一种碳化硅mos电容栅氧化层的制备方法
阅读说明：本技术 一种碳化硅mos电容栅氧化层的制备方法 (Preparation method of silicon carbide MOS capacitor gate oxide layer ) 是由 葛念念 许恒宇 万彩萍 王世海 罗志鹏 金智 于 2019-03-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种碳化硅MOS电容器件栅氧化层的制备方法,该制备方法包括：提供一SiC外延片；对所述SiC外延片进行清洗；对所述清洗后的SiC外延片进行氧化处理,在外延片上表面形成SiC MOS电容的SiO<Sub>2</Sub>栅氧化层,在下表面形成下表面SiO<Sub>2</Sub>氧化层；对所述氧化后的SiC外延片进行退火处理；在所述退火处理后的上表面SiC MOS电容栅氧化层的表面形成金属上电极；对所述的下表面氧化层进行刻蚀,并形成金属下电极。本发明通过提高退火处理步骤中的退火温度,实现对界面缺陷密度和栅氧化层可靠性的优化,并且工艺简单,效率高,成本低廉。(The invention discloses a preparation method of a silicon carbide MOS capacitor device gate oxide, which comprises the following steps: providing a SiC epitaxial wafer; cleaning the SiC epitaxial wafer; oxidizing the cleaned SiC epitaxial wafer to form SiO of the SiC MOS capacitor on the upper surface of the epitaxial wafer 2 A gate oxide layer with SiO on the lower surface 2 An oxide layer; annealing the oxidized SiC epitaxial wafer; forming a metal upper electrode on the surface of the annealed upper surface SiC MOS capacitor gate oxide layer; and etching the lower surface oxide layer to form a metal lower electrode. The invention realizes the optimization of the interface defect density and the reliability of the gate oxide layer by improving the annealing temperature in the annealing treatment step, and has simple process, high efficiency and low cost.)
技术领域
本发明涉及半导体功率器件技术领域，尤其涉及一种碳化硅MOS电容器件栅氧化层的制备方法。
背景技术
相对于以硅为代表的第一代半导体和以砷化镓为代表的第二代半导体，第三代半导体材料SiC具有更大的禁带宽度和更高的临界击穿场强；相比同等条件下的硅功率器件，SiC的耐压程度约为硅材料的100倍，特别是近年来SiC器件厂商陆续推出的肖特基二极管(Schottky Barrier Diode，SBD)以及结势垒肖特基二极管(Junction Barrier Schottky，JBS)结构产品，耐压范围已经达到600V-1700V。同时，SiC具有较高的热导率和较低的本征载流子浓度，能够承受约600℃的结温，使得SiC器件的工作温度极限大大提高。另外，SiC器件的电子饱和速率较高、正向导通电阻小、功率损耗较低，适合大电流大功率运用，降低了对散热设备的要求。相对于其它第三代半导体如GaN而言，SiC能够较方便的通过热氧化形成二氧化硅。所以SiC被认为是新一代高效能电力电子器件重要的发展方向，在新能源汽车、轨道交通、机车牵引、智能电网等领域具有广阔的应用前景。
但在SiC功率器件中，通过热氧化生成的栅氧化层会在SiO2/SiC界面处引入大量的如碳团簇和氧空位等缺陷，导致界面处界面态密度大幅增加，使SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor，MOSFET)的反型层载流子有效迁移率大幅下降并且使栅氧化层可靠性降低，严重制约了SiC功率器件的发展与应用。
对于SiC MOS电容而言，采用在N2O、NH3或NO气氛中进行栅氧化层退火工艺，可以有效降低界面处缺陷密度、降低界面态密度、改善界面质量，从而提高反型层载流子有效迁移率和栅氧化层可靠性。并且在NO气氛中进行的退火工艺被认为是最具前景的、用来改善SiCMOS器件界面质量和栅氧化层可靠性的方法。为更好的提高SiC MOS界面质量和栅氧化层可靠性，通常采用延长在NO气氛中的退火时间，实现对界面缺陷密度和栅氧化层可靠性的优化。但该方法所需时间较长、成本较高，改善效率低下。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为克服上述制备方法的缺点和不足，本发明提供的一种碳化硅MOS电容器件栅氧化层的制备方法，通过延长退火时间从而有效提升界面处氮元素密度以对界面及栅氧化层进行改善效率低下的技术问题。
(二)技术方案
本发明提供一种碳化硅MOS电容器件栅氧化层的制备方法，包括：
提供一SiC外延片；
对所述SiC外延片进行清洗；
对所述清洗后的SiC外延片进行氧化处理，在外延片上表面形成SiC MOS电容的SiO2栅氧化层，在下表面形成下表面SiO2氧化层；
对所述氧化后的SiC外延片进行退火处理；
在所述退火处理后的上表面SiC MOS电容栅氧化层的表面形成金属上电极；
对所述的下表面氧化层进行刻蚀，并形成金属下电极。
其中，所述提供一SiC外延片步骤中，所述SiC外延片的材料为N型4H-SiC、3C-SiC或6H-SiC；对所述SiC外延片进行清洗的步骤中，所述清洗方法为标准RCA清洗法；对所述清洗后的SiC外延片进行氧化处理步骤中，所述的氧化处理为干氧氧化，在氧气气氛下对所述碳化硅外延片进行1250℃-1450℃的高温处理，在所述碳化硅外延片上表面形成SiC MOS电容栅氧化层，在所述碳化硅外延片下表面形成下表面氧化层；对所述氧化后的SiC外延片进行退火处理步骤中，所述的退火处理是在NO、N2或NH3气氛下进行的，提高退火温度至1250℃-1300℃，实现对栅氧化层低界面态密度及高可靠性的优化；所述的金属电极为Al、Ti或NiCr材料，通过溅射工艺制备得到；所述对下表面氧化层进行刻蚀的步骤中，采用百分比浓度为5％-15％的稀释氢氟酸溶液作为腐蚀液进行刻蚀。
(三)有益效果
本发明提供的一种碳化硅MOS电容器件栅氧化层的制备方法，与传统的SiC MOS电容器件栅氧化层的制备方法相比，通过提高退火温度从而能够使N、O键更容易分离，界面处的O空位、C残留等，在退火工艺中更容易形成Si-N键和CO，更好地发挥氮元素的钝化作用，降低界面处的碳团簇等从而达到更好的退火效果，工艺简单，效率高，成本低廉。
附图说明
图1A至图1C是本发明一实施例提供的一种SiC MOS电容器件栅氧化层的制备工艺步骤结构图；
图2是本发明提出的一种碳化硅MOS电容栅氧化层的制备方法流程图。
【附图标记说明】
101：SiC衬底
102：SiC衬底外延层
103：SiO2栅氧化层
104：下表面SiO2氧化层
105：金属上电极
106：金属下电极
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前SiC MOS器件栅氧化层的问题是阻碍SiC MOSFET器件商业化的主要原因，因此需要开发成熟和可重复的栅氧制备方法，由于碳化硅MOSFET器件的工艺较为复杂，成本和周期较长，因此借助SiC MOS电容器件来进行SiC MOS器件栅氧化层的单步工艺的开发，以此节约时间、成本并获得相同的效果。
本发明提供一种碳化硅MOS电容器件栅氧化层的制备方法，包括：
提供一SiC外延片；
对所述SiC外延片进行清洗；
对所述清洗后的SiC外延片进行氧化处理，在外延片上表面形成SiC MOS电容的SiO2栅氧化层，在下表面形成下表面SiO2氧化层；
对所述氧化后的SiC外延片进行退火处理；
在所述退火处理后的上表面SiC MOS电容栅氧化层的表面形成金属上电极；
对所述的下表面氧化层进行刻蚀，并形成金属下电极。
其中，所述提供一SiC外延片步骤中，所述SiC外延片的材料为N型4H-SiC、3C-SiC或6H-SiC；对所述SiC外延片进行清洗的步骤中，所述清洗方法为标准RCA清洗法；对所述清洗后的SiC外延片进行氧化处理步骤中，所述的氧化处理为干氧氧化，在氧气气氛下对所述碳化硅外延片进行1250℃-1450℃的高温处理，在所述碳化硅外延片上表面形成SiC MOS电容栅氧化层，在所述碳化硅外延片下表面形成下表面氧化层；对所述氧化后的SiC外延片进行退火处理步骤中，所述的退火处理是在NO、N2或NH3气氛下进行的，提高退火温度至1250℃-1300℃，实现对栅氧化层低界面态密度及高可靠性的优化；所述的金属电极为Al、Ti或NiCr材料，通过溅射工艺制备得到；所述对下表面氧化层进行刻蚀的步骤中，采用百分比浓度为5％-15％的稀释氢氟酸溶液作为腐蚀液进行刻蚀。
本发明提供的一种碳化硅MOS电容器件栅氧化层的制备方法，与传统的SiC MOS电容器件栅氧化层的制备方法相比，通过使SiC MOS电容栅氧化层在更高温度下进行退火，实现更高的钝化元素面密度从而降低界面态密度以及提高栅氧化层可靠性，与增加退火时间获得钝化元素面密度的工艺相比，效果更好、工艺简单、成本低廉。
特别的，本发明通过SiC MOS电容器件来表征SiC MOS器件栅氧化层的特性。
为进一步说明该发明提出的一种碳化硅MOS电容器件栅氧化层的制备方法，特举实施例进行说明。如图1A至1C所示为采用该方法制备工艺步骤结构图，如图1A所示，本发明一实施例提供的，经过清洗和腐蚀后的SiC MOS电容的外延片材料结构示意图；如图1B所示，在上述SiC外延材料上表面生长SiO2栅氧化层103，以及在下表面氧化生长的下表面SiO2氧化层104；如图1C所示，对上述退火处理后的SiC外延片上表面生长金属上电极105，并对下表面SiO2氧化成104刻蚀后溅射得到的金属下电极106。
结合图2，本实施例提供的SiC MOS电容器件栅氧化层的制备步骤具体如下：
步骤S201：本发明的一个实施例使用SiC衬底101，以及在101衬底硅面上具有更高击穿电场强度和更高载流子迁移率的N型4H-SiC材料作为外延层102，其厚度为12μm，掺杂浓度为8×1015cm-3。
步骤S202：采用标准RCA清洗方法清洗所述的4H-SiC外延片。具体的：首先，将SiC外延片浸在体积比为1：1的浓度为98wt％的浓硫酸和27wt％的双氧水混合液中，于80℃-90℃温度下水域加热15min-30min，用去离子水清洗后，N2吹干；然后，将SiC外延片浸在体积比为1∶1的浓度为28wt％的氨水和27wt％的双氧水混合溶液中，于80℃-90℃温度水域加热15min-30min，用去离子水清洗后，N2吹干；最后，将SiC外延片浸在体积比为1∶1的浓度为10wt％的盐酸和27wt％的双氧水混合溶液中，于80℃-90℃温度下水域加热15min-30min，用去离子水清洗后，N2吹干。
步骤S203：本发明一实施例首先利用氮气(N2)排空氧化炉内空气，在N2保护下将清洗后的SiC外延片放入石英舟，在温度为650℃-750℃的环境中缓慢推入氧化炉恒温区中，按5℃/min的速率对恒温区进行升温，当温度升至1250℃-1450℃时缓慢通入氧气，在纯干氧气氛中将SiC外延片氧化，形成厚度为45nm-60nm的SiO2栅氧化层103和450nm-600nm的下表面SiO2氧化层104。
步骤S204：关掉氧气，在氮气保护下对恒温区进行降温，缓慢拖出石英舟取出SiC外延片。对氧化后的SiC外延片在NO、N2或NH3气氛下进行退火，退火温度为1250℃-1300℃。
步骤S205：将经过退火处理后的的SiC外延片先置于HMDS烘箱15min，进行正面涂光刻胶，然后对涂过胶的SiC外延片在100℃下进行前烘，前烘时间为2min，并冷却2min后，利用栅电极光刻版在SiC外延片刻出栅图形，前曝光时间为7s，反转曝光时间为65s；再将SiC外延片浸在显影液中显影75s，进行115℃热板坚膜90s，并露出有效栅接触区域；采用溅射工艺在SiC外延片上表面形成厚300nm、直径为300μm的圆形金属上电极105，最终通过剥离的方法形成栅电极图形。
步骤S206：将经过溅射形成正面栅电极的SiC外延片正面进行涂光刻胶保护，并采用浓度为5％-10％的稀释氢氟酸溶液作为腐蚀液对下表面SiO2氧化层104进行刻蚀后，采用溅射工艺对下表面溅射一厚度为300nm的Al金属下电极106；采用丙酮溶液去掉正面的光刻胶，并依次使用新的丙酮、乙醇、去离子水超声进行清洗，再用N2吹干，完成SiC MOS电容器件的制作。
特别的，本实施例提供两组在1250℃，30min、1300℃，30min工艺下对栅氧化层在NO下退火的实施例，以及两组分别在1200℃，30min、1200℃，120min工艺条件下，对栅氧化层在NO下退火的对比例，四组工艺制备得到SiC MOS电容的栅氧化层击穿电场强度(EBD)、击穿电荷量(QBD)、有效势垒高度(ΦB)如表1所示。
表1
通过表1数据对比可知，本发明的一个实施例采用1300℃，30min的栅氧化层NO退火工艺条件下制备的栅氧化层附近拥有和1200℃，120min工艺条件近乎相同的钝化氮元素面密度但此时SiO2/SiC界面态密度更低且可实现更高击穿电场强度(EBD，约10.09MV/cm)、击穿电荷量(QBD，约0.2223C/cm2)、有效势垒高度(ΦB，约2.72eV)，说明通过提高退火温度从而提高钝化氮元素面密度的方法比通过增加退火时间的方法在改善界面态密度和栅氧化层可靠性方面更有效。
因此，本发明提供的低界面态密度及高可靠性的SiC MOS电容器件栅氧化层的制备方法，与传统的SiC MOS电容器件栅氧化层的制备方法相比，通过使SiC MOS电容器件栅氧化层在更高温度下进行退火，实现更高的钝化元素面密度从而降低界面态密度以及提高栅氧化层可靠性。且与通过增加退火时间获得钝化氮元素面密度的工艺相比效果更好，工艺简单，成本低廉。
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而已，并不用于限制本发明，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。