CN110880451B - 一种用于SiC功率器件芯片的栅氧化层制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于SiC功率器件芯片的栅氧化层制造方法，其步骤包括：使用SiC单晶或外延片，进行热氧化前，在SiC表面进行多次P离子注入；在NO气氛下进行低温退火；进行高温热氧化；热氧化完成后不降温，直接在惰性气体的气氛下升温进行高温退火；高温退火后在惰性气体的气氛下快速降温。该方法使用P离子注入代替气氛引入缺陷元素，通过多次注入可以精确控制引入元素数量。多次注入优化元素分布保证了P注入层在热氧化过程中全部消耗。热氧化前增加NO低温退火，使P和N元素共同形成界面陷阱，降低界面态。在惰性气体气氛下高温退火，不降温，直接快速升温，有助于SiC热氧化的副产物CO或CO2排除，减少了界面处含C副产物的堆积，提升栅极可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体芯片制造工艺技术领域，具体涉及一种用于SiC功率器件芯片的栅氧化层制造方法。
背景技术
随着节能减排、智能电网的发展，这些领域对于功率半导体器件的性能指标和可靠性的要求日益提高，对于器件的工作电压、电流承载能力、工作频率及工作温度等都有了更高的要求。SiC材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高电子饱和漂移速度等特点，特别适合制作微波大功率、高压、高温、抗辐照电子器件，当前，SiC器件的研制已经成为研究热点。
作为功率器件，SiC MOS器件是关注的热点，高品质绝缘膜是SiC MOS器件工作的基础，低的界面态密度是其性能保障。然而在制备SiC功率器件过程中存在着一定的问题，第一，在SiC单晶或外延片表面生成栅氧化层时，由于SiC的结构与Si的结构不同，并且SiC和Si在禁带宽度上也不相同，因此SiC表面及其栅氧化层中出现了较多的陷阱电荷，并且造成了陷阱类型众多的问题；第二，由于SiC/SiO2的界面态密度非常的高，降低了SiC MOS器件的性能。
现有技术中的解决方案主要有两种：
1、通过低温低氧含量退火和高温热氧化的方法直接生长出低缺陷的SiC/SiO2界面。这种方法可以提升栅极可靠性，但对界面态密度的降低效果不明显；
2、通过在SiC/SiO2界面区域引入元素形成陷阱，陷阱可以降低界面态密度，但引入其他元素会对SiC器件的性能造成一定影响。现有技术中常采用引入P元素的方式形成陷阱，但是引入P元素的剂量无法精确地控制，这就造成了P元素和SiO2结合形成磷硅玻璃(PSG)，这种物质造成栅极泄漏电流的增加，影响器件长时工作的可靠性。
发明内容
为解决以上问题，并充分考虑SiC/SiO2界面态密度以及引入P元素剂量的问题，本发明采用在对器件进行热氧化后采用NO气氛进行退火处理，该方法能够有效的降低导带底附近的界面态密度，从而提高SiC MOSFET器件的沟道迁移率；在进行热氧化前，在SiC表面进行多次P离子注入。在注入过程中，精确控制注入次数、注入能量和注入剂量，以保证注入的P元素不会与SiO2形成磷硅玻璃。
根据本发明的一个方面，一种用于SiC功率器件芯片的栅氧化层制造方法，包括如下步骤：步骤一、提供SiC单晶或外延片，在所述SiC单晶或外延片上表面进行光刻定义离子注入区；在SiC单晶或外延片的外表面的离子注入区进行P离子注入；步骤二、在NO气氛下进行低温退火；步骤三、在氧气气氛下进行高温热氧化；步骤四、在热氧化完成后不降温，直接在惰性气体的气氛下升温进行高温退火；步骤五、高温退火后，在惰性气体气氛下进行快速降温。
优选地，所述P离子注入的步骤包括：在SiC单晶或外延片外表面进行至少三次离子注入；所述至少三次离子注入第一次注入的能量不大于15KeV，剂量不高于5×1014个离子/平方厘米。第二次注入的能量不大于10KeV，剂量不高于4×1014个离子/平方厘米，第三次注入的能量不大于5KeV，剂量不高于1×1014个离子/平方厘米。
优选地，所述步骤二中进行所述低温退火的时间为15-30分钟，温度为800℃-900℃。
优选地，所述高温热氧化的温度为1300℃-1400℃。
优选地，所述高温退火的升温速度大于30℃/分钟，小于100℃/分钟。退火时间为3-10分钟。
优选地，所述高温退火的温度比所述高温热氧化的温度至少高100℃，不超过300℃。
优选地，所述快速降温后温度达到800℃-900℃，所述快速降温的降温速率大于50℃/min，快速降温的时间为30min-60min。
优选地，所述惰性气体为氩气。
本发明提供的一种用于SiC功率器件芯片的栅氧化层制造方法，通过控制P离子的注入剂量和能量，以及通过调整SIC栅级制备工艺流程可以实现以下有益效果：
1、该方法使用离子注入代替气氛引入缺陷元素，通过多次注入可以精确控制引入元素数量，既保证消除缺陷的效果，又不会引入过多的P元素导致栅极可靠性下降。
2、多次注入优化元素分布保证了P注入层在热氧化过程中全部消耗。热氧化前增加NO低温退火，是P和N元素共同形成界面陷阱，降低界面态密度。
3、热氧化完成后不降温，直接在Ar气氛下升温进行高温退火。直接快速升温，有助于SiC热氧化的副产物CO或CO2排除，减少了界面处含C副产物的堆积，提升栅极可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例中定义P离子注入区的SiC单晶或外延片结构示意图。
光刻胶1，离子注入区2。
具体实施方式
现在将参照若干示例性实施例来论述本发明的内容。应当理解，论述了这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。
如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”要被解读为“至少一个其他实施例”。
本发明实施例提出的具有高可靠性的SiC器件的栅氧化层制造方式如下步骤：
步骤一、提供SiC单晶或外延片，在SiC单晶或外延片的外表面通过光刻刻蚀工艺定义离子注入区，在离子注入区进行P离子注入。注入P离子过程中，注入次数至少为三次，注入能量和剂量逐渐降低，第一次注入的能量不大于15KeV，剂量不高于5×1014个离子/平方厘米。第二次注入的能量不大于10KeV，剂量不高于4×1014个离子/平方厘米，第三次注入的能量不大于5KeV，剂量不高于1×1014个离子/平方厘米。
步骤二、在NO气氛下进行15-30min的低温退火，温度800-900℃。
步骤三、在氧气气氛下进行高温热氧化，热氧化温度1300-1400℃。
步骤四、在对SiC单晶或外延片的热氧化完成后不降温，直接在Ar气氛下升温进行高温退火，该高温退火的温度比高温热氧化的温度至少高100℃，不超过300℃。升温速度大于30℃/分钟，小于100℃/分钟。退火时间3-10℃。
在Ar气氛下进行高温退火，不降温，直接快速升温，有助于SiC热氧化的副产物CO或CO2排除，减少了界面处含C副产物的堆积。
步骤五、高温退火后快速降温到800-900℃，降温速率大于50℃/min，退火30min-60min，退火和降温都使用Ar气氛。
实施例
如图1所示，步骤1：选用SiC N型外延片。在SiC表面通过光刻胶1划分出离子注入区2，使用光刻刻蚀工艺刻蚀出离子注入区2，并进行三次P离子注入，第一次注入的能量为15KeV，剂量为5×1014。第二次注入的能量为10KeV，剂量为3×1014，第三次注入的能量为5KeV，剂量为1×1014。
步骤2：在NO气氛下进行15min的低温退火，温度850℃。
步骤3：进行高温热氧化(氧气气氛)，热氧化温度1400℃。
步骤4：热氧化完成后不降温，直接在Ar气氛下升温进行高温退火，升温速度大于30℃/min，退火时间3min，退火温度为1550℃。
步骤5：高温退火后快速降温到800℃，降温速率70℃/min，退火360min，退火和降温都使用Ar气氛。
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，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，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 (4)
1.一种用于SiC功率器件芯片的栅氧化层制造方法，其特征在于，包括如下步骤：图示
步骤一、提供SiC单晶或SiC外延片，在所述SiC单晶或SiC外延片上表面进行光刻定义离子注入区；在SiC单晶或SiC外延片的外表面的离子注入区进行P离子注入；
步骤二、在NO气氛下进行低温退火；
步骤三、在氧气气氛下进行高温热氧化；
步骤四、在热氧化完成后不降温，直接在惰性气体的气氛下升温进行高温退火；
步骤五、高温退火后，在惰性气体气氛下进行快速降温；
所述步骤二中进行所述低温退火的时间为15-30分钟，温度为800℃-900℃；
所述高温热氧化的温度为1300℃-1400℃；
所述高温退火的升温速度大于30℃/分钟，小于100℃/分钟，退火时间为3-10分钟；
所述高温退火的温度比所述高温热氧化的温度至少高100℃，不超过300℃。
2.如权利要求1所述的用于SiC功率器件芯片的栅氧化层制造方法，其特征在于，所述P离子注入的步骤包括：在SiC单晶或SiC外延片外表面进行至少三次离子注入；所述至少三次离子注入第一次注入的能量不大于15KeV，剂量不高于5×1014个离子/平方厘米， 第二次注入的能量不大于10KeV，剂量不高于4×1014个离子/平方厘米，第三次注入的能量不大于5KeV，剂量不高于1×1014个离子/平方厘米。
3.如权利要求1所述的用于SiC功率器件芯片的栅氧化层制造方法，所述快速降温后温度达到800℃-900℃，所述快速降温的降温速率大于50℃/min，快速降温的时间为30min-60min。
4.如权利要求1所述的用于SiC功率器件芯片的栅氧化层制造方法，所述惰性气体为氩气。
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