：
(1)首先提供碳化硅衬底1，上载至高温炉管中；
(2)将炉管压强设置为900mbar，将炉管内温度以5℃/min的升温速率升至1100℃；
(3)向炉管中通入氧气，氧气流量为1slm/min，在碳化硅衬底表面以热氧化的方式形成厚度为35nm的第一氧化层2；
(4)将炉管压强设置为800mbar，将炉管内温度以5℃/min的速率升至1100℃，向炉管中通入氩气，氩气流量为1slm/min，将形成第一氧化层2的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理，时间为1小时；
(5)将炉管内温度以5℃/min的速率降至800℃，向炉管中通入湿氧气，湿氧气的流量为1slm/min，将所成第一氧化层2的碳化硅衬底进行湿氧再氧化工艺处理，时间为1小时；
(6)将炉管压强设置为900mbar，将炉管内温度以5℃/min的速率升至1300℃，向炉管中通入一氧化氮，一氧化氮的流量为0.9slm/min，将具有第一氧化层2的碳化硅衬底进行第二次高温热退火处理，形成第二氧化层3，退火时间为1小时；
(7)将炉管内温度以12℃/min的速率降至350℃，将碳化硅衬底卸载完成。
实施例3：
图1为本发明在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法流程示意图，图2为本发明实施例的栅氧化层制造方法获得的结构示意图，如图1和图2所示，本发明提出了一种在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，包括以下步骤：
(1)首先提供碳化硅衬底1，上载至高温炉管中；
(2)将炉管压强设置为1000mbar，将炉管内温度以10℃/min的升温速率升至1250℃；
(3)向炉管中通入氧气，氧气流量为1.2slm/min，在碳化硅衬底表面以热氧化的方式形成厚度为40nm的第一氧化层2；
(4)将炉管压强设置为900mbar，将炉管内温度以15℃/min的速率升至1300℃，向炉管中通入氩气，氩气流量为1.2slm/min，将形成第一氧化层2的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理，时间为2小时；
(5)将炉管内温度以10℃/min的速率降至950℃，向炉管中通入湿氧气，湿氧气的流量为1.5slm/min，将所成第一氧化层2的碳化硅衬底进行湿氧再氧化工艺处理，时间为3小时；
(6)将炉管压强设置为1000mbar，将炉管内温度以10℃/min的速率升至1100℃，向炉管中通入一氧化二氮，一氧化二氮的流量为0.8slm/min，将具有第一氧化层2的碳化硅衬底进行第二次高温热退火处理，形成第二氧化层3，退火时间为2小时；
(7)将炉管内温度以10℃/min的速率降至300℃，将碳化硅衬底卸载完成。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在第一温度下，氧气气氛中，在碳化硅衬底表面形成氧化层；
(2)在第二温度下，氩气气氛中，将步骤(1)中形成氧化层的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理；
(3)在第三温度下，在湿氧气气氛中，将步骤(2)中形成氧化层的碳化硅衬底进行湿氧气再氧化处理；
(4)在第二温度下，一氧化氮气氛或者一氧化二氮气氛中，将步骤(3)中形成氧化层的碳化硅衬底进行第二次高温热退火处理；
(5)降低温度，将步骤(4)中形成氧化层的碳化硅衬底卸载。
2.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，其特征在于：所述第一温度、第二温度、以及第三温度分别为1100-1250℃、1100-1300℃和800-1000℃。
3.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的第一次高温热退火处理的处理时间为1-2小时，所述步骤(4)中的第二次高温热退火处理的处理时间为1-2小时。
4.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，湿氧气再氧化处理的处理时间为1-3小时。
5.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，氧化层的厚度为35-40nm。
6.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述氧气的流量为1-1.2slm/min，所述步骤(2)中，所述氩气的流量为1-1.2slm/min，所述步骤(3)中，所述湿氧气的流量为1-1.2slm/min，所述步骤(4)中，一氧化氮的流量为0.8-1slm/min，一氧化二氮的流量为0.8-1slm/min。
7.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，气体的压强为900-1000mbar。
8.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，其特征在于：所述步骤(2)和步骤(3)中，气体的压强为800-900mbar。
9.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，气体的压强为900-1000mbar。
10.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅氧化层的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的第一温度变化至步骤(2)中的第二温度过程中的温度变化速率为5-10℃/min，：所述步骤(2)中的第二温度变化至步骤(3)中的第三温度过程中的温度变化速率为5-10℃/min，所述步骤(3)中的第三温度变化至步骤(4)中的第二温度过程中的温度变化速率为5-10℃/min。
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