一種制備SiC MOSFET柵氧化層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備SiC MOSFET柵氧化層的方法，屬于SiC MOSFET器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]SiC作為第三代半導(dǎo)體材料，具有寬帶隙、高熱導(dǎo)率、高擊穿場強、高飽和速度等優(yōu)越性能，適合制作高溫大功率、高溫高頻以及抗輻射器件。其被廣泛應(yīng)用的電源裝置為電源金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。在電源MOSFET中，控制信號被傳遞給柵電極，該柵電極與半導(dǎo)體表面通過插入的絕緣體被隔開，該絕緣體可以但不限于是二氧化硅。
[0003]通常在SiC外延層制備S1JI介質(zhì)層采用熱生長的方法。然而，由于生長過程中5102與SiC材料晶格不匹配，在S1 2柵介質(zhì)層和S1 2/SiC界面中會產(chǎn)生大量的懸掛鍵、碳簇和氧空位等缺陷電荷，使得在SiC層熱生長的Si02/SiC界面陷阱電荷比Si02/Si界面陷阱電荷大約高兩個數(shù)量級，造成SiC MOSFET器件反型溝道載流子迀移極低，降低了器件性會K。
[0004]目前主流的降低Si02/SiC界面中的陷阱電荷的方法是使用高溫氣體退火。常用的退火氣體有含氮氣體(如N2、NH3, N2O, NO)、Ar、H2, P0C13、O2等。其中含氮氣體主要用于降低Si02/SiC界面的碳簇現(xiàn)象，比用于降低Si02/SiC界面的懸掛鍵，？0(:13、02用于填補S12柵介質(zhì)層在高溫生長過程中造成氧空位現(xiàn)象。高溫退火的步驟包括在SiC襯底片上生長外延SiC層，進(jìn)行RCA清洗，在02、NO和/或N2O氣氛中熱生長S1jl，用N 2、NO等氣體進(jìn)行退火。
[0005]使用NO退火S12柵介質(zhì)層的方法可參考美國CREE公司的專利W02007035304A1。其在SiC材料上形成氧化層的方法包括:在SiC材料上熱生長氧化層(柵介質(zhì)S12)，并在NO氣氛中不低于1175°C的溫度下熱退火，最適宜溫度為1300°C。目的是降低S12層中的碳簇現(xiàn)象，從而降低界面陷阱電荷，提高SiC MOSFET器件反型層溝道載流子迀移率。熱氧化層退火可以在表面覆有SiC薄膜的SiC管中進(jìn)行。為形成該氧化層，可以在干燥氧氣中熱生長整體氧化層，之后在濕氧氣中再次氧化該整體氧化層。
[0006]使用H2退火S1jI介質(zhì)層的方法可參考美國克里公司的專利CN1531746A。其通過在一層SiC上制備氮化的氧化物層(即S12)和在含氫氣環(huán)境中退火該氮化的氧化物層制備了碳化硅結(jié)構(gòu)。目的是降低S12層中的懸掛鍵，也可以降低界面陷阱電荷，提高SiCMOSFET器件反型層溝道載流子迀移率。
[0007]但是，上述方法都只能降低Si02/SiC界面的陷阱電荷，不能填補S12柵介質(zhì)層中由于高溫產(chǎn)生的氧空位陷阱電荷，因此只能提高SiC MOSFET器件反型層溝道載流子迀移率，不能提高該器件中S12柵介質(zhì)層的臨界擊穿電場。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供一種制備SiC MOSFET柵氧化層的方法，其在熱沉積S12柵介質(zhì)層后使用(:12進(jìn)行退火，能夠填補S12柵介質(zhì)層的陷阱電荷，從而提高SiC MOSFET器件中S12柵介質(zhì)層的臨界擊穿電場。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0010]根據(jù)本發(fā)明，所述制備SiC MOSFET柵氧化層的方法包括:首先在SiC外延層上熱生長3102柵氧化層，然后在500?1000°C，優(yōu)選700?800°C下，包含Cl 2的環(huán)境中退火該柵氧化層。
[0011]使用Cl2退火柵介質(zhì)S1Jl的主要原理為:S1 2在高溫下熱解，部分氧原子離開S12，在柵介質(zhì)S12中形成氧空位陷阱電荷。氯原子與氧空位陷阱電荷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成S1-Cl鍵，填補高溫氧化過程產(chǎn)生的氧空位陷阱電荷，達(dá)到電荷平衡。
[0012]優(yōu)選這一過程中使用惰性氣體與(:12的混合氣體，目的是稀釋Cl 2，防止過多的Cl2破壞S12柵介質(zhì)層中的S1-O鍵，造成對S12柵介質(zhì)層的損害。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，混合氣體中Cl2的體積含量為I %?10%，優(yōu)選I %?3%。當(dāng)(:12含量過高時會損害S1-O鍵，稀釋用的惰性氣體可以為隊或Ar。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，反應(yīng)前采用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗法清洗SiC外延片，目的是除去SiC外延片表面可能存在的有機物、顆粒和金屬雜質(zhì)等污染物。這些污染物的存在會影響SiC MOSFET器件的電學(xué)特性。
[0015]所述RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗法是一種典型的、至今仍普遍使用的濕式化學(xué)清洗法，清洗的一般思路是首先去除硅片表面的有機物，然后溶解氧化膜，最后去除顆粒、金屬等污染物，同時使硅片表面鈍化。該清洗法主要包括以下幾種清洗液:
[0016](I)SPM:使用H2S04/H20^ 120?150°C下進(jìn)行清洗。SPM具有很高的氧化能力，可將金屬氧化后溶于清洗液中，并能把有機物氧化生成0)2和H 20。用SPM清洗SiC外延片可去除硅片表面的重有機物沾污和部分金屬，但是當(dāng)有機物沾污特別嚴(yán)重時會使有機物碳化而難以去除。
[0017](2) HF (DHF):使用HF(DHF)在20?25°C下進(jìn)行清洗。DHF可以去除硅片表面的自然氧化膜，因此，附著在自然氧化膜上的金屬將被溶解到清洗液中，同時DHF抑制了氧化膜的形成。因此可以很容易地去除硅片表面的Al，F(xiàn)e，Zn，Ni等金屬，DHF也可以去除附著在自然氧化膜上的金屬氫氧化物。用DHF清洗時，在自然氧化膜被腐蝕掉時，硅片表面的硅幾乎不被腐蝕。
[0018](3)APM(SC-1):使用 ΝΗ40Η/Η202/Η20 在 30 ?80°C下進(jìn)行清洗。由于 H2O2的作用，硅片表面有一層自然氧化膜(S12)呈親水性，硅片表面和粒子之間可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化層與硅片表面的Si被NH 40H腐蝕，因此附著在硅片表面的顆粒便落入清洗液中，從而達(dá)到去除粒子的目的。在NH40H腐蝕硅片表面的同時，H2O2又在氧化硅片表面形成新的氧化膜。
[0019](4)HPM(SC-2):使用HC1/H202/H20在65?85°C下進(jìn)行清洗。用于去除硅片表面的鈉、鐵、鎂等金屬沾污。在室溫下HPM就能除去Fe和Zn。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，RCA清洗結(jié)束后，所述制備SiC MOSFET柵氧化層的方法包括:
[0021]步驟一、將SiC外延片升溫至氧化溫度的升溫過程；
[0022]步驟二、氧化溫度下，在SiC外延片上生長S12柵介質(zhì)層的氧化過程；
[0023]步驟三、將生長有S12柵介質(zhì)層的SiC外延片降溫至退火溫度的降溫過程；
[0024]步驟四、退火溫度下通入(:12與惰性氣體的混合氣體，對生長有S12柵介質(zhì)層的SiC外延片進(jìn)行退火的退火過程；和
[0025]步驟五、將退火后的生長有S12柵介質(zhì)層的SiC外延片降溫的冷卻過程。
[0026]在本發(fā)明的實施例中，所述方法進(jìn)一步闡述如下:
[0027]步驟一、升溫過程:將RCA清洗后的SiC外延片置于高溫氧化爐中，升溫至1000?1400°C，優(yōu)選1300?1400°C的氧化溫度。在本發(fā)明的一個具體實施例中，升溫速率為5?10°C /cm0
[0028]該方法可以在高溫氧化爐優(yōu)選管式爐內(nèi)進(jìn)行，具體為在爐腔內(nèi)排列多個SiC晶片，晶片可置于載體上，使晶片在爐腔內(nèi)有固定位置。步驟一的目的是使放置有SiC外延片的爐腔溫度達(dá)到熱氧化生長S12柵介質(zhì)層的溫度。后續(xù)步驟中爐腔內(nèi)可注入反應(yīng)氣體并保持在所需要的設(shè)定溫度。
[0029]步驟二、氧化過程:在步驟一設(shè)定的氧化溫度下，以0.5?2slm(standard litreper minute的縮寫，意思是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下lL/min的流量)的速率向爐腔內(nèi)通入氧化氣體O2或H2O,設(shè)定爐腔壓力為100?lOOOmbar，保持時間10?180min ;得到S12層?xùn)沤橘|(zhì)的厚度為10?10nm0
[0030]對應(yīng)不同的反應(yīng)時間，該步驟可在SiC外延片上形成不同厚度的S12層?xùn)沤橘|(zhì)。其中通O2為干法氧化，通入H 20氣為濕法氧化。對于干法氧化，干燥02與SiC外延片反應(yīng)生成S1jP CO，CO氣體穿過S1 2并逸出SiC/S1 2界面，在SiC外延片上形成S1 2柵介質(zhì)層。對于濕法氧化，通入H2O蒸汽(或通入&與02兩股氣體，使其在爐腔內(nèi)發(fā)生化合反應(yīng)生成H2O蒸汽)與SiC外延片反應(yīng)生成CO、HjP S12，其中的CO、112氣體穿過S1 2并逸出SiC/Si02界面，在SiC外延片上形成S1 2柵介質(zhì)層。
[0031]步驟三、降溫過程:將高溫氧化爐內(nèi)的溫度降至500?1000°C，優(yōu)選700?800°C的退火溫度。由于退火溫度低于氧化溫度，因此該步驟中需要在氧化得到S12柵介質(zhì)層后將爐腔溫度降至退火溫度，降溫后再通入(:12與惰性氣體的混合氣體可精確控制下一步的退火時間。在本發(fā)明的一個具體實施例中，降溫速率為5?10°C /cm。
[0032]步驟四、退