CN114203527A - 一种碳化硅晶片热氧化的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳化硅晶片热氧化的方法及装置，装置包括真空加热腔室、均温台和等离子体发生器，真空加热腔室内设有加热器，均温台设置在真空加热腔室内，碳化硅晶片放置在均温台上，真空加热腔室与抽真空装置相连，真空加热腔室上设有进气口，真空加热腔室上设有与进气口相连通的等离子体发生腔，等离子体发生器与等离子体发生腔相对设置，在富含硅气氛下通过采用等离子体辅助化学气相沉积方法使得碳化硅晶片表面沉积二氧化硅薄膜，有效防止碳化硅晶片中硅组分在高温下升华溢出，碳化硅晶片整个表面可沉积高质量的二氧化硅薄膜进而形成高质量SiC/SiO2界面。

Description

一种碳化硅晶片热氧化的方法及装置
【技术领域】
本发明属于碳化硅的技术领域，尤其涉及一种碳化硅晶片热氧化的方法及装置。
【背景技术】
目前碳化硅(4H-SiC)MOSFET及IGBT制备过程中氧化层的制备均采用高温热氧化的方式在SiC表面形成二氧化硅薄膜。由于高温氧化过程中的硅组分溢出以及氧化界面粗糙，导致SiC/SiO2界面处形成了高密度的碳积聚，在SiC导带下方0.3eV处形成深能级界面缺陷，严重影响了SiC MOSFET及SiC IGBT中的载流子迁移率，影响SiC功率器件的开关特性，并带来严重的可靠性问题。
【发明内容】
本发明的目的就是解决背景技术中的问题，提出一种碳化硅晶片热氧化的方法及装置，能够使得真空加热腔室内形成富硅气氛防止碳化硅晶片中硅组分在高温下升华溢出，通过采用等离子体辅助化学气相沉积方法使得碳化硅晶片表面沉积高质量的二氧化硅薄膜进而形成高质量SiC/SiO2界面。
为实现上述目的，本发明提出了一种碳化硅晶片热氧化的方法，包括以下几个步骤：
将碳化硅晶片放入真空加热腔室内；
将真空加热腔室抽真空，碳化硅晶片加热至预定温度；
通入硅源气体和氧源气体，气体在等离子体发生器作用下产生含硅等离子体和含氧等离子体；
含硅等离子体和含氧等离子体反应后在碳化硅晶片表面沉积二氧化硅薄膜。
作为优选，所述硅源气体包括硅烷。
作为优选，所述氧源气体包括氧气、一氧化氮和一氧化二氮中的至少一种。
作为优选，所述预定温度为400～1500℃。
作为优选，所述预定温度为600～1500℃。
作为优选，所述真空加热腔室抽真空后真空加热腔室内气压为6～7E10-4Pa，通入硅源气体和氧源气体后真空加热腔室内气压为600～900torr。
本发明还提出了一种碳化硅晶片热氧化装置，包括真空加热腔室、均温台和等离子体发生器，真空加热腔室内设有加热器，均温台设置在真空加热腔室内，碳化硅晶片放置在均温台上，真空加热腔室与抽真空装置相连，真空加热腔室上设有进气口，真空加热腔室上设有与进气口相连通的等离子体发生腔，等离子体发生器与等离子体发生腔相对设置。
作为优选，所述加热器环绕在均温台外侧。
作为优选，所述均温台位于等离子体发生腔的正下方。
作为优选，所述均温台和加热器之间设有石墨隔热毡。
本发明的有益效果：引入硅源气体硅烷，使得真空加热腔室内形成有富硅气氛，防止碳化硅晶片中硅组分在高温下升华溢出，避免在SiC/SiO2界面形成高密度碳积聚；通过采用等离子体辅助化学气相沉积方法使得整个碳化硅晶片表面沉积高质量的二氧化硅薄膜，形成高质量SiC/SiO2界面，有利于增强SiC功率器件的性能；能够在相对低温环境下于碳化硅晶片表面沉积二氧化硅薄膜。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
【附图说明】
图1是本发明碳化硅晶片热氧化装置的结构示意图。
图中：1-真空加热腔室、2-等离子体发生器、3-碳化硅晶片、4-加热器、5-均温台、11-等离子发生腔、12-抽真空口、13-进气口、21-射频源。
【具体实施方式】
参阅图1，本发明提供了一种碳化硅晶片热氧化装置，包括真空加热腔室1、均温台5和等离子体发生器2，真空加热腔室1包括加热腔、与加热腔相连的等离子体发生腔11，加热腔内设有加热器4和均温台5，碳化硅晶片3放置在均温台5上，真空加热腔室上设有抽真空口12、用于通入氧源气体和硅源气体用的进气口13，抽真空口12与抽真空装置相连，等离子发生腔11与进气口13相连通，等离子体发生器2与等离子体发生腔11相对设置。
加热器4环绕在均温台5外侧，均温台5位于等离子体发生腔11的正下方，等离子体发生器2连接有射频源21。
均温台5和加热器4之间设有石墨隔热毡。
本发明还提供了一种碳化硅晶片热氧化的方法，包括包括以下几个步骤：
将碳化硅晶片放入真空加热腔室内；
抽真空装置将真空加热腔室抽真空，加热器将碳化硅晶片加热至预定温度；
向真空加热腔室内通入硅源气体和氧源气体，气体在等离子体发生器作用下产生含硅等离子体和含氧等离子体；
含硅等离子体和含氧等离子体反应后在碳化硅晶片表面沉积二氧化硅薄膜。
在硅源气体包括硅烷，氧源气体包括氧气、一氧化碳和一氧化二氮中的至少一种。
预定温度为400～1500℃，优选的预定温度为600～1500℃，尤其在1300～1500℃条件下获得更高质量的SiC/SiO2界面。
真空加热腔室抽真空后真空加热腔室内气压为6～7E10-4Pa，通入硅源气体和氧源气体后真空加热腔室内气压为600～900torr。
本碳化硅晶片热氧化方法基于等离子体辅助化学气相沉积方式，在等离子体发生器辉光放电作用下，硅源气体和氧源气体在高频电感耦合下通过气体电离产生等离子体，这些离子在气流的作用下，等离子体流向碳化硅晶体并在碳化硅晶体表面反应后沉积高质量SiO2薄膜，反应方程式如下：SiH4+2N2O→
SiO2+2N2+2H2、SiH4+3O2→SiO2+2H2O、SiH4+2NO→SiO2+2H2O+2N2。
在本发明的沉积反应条件下，与硅源气体和氧源气体相比，含硅等离子体和含氧等离子体具有明显的化学活性，以及更小的尺寸，以便在碳化硅晶体表面快速反应沉积二氧化硅薄膜。
以下通过具体实施例进一步对本发明进行说明，下述实施例仅用于说明本发明而对本发明没有限制：
实施例1
将射频源的射频频率设定为13.56MHz，射频功率设定为700W，将碳化硅晶片加热至950℃，向真空加热腔室内通入硅烷和氧气气体，真空加热腔室内压强为700torr，等离子放电时间为3.5h，使得硅烷和氧气在高频电感耦合下通过气体电离产生等离子体，这些离子在气流的作用下流向碳化硅晶体，含硅等离子体和含氧等离子体在碳化硅晶片表面反应后沉积二氧化硅薄膜。
实施例2
将射频源的射频频率设定为13.56MHz，射频功率设定为800W，将碳化硅晶片加热至600℃，向真空加热腔室内通入硅烷和一氧化氮气体，真空加热腔室内压强为700torr，等离子放电时间为4h，使得硅烷和一氧化氮在高频电感耦合下通过气体电离产生等离子体，这些离子在气流的作用下流向碳化硅晶体，含硅等离子体和含氧等离子体在碳化硅晶片表面反应后沉积二氧化硅薄膜。
实施例3
将射频源的射频频率设定为13.56MHz，射频功率设定为700W，将碳化硅晶片加热至780℃，向真空加热腔室内通入硅烷和一氧化二氮气体，真空加热腔室内压强为700torr，等离子放电时间为5h，使得硅烷和一氧化二氮在高频电感耦合下通过气体电离产生等离子体，这些离子在气流的作用下流向碳化硅晶体，含硅等离子体和含氧等离子体在碳化硅晶片表面反应后沉积二氧化硅薄膜。
对比例1
将碳化硅晶片加热至1400℃，向真空加热腔室内通入硅烷和氧气气体，真空加热腔室内压强为700torr，反应时间为3h，气体不进行电离处理无等离子体产生，硅烷和氧气在碳化硅晶片表面反应后沉积二氧化硅薄膜。
SiC/SiO2界面质量测试：
取等量实施例1～3和对比例1的沉积有二氧化硅薄膜的碳化硅晶片，采用深能级瞬态谱仪(DLTS)对四款碳化硅晶片的SiC/SiO2界面进行扫描，测量在SiC导带下方形成Ec-0.3eV的深能级(与界面处的碳团簇相关)，计算Ec-0.3eV深能级的密度(Dit)，具体测试结果如下表1所示。
表1界面缺陷密度测试结果示意表
Figure BDA0003412530660000051
由表1可知，对比例1的界面缺陷密度明显高于其它三组，而界面缺陷密度越高，SiC/SiO2界面质量越差，说明通过等离子体辅助化学气相沉积方法相较于传统的化学气相沉积法可显著提高SiC/SiO2界面质量，一氧化氮和一氧化二氮也可改善SiC/SiO2界面质量，相较于传统高温热氧化条件制备氧化层本方法在600℃条件下也可沉积高质量SiO2薄膜和产生高质量的SiC/SiO2界面质量。
上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳化硅晶片热氧化的方法，其特征在于：包括以下几个步骤：
将碳化硅晶片放入真空加热腔室内；
将真空加热腔室抽真空，碳化硅晶片加热至预定温度；
通入硅源气体和氧源气体，气体在等离子体发生器作用下产生含硅等离子体和含氧等离子体；
含硅等离子体和含氧等离子体反应后在碳化硅晶片表面沉积二氧化硅薄膜。
2.如权利要求1所述的碳化硅晶片热氧化的方法，其特征在于：所述硅源气体包括硅烷。
3.如权利要求1所述的碳化硅晶片热氧化的方法，其特征在于：所述氧源气体包括氧气、一氧化氮和一氧化二氮中的至少一种。
4.如权利要求1所述的碳化硅晶片热氧化的方法，其特征在于：所述预定温度为400～1500℃。
5.如权利要求4所述的碳化硅晶片热氧化的方法，其特征在于：所述预定温度为600～1500℃。
6.如权利要求1所述的碳化硅晶片热氧化的方法，其特征在于：所述真空加热腔室抽真空后真空加热腔室内气压为6～7E10-4Pa，通入硅源气体和氧源气体后真空加热腔室内气压为600～900torr。
7.一种碳化硅晶片热氧化装置，包括真空加热腔室，真空加热腔室内设有加热器，其特征在于：还包括均温台和等离子体发生器，所述均温台设置在真空加热腔室内，碳化硅晶片放置在均温台上，所述真空加热腔室与抽真空装置相连，真空加热腔室上设有进气口，真空加热腔室上设有与进气口相连通的等离子体发生腔，所述等离子体发生器与等离子体发生腔相对设置。
8.如权利要求7所述的碳化硅晶片热氧化装置，其特征在于：所述加热器环绕在均温台外侧。
9.如权利要求7所述的碳化硅晶片热氧化装置，其特征在于：所述均温台位于等离子体发生腔的正下方。
10.如权利要求7所述的碳化硅晶片热氧化装置，其特征在于：所述均温台和加热器之间设有石墨隔热毡。
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