CN1531744A - 用于改进碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管中反向层迁移率的方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于改进碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中的反向层迁移率的方法。特别地，本发明提供一种用于将氧化层施加到碳化硅衬底上的方法，以使得所得到的SiC MOSFET的氧化物衬底界面被改进。本方法包括在存在金属杂质的情况下形成氧化层。
Description
技术领域
本发明一般涉及一种用于改进碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中反向层迁移率的方法。特别地，本发明涉及在存在金属杂质时在SiC衬底上形成栅极氧化物以得到具有改进的反向层迁移率的MOSFET。
背景技术
在过去的30年中，硅(Si)是并且一直是最流行的和广泛使用的半导体材料。在这期间，由于不断的提纯和改进，Si器件技术已经达到先进水平。这种不断改进的结果已经使硅功率器件达到这样的效率水平，即，现在它们正接近对这种材料预计的理论上的最大功率极限。这意味着在器件的设计和处理中进一步精细化不太可能在性能方面获得重大的改进。然而，这种事态对于各种各样当前或将来的应用是不可接受的，在这些应用中，硅功率器件带着大量的运行损耗而工作着。为了缓和这种情况，材料科学家一直在考虑各种宽带隙半导体作为硅的替代物。
碳化硅(SiC)对于高压、高频和高温应用是一种理想的半导体材料。这主要是由于SiC的大临界电场(比Si高10倍)、大带隙(是Si的3倍)、大的热传导率(是Si的4倍)和大的电子饱和速度(是Si的两倍)。这些特性使SiC对于制造象MOSFET那样的器件来说是Si的一种理想替代物。SiC n沟道增强型MOSFET(在此称为SiCMOSFET)对于在高压、高速和高频下工作的应用是理想的。
然而，当前被研究者制成的SiC MOSFET表现出非常差的反向层迁移率(～1cm2/Vs)，这比预期的迁移率值低一百倍，这导致大的功率消耗和效率损失，这使SiC MOSFET与它们的Si对应物相比吸引力不大。较低的反向层迁移率主要是由于电流传导发生所通过的在栅极氧化物和碳化硅衬底之间差的界面(interface)。特别地，在栅极氧化物和SiC衬底之间的界面具有大量的界面陷阱，这些陷阱捕获电子，而这些电子有助于电流流动。
鉴于以上情况，需要有一种用于改进SiC MOSFET中反向层迁移率的方法。特别是，需要一种实现在栅极氧化层和碳化硅衬底之间改进的界面的方法。
发明内容
本发明通过提供一种用于改进反向层迁移率的方法来克服现有的SiC MOSFET的缺点。特别地，本发明提供一种用于在MOSFET上形成栅极氧化层的方法，使得反向层迁移率为最大。一般，本方法包括在存在金属杂质的情况下形成栅极氧化物，使得氧化物衬底界面被改进。
依据本发明的第一方面，提供一种用于改进碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中反向层迁移率的方法。该方法包括步骤：(1)提供碳化硅衬底；和(2)在存在金属杂质的情况下在碳化硅衬底的表面上形成氧化层。
依据本发明的第二方面，提供一种用于改进碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中反向层迁移率的方法。该方法包括步骤：(1)将碳化硅衬底和金属杂质放置在一个容器(chamber)中；和(2)通过在该容器中引入由于对水进行去电离处理而冒泡生成(bubble)的氮气在碳化硅衬底的表面上形成氧化层。
依据本发明的第三方面，提供一种用于改进碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中反向层迁移率的方法。该方法包括步骤：(1)将碳化硅衬底和金属杂质放置在一个容器中；和(2)通过将氢和氧的气体混合物引入到该容器中在碳化硅衬底的表面上形成氧化层。
依据本发明的第四方面，提供一种用于改进碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)中反向层迁移率的方法。该方法包括步骤：(1)将碳化硅衬底和金属杂质提供到一个被加热到温度近似1100℃的容器中；(2)将近似100-800nm的低温氧化物沉积在碳化硅衬底的表面上；(3)在沉积步骤以后，将氢和氧的气体混合物引入到该容器中；和(4)使该碳化硅衬底在近似950℃温度的氩气中退火。
这样，本发明提供一种用于改进MOSFET中的反向层迁移率的方法。特别地，本发明在存在金属杂质的情况下在SiC衬底上形成氧化层，以改进氧化物衬底界面。
附图说明
本发明这些和其他的特点和优点从本发明各方面的详述连同附图将更容易被理解，其中：
图1示出一种依据本发明的增强型NMOS碳化硅MOSFET。
图2示出反向载流子密度对栅极电压的图表。
图3示出依据本发明的一种方法的流程图。
具体实施方式
注意，本发明的附图并不一定是按比例的。这些附图只是简要的表示，并不打算描述本发明的特定参数。这些附图只用于描述本发明的典型的实施方案，并因而不应该被考虑为限制本发明的范围。在这些附图中，同样的数字表示同样的元件。
现在参考图1，一种增强型NMOS器件10被示出。NMOS器件10一般包括SiC P型渗杂质衬底12、氧化层14(有时称为栅极氧化物)、源极触点16、栅极触点18、漏极触点20、n+渗杂质源极区22、n+渗杂质漏极区24和钝化层26。如图所示，源极触点16和漏极触点20分别与源极区22和漏极区24有电接触。应该理解，可以利用本领域中公知的任何手段形成区22和24以及触点16、18和20，并且这并未被规定为本发明的一个受限制的特点。例如，触点16、18和20可以是被沉积的金属(如，铝)。另一种方案是，栅极触点18可以是利用一种化学蒸发沉积(CVD)处理应用的多晶硅。在后一种情况下，一个附加的氧化层也可以通过CVD提供在栅极触点18的顶部和侧表面上。
如以上讨论过的那样，诸如器件10的SiC MOSFET经常呈现出差的反向层迁移率。反向层迁移率是指电子从源极区22到漏极区24的迁移率。本发明通过在存在金属杂质的情况下形成氧化层14来改进氧化层14和衬底12之间的界面。正如将在下面结合表1和图2要进一步说明的那样，这导致大大地改善反向层迁移率。
在第一实施方案中，氧化层14被生长在SiC衬底12上。一般，氧化层14的生长包含将一个容器(例如，熔炉)中的SiC衬底12加热到所希望的温度。一旦被加热，氢和氧的气体混合物(即，氧化环境)被引入到该容器中。在该容器中，气体混合物形成加热的蒸气，将SiC衬底12的顶部表面氧化，以形成栅极氧化物14。这被称为湿氧化。另一种方案是，通过将由于对水进行热的去离子处理而冒泡生成的氮(N2)或氧(O2)引入到加热的炉中来实现另一种形式的湿氧化。与氢和氧的气体混合物类似，利用水蒸汽饱和的氮将SiC衬底12的顶表面氧化，以形成栅极氧化物14。
在本发明中，氧化处理发生在存在金属杂质的情况下，最好，通过将一块含有铁杂质的烧结铝(Al2O3)放入含有SiC衬底12的容器中来引入金属杂质。该块烧结铝应该含有足以将4×1012cm-2的铁原子引入到氧化物中的浓度的铁杂质。应该理解，虽然铁杂质是优选的，但可以使用其他类似的金属杂质。例如，可以引入铁(Fe)、铬(Cg)或镍(Ni)杂质。而且，应该理解，可以在形成氧化层14之前或期间引入金属杂质。例如，可以以气体形式与氧化气体同时传送金属杂质。
一旦氧化处理完成，则作为选项，所得到的结构可以在惰性气体如氩气中进行退火。一旦退火完成，作为选项，可以在较低的炉温度下重复湿氧化和退火步骤。金属杂质和氧化气体(即，氧化环境)一起起着一种特殊的氧化环境(SOA)的作用，这强有力地改善氧化层14和SiC衬底12之间的界面。
在一种替代的实施方案中，在存在金属杂质的情况下氧化层14被沉积在SiC衬底12上，并且随后选择地被退火。通过首先将一层低温氧化物(LTO)沉积在SiC衬底12的裸表面上进行氧化层14的沉积。最好，通过在400℃时分解容器中的硅烷(SiH4)气体来形成LTO层。一旦LTO层已被沉积，对所得到的结构进行以上所描述的湿氧化和退火步骤。特别地，通过引入氢-氧气体混合物或通过对水进行去离子处理而冒泡生成的氮气的氧化环境来实现湿氧化。在任何一种情况下，在上述的金属杂质(例如，铁、铬或镍)存在的情况下执行氧化处理，一旦氧化完成，被氧化的衬底选择地在惰性气体如氩气中被退火。然后，可以重复湿氧化和退火步骤。
例子：
在4H-SiC侧向(lateral)增强型NMOS器件上研究本发明的金属杂质的效果，其中栅极氧化物(也就是，氧化层14)用两种不同的方式来制备。在单次的湿氧化-退火处理中利用以下步骤在裸的碳化硅(衬底12)表面上生成第一类型的栅极氧化物：
碳化硅衬底被放置在一个炉中，在一种惰性气体环境中从近似800℃斜升到近似1100℃。在近似1100℃时，通过引入氢和氧的气体混合物开始氧化处理。在另一次实验中，通过引入由于对保持在近似95℃上的水进行去离子处理而冒泡生成的氮气来实现湿氧化。通过将一块含有铁杂质的烧结铝放入容器中来引入金属杂质。此烧结铝包含足以将近似4×1012cm-2铁原子引入到氧化物气体中的铁浓度。
在400分钟的湿氧化以后，通过将周围的气体改变成氩气来开始60分钟的退火。炉中的温度随后被斜降到近似950℃并保持16小时。接下来是第二轮的湿氧化，利用在原先的湿氧化步骤期间使用的氧化气体(即，氢-氧或通过氮气冒泡生成的气体)在近似950℃之下进行60分钟湿氧化。最后，氧化气体被改变为氩气进行近似60分钟，并且然后容器温度从近似950℃降低到近似800℃，所得到的结构具有厚度为近似50nm的氧化层。
在另一个实验中，栅极氧化物被沉积而不是生长。特别地，近似100-800nm的低温氧化物(LTO)被沉积在衬底的表面上。通过将硅烷气体引入容器中，并在近似400℃时分解硅烷来沉积出这一层。一旦LTO被沉积，执行湿氧化(如上所述)。特别地，容器被加热到近似1100℃，在这个温度点上通过引入湿氧化气体来开始氧化处理。如以上所指出的那样，氧化气体可以是氢和氧的气体混合物、或者是通过对保持在近似95℃的水进行去离子处理而冒泡生成的氮气。通过将一块含有铁杂质的烧结铝放置到容器中来引入金属杂质。该烧结铝包含的铁浓度足以将近似4×1012cm-2铁原子引入到氧化物气体中。
在400分钟的湿氧化之后，通过将周围环境的气体变成氩气开始60分钟退火。然后炉中的温度被斜降到近似950℃并保持16小时，然后是第二轮的湿氧化，利用在原先湿氧化步骤期间使用的氧化气体(即，氢-氧或通过氮气冒泡生成的气体)，在近似950℃下进行60分钟湿氧化。最后，氧化气体被改变成氩气为近似60分钟，并且然后容器温度从近似950℃降低到近似800℃。得到的结构具有厚度为近似50nm的氧化层。
表I示出对于不存在金属杂质和存在金属杂质的情况下制备的侧向SiC MOSFET的平均有效的反向层迁移率(cm2/Vs)的比较。
表I
| 不存在杂质情况下的氧化-退火 | 存在杂质情况下的氧化-退火 | |
| 在裸SiC表面上热生长的氧化物 | 3+/-2 | 123+/-38 |
| 沉积的氧化物加氧化-退火 | 4+/-3 | 70+/-35 |
正如可以看到的那样，在存在金属杂质的情况下制备的SiCMOSFET呈现出比在没有金属杂质的情况下制备的SiC MOSFET大得多的平均有效的反向层迁移率。特别是，在存在金属杂质的情况下带有热生长的氧化层的SiC MOSFET呈现出近似123cm2/Vs的平均有效的反向层迁移率，而在不存在金属杂质的情况下制备的SiC MOSFET呈现出近似3cm2/Vs的平均有效反向层迁移率。同样地，在存在金属杂质的情况下具有沉积的氧化层的SiC MOSFET呈现出近似70cm2/Vs的平均有效反向层迁移率，而类似的在不存在金属杂质的情况下制备的SiCMOSFET呈现出近似4cm2/Vs的平均有效的反向层迁移率。
图2示出反向载流子密度(1012cm-2)32对栅极电压(V)34的图表30。特别地，图表30示出电子从源极到漏极的迁移率。曲线36示出对于在没有金属杂质的情况下制备的SiC MOSFET的反向载流子密度。相反，曲线38示出如上例中所述(即，带有金属杂质)制备的SiCMOSFET。正如可以看到的那样，在存在金属杂质的情况下形成氧化层时，所得到的反向载流子密度被极大地改进。特别地，参看点40，可以看到，在近似1.5V的栅极电压上，对于在没有引入金属杂质的情况下(曲线36)制备的SiC MOSFET的反向载流子密度是近似0.1*1012cm-2。作为对照，依据本发明的教导制备的SiC MOSFET(曲线38)具有近似1.35×1012.cm-2的反向载流子密度。因此，图表30示出在依据本发明制备的SiC MOSFET中陷阱的效应被大大地减少。
虽然本发明的方法最好被用于增强型NMOS器件，诸如图1中所示，但应该理解，该方法可被应用于任何增强或耗尽型NMOS或PMOS器件。
现在参考图3，示出依据本发明的方法100的流程图。如图所示，方法100的第一步骤102是提供碳化硅衬底和金属杂质。第二步骤104是在存在金属杂质的情况下在碳化硅衬底的表面上形成氧化层。
前面的本发明优选实施方案的描述是为了说明和描述的目的而提出的，并不打算详尽无遗地或者将本发明限制成所公开的精确形式，并且显然许多修改和变型是可能的。对于本领域的技术人员来说，这些修改和变型是显而易见的并且包括在利用所附的权利要求所规定的本发明的范围内。
Claims (27)
1.一种用于改进碳化硅金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)[10]中的反向层迁移率的方法，包括以下步骤：
提供碳化硅衬底[12]；和
在存在金属杂质的情况下，在碳化硅衬底[12]的表面上形成氧化层[14]。
2.权利要求1的方法，进一步包括在形成步骤之后将所述衬底[12]在氩气中退火的步骤。
3.权利要求2的方法，进一步包括重复所述形成和退火步骤的步骤。
4.权利要求1的方法，其中通过将氢和氧的混合物引入到包含碳化硅衬底[12]的容器中来形成氧化层[14]。
5.权利要求1的方法，其中通过将由于对水进行去离子处理而冒泡生成的氮气引入到包含碳化硅衬底[12]的容器中来形成氧化层[14]。
6.权利要求1的方法，其中氧化层[14]是通过以下步骤形成的：
在碳化硅衬底[12]的表面上沉积近似100-800nm的低温氧化物；和
将氢和氧的混合物引入到包含碳化硅衬底[12]的容器中。
7.权利要求1的方法，其中氧化层[14]是通过以下步骤形成的：
在碳化硅衬底[12]的表面上沉积近似100-800nm的低温氧化物；和
将通过对水进行去离子处理而冒泡生成的氮气引入到包含碳化硅衬底[12]的容器中。
8.权利要求1的方法，进一步包括在形成步骤之前提供金属杂质的步骤。
9.权利要求1的方法，进一步包括在形成步骤期间提供金属杂质的步骤。
10.权利要求1的方法，其中金属杂质包括含有至少近似4×1012cm-2铁原子的烧结铝。
11.权利要求1的方法，其中金属杂质是从由铬、铁和镍组成的组中选出的。
12.一种用于改进碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)[10]中的反向层迁移率的方法，包括以下步骤：
将碳化硅衬底[12]和金属杂质放置在容器中；和
通过将由于对水进行去离子处理而冒泡生成的氮气引入到容器中，在碳化硅衬底[12]的表面上形成氧化层[14]。
13.权利要求12的方法，进一步包括在形成步骤之后在氩气中对碳化硅衬底[12]退火的步骤。
14.权利要求13的方法，进一步包括以下步骤：
在形成步骤之前将容器加热到近似1100℃的温度；
在近似950℃的温度上重复形成步骤；
在近似950℃的温度上重复退火步骤；和
在重复的退火步骤之后，将容器温度降低到近似800℃。
15.权利要求14的方法，其中第一形成步骤被执行近似400分钟，第一退火步骤被执行近似60分钟，重复的形成步骤被执行近似60分钟，并且重复的退火步骤被执行近似60分钟。
16.权利要求12的方法，其中形成步骤包括以下步骤：
在碳化硅衬底[12]的表面上沉积近似100-800nm的低温氧化物；和
将通过对水进行去离子处理而冒泡生成的氮气引入到容器中。
17.权利要求12的方法，其中该方法产生具有近似50nm的氧化层厚度的碳化硅衬底[12]。
18.权利要求12的方法，其中金属杂质是从由铁、铬和镍组成的组中选出的。
19.一种用于改进碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)[10]中的反向层迁移率的方法，包括以下步骤：
将碳化硅衬底[12]和金属杂质放置到容器中；和
通过将氢和氧的气体混合物引入到容器中，在碳化硅衬底[12]的表面上形成氧化层[14]。
20.权利要求19的方法，进一步包括在形成步骤之后将碳化硅衬底[12]在氩气中退火的步骤。
21.权利要求20的方法，进一步包括以下步骤：
在形成步骤之前，将容器加热到近似1100℃的温度；
在近似950℃的温度上重复形成步骤；
在近似950℃的温度上重复退火步骤；和
在重复的退火步骤之后，将容器的温度降低到近似800℃。
22.权利要求21的方法，其中第一形成步骤被执行近似400分钟，第一退火步骤被执行近似60分钟，重复的形成步骤被执行近似60分钟，并且重复的退火步骤被执行近似60分钟。
23.权利要求19的方法，其中形成步骤包括以下步骤：
在碳化硅衬底[12]的表面上沉积近似100-800nm的低温氧化物；和
将氢和氧的气体混合物引入到容器中。
24.权利要求19的方法，其中该方法产生具有近似50nm的氧化层厚度的碳化硅衬底[12]。
25.权利要求19的方法，其中金属杂质是从由铁、铬和镍组成的组中选出的。
26.一种用于改进碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)[10]中的反向层迁移率的方法，包括以下步骤：
在被加热到温度近似1100℃的容器中提供碳化硅衬底[12]和金属杂质；
在碳化硅衬底[12]的表面上沉积近似100-800nm的低温氧化物；
在沉积步骤之后，将氢和氧的气体混合物引入到容器中；和
在近似950℃的温度上，将碳化硅衬底[12]在氩气中退火。
27.权利要求26的方法，进一步包括在近似950℃的温度上重复沉积、引入和退火步骤的步骤。
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