CN111785612B - 一种vdmos功率器件用二氧化硅层的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种VDMOS功率器件用二氧化硅层的制备方法，二氧化硅层采用低压工艺生长，生长前对所用石英晶舟，碳化硅桨用酸液进行清洗；将硅衬底片装在晶舟上，然后将晶舟放置在碳化硅桨上；从炉管当前的750℃升到800℃，通入氧气；通入气态三氯乙烯作为生长辅助气体，然后进行湿氧化；通入氧气，通入三氯乙烯气体；将温度从800℃降至750℃，保持通入氮气待硅衬底片温度降低至30~50℃后从晶舟上取出，至此整套工艺完成，硅衬底上形成了二氧化硅层，之后测量监控片二氧化硅层的厚度。降低了炉管内部集聚的颗粒等杂质的含量；降低层错缺陷产生几率，显著提高了二氧化硅层质量。

Description

一种VDMOS功率器件用二氧化硅层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种二氧化硅层的制备方法，尤其涉及一种VDMOS功率器件用二氧化硅层的制备方法。
背景技术
VDMOS功率器件属于功率器件的一种，在其发展的过程中，为了更好的控制栅极漏电水平，它的器件结构和加工工艺也都在不同程度的变化或演变，但其基本结构仍然被传承至今。VDMOS功率器件的基本结构包含硅衬底、外延、源极和漏极掺杂、栅极金属或多晶硅和栅极二氧化硅层。在实际应用时，栅极与源极或栅极与漏极间，电场最强的地方，基本都出现在栅极二氧化硅层上。所以，栅极二氧化硅层相关的清洗，氧化，刻蚀等工艺都是反复试验的部分，其中最主要的工艺是栅极二氧化硅层。栅极氧化诱生的层错缺陷导致栅极漏电失效，它的质量优劣直接关系到VDMOS功率器件的电学性能。
栅极二氧化硅层的优劣与硅片本身的质量存在很大的关系，VDMOS功率器件采用直拉单晶硅片进行加工，直拉单晶时的氧元素沉淀为这些缺陷生长的原始基础，氧沉淀的浓度越高，后续生长出的氧化诱生层错缺陷越多；在硅片加工时，可通过一定气体氛围、温度、升降温速率进行优化改善，在硅的表面形成一层无缺陷的二氧化硅层区域，为后续的VDMOS功率器件加工提供良好的基础。
发明内容
本发明的目的是克服现有VDMOS功率器件的二氧化硅层因氧化诱生的层错缺陷导致漏电失效的问题，通过降低工艺温度和调整气体流量抑制层错缺陷生成几率；在栅极二氧化硅层生长时通入大流量的氮气进行保护，阻止炉管外的颗粒进入炉管内，同时采用减缓升降温速率的方式显著改善了热应力，获得一种VDMOS功率器件用低缺陷二氧化硅层的制备方法。
本发明采取的技术方案是：一种VDMOS功率器件用二氧化硅层的制备方法，其特征在于，步骤如下：
第一步、二氧化硅层采用低压工艺生长，生长前需要对所用石英晶舟，碳化硅桨用酸液进行清洗，以清除吸附晶舟卡槽内壁和碳化硅桨表面的附着物，给炉子内的炉管加热，温度设定为750 ℃，通入工艺氮气进行保护，工艺氮气流量设定为12 L/min，通入时间为5min，之后加大工艺氮气流量，流量设定为20 L/min，在高温下对炉管前期沉积的颗粒通过吹扫方式进行去除，吹扫时间设定为10min，之后将工艺氮气流量恢复到12 L/min，将炉管升温速率设为10℃/min，当炉管温度升至750℃后，稳定15min；
第二步、将硅衬底片装在晶舟上，然后将晶舟放置在碳化硅桨上，从炉口将碳化硅桨送入到炉管内，移动速度为20cm/min，10min后硅衬底片放置完毕，硅衬底片参考面位置统一向上；炉口，炉中，炉尾分别放置一片监控片，监控片为N型抛光片，电阻率10~20Ω·cm，晶向<100>，厚度610~640μm；
第三步、从炉管当前的750℃升到800℃，升温速率为2℃/min，需要25min升至800℃，通入200mL/min的氧气，然后稳定5min，升温至800℃后保持稳定5min，之后恒温800℃保持351min；
第四步、通入气态三氯乙烯作为生长辅助气体，流量设定50mL/min，时间为190min，通入氧气，流量设定9L/min，生长时间为190min，然后进行湿氧化，氧气流量设定900mL/min，氮气停止通入；
第五步、通入氧气，流量设定7L/min，时间151min，通入氢气，流量设定10.5L/min，时间151min，通入三氯乙烯气体，流量设定50mL/min，时间151min，之后只保留氧气，流量设定9L/min，时间10min；
第六步、将温度从800℃降至750℃，降速2℃/min，仅通入工艺氮气进行保护，流量设定12L/min，时间25min；之后进行冷却，时间20min，保持通入氮气，流量设定12L/min，待硅衬底片温度降低至30~50℃后从晶舟上取出，至此整套工艺完成，硅衬底上形成了二氧化硅层，之后测量监控片二氧化硅层的厚度。
所述硅衬底片直径为150 mm，电阻率低于0.02 Ω·cm。
二氧化硅层厚度为77~93nm。
本发明的有益效果是，通过二氧化硅层生长前大流量氮气的长时间吹扫，净化了氧化设备的反应炉管，降低了炉管内部集聚的颗粒等杂质的含量。传统方法升温速率为5℃/min，降温速率为3℃/min，此种方法容易造成应力积累，破坏二氧化硅的质量，本发明采用升温速率为2℃/min，降温速率为2℃/min的方法，使升降温阶段积累的应力可以及时释放，优化了二氧化硅的质量。传统方法生长的二氧化硅的电压耐受能力60V左右，并容易出现层错缺陷问题，本发明制备完毕的二氧化硅层，电压耐受能力为70V以上，耐压能力得到显著提高，降低层错缺陷产生几率，显著提高了二氧化硅层质量。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细说明。
实施例1
第一步、二氧化硅层采用低压工艺生长，生长前需要对所用石英晶舟，碳化硅桨用酸液进行清洗，以清除吸附晶舟卡槽内壁和碳化硅桨表面的附着物。给炉子内的炉管加热，温度设定为750 ℃，通入工艺氮气进行保护，工艺氮气流量设定8 L/min，通入时间为5min，之后加大工艺氮气流量，流量设定为30 L/min，在高温下对炉管前期沉积的颗粒等残余物质通过吹扫方式进行去除，吹扫时间设定为10min，之后将工艺氮气流量恢复到8 L/min，将炉管升温速率设为10℃/min，当炉管温度升至750℃后，稳定15min。
第二步、将硅衬底片装在晶舟上，然后将晶舟放置在碳化硅桨上，从炉口将碳化硅桨送入到炉管内，移动速度为20cm/min，10min后硅衬底片放置完毕，硅衬底片参考面位置统一向上；炉口，炉中，炉尾分别放置一片监控片，监控片为N型抛光片，电阻率15Ω·cm，晶向<100>，厚度625μm。
第三步、从炉管当前的750℃升到850℃，升温速率为2℃/min，需要25min升至800℃，通入200mL/min的氧气，然后稳定5min，升温至850℃后保持稳定5min，之后恒温850℃保持351min。
第四步、通入气态三氯乙烯作为生长辅助气体，流量设定30mL/min，时间为190min，通入氧气，流量设定9L/min，生长时间为190min，然后进行湿氧化，氧气流量设定900mL/min，氮气停止通入。
第五步、通入氧气，流量设定7L/min，时间151min，通入氢气，流量设定10.5L/min，时间151min，通入三氯乙烯气体，流量设定30mL/min，时间151min，之后只保留氧气，流量设定9L/min，时间10min。
第六步、将温度从850℃降至750℃，降速2℃/min，仅通入工艺氮气进行保护，流量设定8L/min，时间50min；之后进行冷却，时间20min，保持通入氮气，流量设定8L/min；待硅衬底片温度降低至50℃后从晶舟上取出；至此整套工艺完成，硅衬底上形成了二氧化硅层，之后测量监控片二氧化硅层的厚度。
实施例1工艺氮气流量设定为8L/min，吹扫时工艺氮气流量设定为30L/min，三氯乙烯流量设定为30mL/min，工艺温度850℃，制得的氧化片，铬酸腐蚀后出现了层错缺陷，二氧化硅层厚度为90nm，电压耐受能力为46V，不满足耐压指标68~73V要求。
实施例2
第一步、二氧化硅层采用低压工艺生长，生长前需要对所用石英晶舟，碳化硅桨用酸液进行清洗，以清除吸附晶舟卡槽内壁和碳化硅桨表面的附着物。给炉子内的炉管加热，温度设定为750 ℃，通入工艺氮气进行保护，工艺氮气流量设定10 L/min，通入时间为5min，之后加大工艺氮气流量，流量设定为40 L/min，在高温下对炉管前期沉积的颗粒等残余物质通过吹扫方式进行去除，吹扫时间设定为10min，之后将工艺氮气流量恢复到10 L/min，将炉管升温速率设为10℃/min，当炉管温度升至750℃后，稳定15min。
第二步、将硅衬底片装在晶舟上，然后将晶舟放置在碳化硅桨上，从炉口将碳化硅桨送入到炉管内，移动速度为20cm/min，10min后硅衬底片放置完毕，硅衬底片参考面位置统一向上；炉口，炉中，炉尾分别放置一片监控片，监控片为N型抛光片，电阻率15Ω·cm，晶向<100>，厚度625μm。
第三步、从炉管当前的750℃升到850℃，升温速率为2℃/min，需要25min升至800℃，通入200mL/min的氧气，然后稳定5min；升温至850℃后保持稳定5min，之后恒温850℃保持351min。
第四步、通入气态三氯乙烯作为生长辅助气体，流量设定40mL/min，时间为190min，通入氧气，流量设定9L/min，生长时间为190min，然后进行湿氧化，氧气流量设定900mL/min，氮气停止通入。
第五步、通入氧气，流量设定7L/min，时间151min，通入氢气，流量设定10.5L/min，时间151min，通入三氯乙烯气体，流量设定40mL/min，时间151min，之后只保留氧气，流量设定9L/min，时间10min。
第六步、将温度从850℃降至750℃，降速2℃/min，仅通入工艺氮气进行保护，流量设定10L/min，时间50min；之后进行冷却，时间20min，保持通入氮气，流量设定10L/min；待硅衬底片温度降低至50℃后从晶舟上取出；至此整套工艺完成，硅衬底上形成了二氧化硅层，之后测量监控片二氧化硅层的厚度。
实施例2工艺氮气流量设定为10L/min，吹扫时工艺氮气流量设定为40L/min，三氯乙烯流量设定为40mL/min，工艺温度850℃，制得的氧化片，铬酸腐蚀后出现了层错缺陷，二氧化硅层厚度为92nm，电压耐受能力为48V，不满足耐压68~73V指标要求。
实施例3
第一步、二氧化硅层采用低压工艺生长，生长前需要对所用石英晶舟，碳化硅桨用酸液进行清洗，以清除吸附晶舟卡槽内壁和碳化硅桨表面的附着物。给炉子内的炉管加热，温度设定为750 ℃，通入工艺氮气进行保护，工艺氮气流量设定12 L/min，通入时间为5min，之后加大工艺氮气流量，流量设定为50L/min，在高温下对炉管前期沉积的颗粒等残余物质通过吹扫方式进行去除，吹扫时间设定为10min，之后将工艺氮气流量恢复到12 L/min，将炉管升温速率设为10℃/min，当炉管温度升至750℃后，稳定15min。
第二步、将硅衬底片装在晶舟上，然后将晶舟放置在碳化硅桨上，从炉口将碳化硅桨送入到炉管内，移动速度为20cm/min，10min后硅衬底片放置完毕，硅衬底片参考面位置统一向上；炉口，炉中，炉尾分别放置一片监控片，监控片为N型抛光片，电阻率15Ω·cm，晶向<100>，厚度625μm。
第三步、从炉管当前的750℃升到850℃，升温速率为2℃/min，需要25min升至800℃，通入200mL/min的氧气，然后稳定5min；升温至850℃后保持稳定5min，之后恒温850℃保持351min。
第四步、通入气态三氯乙烯作为生长辅助气体，流量设定70mL/min，时间为190min，通入氧气，流量设定9L/min，生长时间为190min，然后进行湿氧化，氧气流量设定900mL/min，氮气停止通入。
第五步、通入氧气，流量设定7L/min，时间151min，通入氢气，流量设定10.5L/min，时间151min，通入三氯乙烯气体，流量设定70mL/min，时间151min，之后只保留氧气，流量设定9L/min，时间10min。
第六步、将温度从850℃降至750℃，降速2℃/min，仅通入工艺氮气进行保护，流量设定12L/min，时间50min；之后进行冷却，时间20min，保持通入氮气，流量设定12L/min；待硅衬底片温度降低至50℃后从晶舟上取出；至此整套工艺完成，硅衬底上形成了二氧化硅层，之后测量监控片二氧化硅层的厚度。
实施例3工艺氮气流量设定为12L/min，吹扫时工艺氮气流量设定为50L/min，三氯乙烯流量设定为70mL/min，工艺温度850℃，制得的氧化片，铬酸腐蚀后出现了层错缺陷，二氧化硅层厚度为90nm，电压耐受能力为44V，不满足耐压68~73V指标要求。
实施例4
第一步、二氧化硅层采用低压工艺生长，生长前需要对所用石英晶舟，碳化硅桨用酸液进行清洗，以清除吸附晶舟卡槽内壁和碳化硅桨表面的附着物。给炉子内的炉管加热，温度设定为750℃，通入工艺氮气进行保护，工艺氮气流量设定12 L/min，通入时间为5min，之后加大工艺氮气流量，流量设定为20L/min，在高温下对炉管前期沉积的颗粒等残余物质通过吹扫方式进行去除，吹扫时间设定为10min，之后将工艺氮气流量恢复到12 L/min，将炉管升温速率设为10℃/min，当炉管温度升至750℃后，稳定15min。
第二步、将硅衬底片装在晶舟上，然后将晶舟放置在碳化硅桨上，从炉口将碳化硅桨送入到炉管内，移动速度为20cm/min，10min后硅衬底片放置完毕，硅衬底片参考面位置统一向上；炉口，炉中，炉尾分别放置一片监控片，监控片为N型抛光片，电阻率15Ω·cm，晶向<100>，厚度625μm。
第三步、从炉管当前的750℃升到850℃，升温速率为2℃/min，需要25min升至800℃，通入200mL/min的氧气，然后稳定5min；升温至850℃后保持稳定5min，之后恒温850℃保持351min。
第四步、通入气态三氯乙烯作为生长辅助气体，流量设定60mL/min，时间为190min，通入氧气，流量设定9L/min，生长时间为190min，然后进行湿氧化，氧气流量设定900mL/min，氮气停止通入。
第五步、通入氧气，流量设定7L/min，时间151min，通入氢气，流量设定10.5L/min，时间151min，通入三氯乙烯气体，流量设定60mL/min，时间151min，之后只保留氧气，流量设定9L/min，时间10min。
第六步、将温度从850℃降至750℃，降速2℃/min，仅通入工艺氮气进行保护，流量设定12L/min，时间50min；之后进行冷却，时间20min，保持通入氮气，流量设定12L/min；待硅衬底片温度降低至50℃后从晶舟上取出；至此整套工艺完成，硅衬底上形成了二氧化硅层，之后测量监控片二氧化硅层的厚度。
实施例4工艺氮气流量设定为12L/min，吹扫时工艺氮气流量设定为20L/min，三氯乙烯流量设定为60mL/min，工艺温度850℃，制得的氧化片，铬酸腐蚀后出现了层错缺陷。二氧化硅层厚度为90nm，电压耐受能力为55V，不满足耐压68~73V指标要求，
实施例5
第一步、二氧化硅层采用低压工艺生长，生长前需要对所用石英晶舟，碳化硅桨用酸液进行清洗，以清除吸附晶舟卡槽内壁和碳化硅桨表面的附着物。给炉子内的炉管加热，温度设定为750 ℃，通入工艺氮气进行保护，工艺氮气流量设定12 L/min，通入时间为5min，之后加大工艺氮气流量，流量设定为20 L/min，在高温下对炉管前期沉积的颗粒等残余物质通过吹扫方式进行去除，吹扫时间设定为10min，之后将工艺氮气流量恢复到12 L/min，将炉管升温速率设为10℃/min，当炉管温度升至750℃后，稳定15min。
第二步、将硅衬底片装在晶舟上，然后将晶舟放置在碳化硅桨上，从炉口将碳化硅桨送入到炉管内，移动速度为20cm/min，10min后硅衬底片放置完毕，硅衬底片参考面位置统一向上；炉口，炉中，炉尾分别放置一片监控片，监控片为N型抛光片，电阻率15Ω·cm，晶向<100>，厚度625μm。
第三步、从炉管当前的750℃升到800℃，升温速率为2℃/min，需要25min升至800℃，通入200mL/min的氧气，然后稳定5min；升温至800℃后保持稳定5min，之后恒温800℃保持351min。
第四步、通入气态三氯乙烯作为生长辅助气体，流量设定50mL/min，时间为190min，通入氧气，流量设定9L/min，生长时间为190min，然后进行湿氧化，氧气流量设定900mL/min，氮气停止通入。
第五步、通入氧气，流量设定7L/min，时间151min，通入氢气，流量设定10.5L/min，时间151min，通入三氯乙烯气体，流量设定50mL/min，时间151min，之后只保留氧气，流量设定9L/min，时间10min。
第六步、将温度从800℃降至750℃，降速2℃/min，仅通入工艺氮气进行保护，流量设定12L/min，时间25min；之后进行冷却，时间20min，保持通入氮气，流量设定12L/min；待硅衬底片温度降低至50℃后从晶舟上取出；至此整套工艺完成，硅衬底上形成了二氧化硅层，之后测量监控片二氧化硅层的厚度。
实施例5工艺氮气流量设定为12L/min，吹扫时工艺氮气流量设定为20L/min，三氯乙烯流量设定为50mL/min，工艺温度800℃，制得的氧化片，铬酸腐蚀后未出现层错缺陷，二氧化硅层厚度为86nm，电压耐受能力为72V，满足耐压指标68~73V的要求。
与实施例1、实施例2、实施例3和实施例4相比，在其相应的工艺条件下，实施例5制得的氧化片经铬酸腐蚀后未出现层错缺陷，电压耐受能力为72V，满足耐压指标68~73V的要求，因此，实施例5为本发明的最佳实施例。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明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 (3)

1.一种VDMOS功率器件用二氧化硅层的制备方法，其特征在于，步骤如下：
第一步、二氧化硅层采用低压工艺生长，生长前需要对所用石英晶舟，碳化硅桨用酸液进行清洗，以清除吸附晶舟卡槽内壁和碳化硅桨表面的附着物，给炉子内的炉管加热，温度设定为750 ℃，通入工艺氮气进行保护，工艺氮气流量设定为12 L/min，通入时间为5min，之后加大工艺氮气流量，流量设定为20 L/min，在高温下对炉管前期沉积的颗粒通过吹扫方式进行去除，吹扫时间设定为10min，之后将工艺氮气流量恢复到12 L/min，将炉管升温速率设为10℃/min，当炉管温度升至750℃后，稳定15min；
第二步、将硅衬底片装在晶舟上，然后将晶舟放置在碳化硅桨上，从炉口将碳化硅桨送入到炉管内，移动速度为20cm/min，10min后硅衬底片放置完毕，硅衬底片参考面位置统一向上；炉口，炉中，炉尾分别放置一片监控片，监控片为N型抛光片，电阻率10~20Ω·cm，晶向<100>，厚度610~640μm；
第三步、从炉管当前的750℃升到800℃，升温速率为2℃/min，需要25min升至800℃，通入200mL/min的氧气，然后稳定5min，升温至800℃后保持稳定5min，之后恒温800℃保持351min；
第四步、通入气态三氯乙烯作为生长辅助气体，流量设定50mL/min，时间为190min，通入氧气，流量设定9L/min，生长时间为190min，然后进行湿氧化，氧气流量设定900mL/min，氮气停止通入；
第五步、通入氧气，流量设定7L/min，时间151min，通入氢气，流量设定10.5L/min，时间151min，通入三氯乙烯气体，流量设定50mL/min，时间151min，之后只保留氧气，流量设定9L/min，时间10min；
第六步、将温度从800℃降至750℃，降速2℃/min，仅通入工艺氮气进行保护，流量设定12L/min，时间25min；之后进行冷却，时间20min，保持通入氮气，流量设定12L/min，待硅衬底片温度降低至30~50℃后从晶舟上取出，至此整套工艺完成，硅衬底上形成了二氧化硅层，之后测量监控片二氧化硅层的厚度。
2.如权利要求1所述的一种VDMOS功率器件用二氧化硅层的制备方法，其特征在于：所述硅衬底片直径为150 mm，电阻率低于0.02 Ω·cm。
3.如权利要求1所述的一种VDMOS功率器件用二氧化硅层的制备方法，其特征在于：所述二氧化硅层厚度为77~93nm。
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