阅读说明：本技术 一种碳化硅mos电容器件及其制作方法 (Silicon carbide MOS capacitor device and manufacturing method thereof ) 是由 罗志鹏 许恒宇 金智 万彩萍 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种碳化硅MOS电容器件及其制作方法,在通过对SiC外延片氧化处理形成位于SiC外延层背离SiC衬底一侧的栅氧化层后,对栅氧化层和SiC外延层的界面处进行辐照,直接分解了栅氧化层和SiC外延层的界面处的部分缺陷结构,并使得该界面处的C原子离开界面位置,达到改善界面处电学性能的目的。故而,本发明提供的技术方案,在改善栅氧化层和SiC外延层的界面处缺陷的同时,能够减少制作碳化硅MOS电容器件过程中的热预算,提高了碳化硅MOS电容器件的可靠性。(The invention provides a silicon carbide MOS capacitor device and a manufacturing method thereof, wherein after a gate oxide layer positioned on one side of a SiC epitaxial layer, which is far away from a SiC substrate, is formed by oxidizing the SiC epitaxial wafer, the interface of the gate oxide layer and the SiC epitaxial layer is irradiated, so that a part of defect structures at the interface of the gate oxide layer and the SiC epitaxial layer are directly decomposed, and C atoms at the interface are separated from the interface position, thereby achieving the purpose of improving the electrical property at the interface. Therefore, according to the technical scheme provided by the invention, the defects at the interface of the gate oxide layer and the SiC epitaxial layer are improved, meanwhile, the thermal budget in the process of manufacturing the silicon carbide MOS capacitor device can be reduced, and the reliability of the silicon carbide MOS capacitor device is improved.)

一种碳化硅MOS电容器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体功率器件技术领域，更为具体地说，涉及一种碳化硅MOS电容器件及其制作方法。

背景技术

相较于以硅为代表的第一代半导体材料和以砷化镓为代表的第二代半导体材料，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器件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(JunctionBarrier 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。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种碳化硅MOS电容器件及其制作方法，有效解决现有技术存在的技术问题，在改善栅氧化层和SiC外延层的界面处缺陷的同时，能够减少制作碳化硅MOS电容器件过程中的热预算，提高了碳化硅MOS电容器件的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种碳化硅MOS电容器件的制作方法，包括：

提供一SiC外延片，所述SiC外延片包括SiC衬底及位于所述SiC衬底上的SiC外延层；

对所述SiC外延片进行氧化处理，形成位于所述SiC外延层背离所述SiC衬底一侧的栅氧化层；

对所述栅氧化层和所述SiC外延层的界面处进行辐照；

在所述栅氧化层背离所述SiC衬底一侧形成第一电极，且在所述SiC衬底背离所述SiC外延层一侧形成第二电极。

可选的，对所述栅氧化层和所述SiC外延层的界面处进行辐照，包括：

采用高能光子光束对所述栅氧化层和所述SiC外延层的界面处进行辐照，其中，所述高能光子光束的光子波段为10nm-450nm，包括端点值。

可选的，所述高能光子光束为紫外光束。

可选的，控制所述高能光子束为连续的高能光子束或脉冲的高能光子束。

可选的，控制所述高能光子束的辐照功率为100mW/cm₂-2000mW/cm₂，包括端点值。

可选的，采用气态激光器或固态激光器产生所述高能光子束。

可选的，对所述SiC外延片进行氧化处理而形成所述栅氧化层的同时，对所述SiC外延片进行氧化处理还在所述SiC衬底背离所述SiC外延层一侧形成有牺牲氧化层；

其中，在形成所述第二电极前去除所述牺牲氧化层。

可选的，所述SiC外延片的材料为4H-SiC、3C-SiC或6H-SiC。

可选的，对所述SiC外延片进行氧化处理，包括：

对所述SiC外延片进行干氧氧化处理，在氧气气氛下对所述SiC外延片进行预设温度的高温处理。

相应的，本发明还提供了一种碳化硅MOS电容器件，采用上述的碳化硅MOS电容器件的制作方法制作而成。

相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

本发明提供了一种碳化硅MOS电容器件及其制作方法，包括：提供一SiC外延片，所述SiC外延片包括SiC衬底及位于所述SiC衬底上的SiC外延层；对所述SiC外延片进行氧化处理，形成位于所述SiC外延层背离所述SiC衬底一侧的栅氧化层；对所述栅氧化层和所述SiC外延层的界面处进行辐照；在所述栅氧化层背离所述SiC衬底一侧形成第一电极，且在所述SiC衬底背离所述SiC外延层一侧形成第二电极。

由上述内容可知，在通过对SiC外延片氧化处理形成位于SiC外延层背离SiC衬底一侧的栅氧化层后，对栅氧化层和SiC外延层的界面处进行辐照，直接分解了栅氧化层和SiC外延层的界面处的部分缺陷结构，并使得该界面处的C原子离开界面位置，达到改善界面处电学性能的目的。故而，本发明提供的技术方案，在改善栅氧化层和SiC外延层的界面处缺陷的同时，能够减少制作碳化硅MOS电容器件过程中的热预算，提高了碳化硅MOS电容器件的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种碳化硅MOS电容器件的制作方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的另一种碳化硅MOS电容器件的制作方法的流程图；

图3a-图3e为图2中各步骤相应的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种高能光子光束的产生装置的结构示意图。

具体实施方式

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。

正如背景技术所述，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。现今在制备碳化硅MOS器件的过程中，在不同气氛下的高温热退火可以降低SiO₂/SiC界面的界面态和改善界面缺陷，但是会产生额外的热预算，并且在复杂结构的器件中可能会产生结构的微变和可靠性的降低；或者，现今制备工艺将N元素引入SiO₂/SiC界面，其虽然可以降低界面态，但是另一方面在氧化层中引入了正电荷，使平带电压降低，使碳化硅MOS器件在使用过程中容易发生误开启的问题。

基于此，本发明提供了一种碳化硅MOS电容器件及其制作方法，有效解决现有技术存在的技术问题，在改善栅氧化层和SiC外延层的界面处缺陷的同时，能够减少制作碳化硅MOS电容器件过程中的热预算，提高了碳化硅MOS电容器件的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下，具体结合图1至图4对本发明实施例提供的技术方案进行详细的描述。

参考图1所示，为本发明实施例提供的一种碳化硅MOS电容器件的制作方法的流程图，其中，制作方法包括：

S1、提供一SiC外延片，所述SiC外延片包括SiC衬底及位于所述SiC衬底上的SiC外延层；

S2、对所述SiC外延片进行氧化处理，形成位于所述SiC外延层背离所述SiC衬底一侧的栅氧化层；

S3、对所述栅氧化层和所述SiC外延层的界面处进行辐照；

S4、在所述栅氧化层背离所述SiC衬底一侧形成第一电极，且在所述SiC衬底背离所述SiC外延层一侧形成第二电极。

可以理解的，本发明实施例提供的制作方法中，在通过对SiC外延片氧化处理形成位于SiC外延层背离SiC衬底一侧的栅氧化层后，对栅氧化层和SiC外延层的界面处进行辐照，直接分解了栅氧化层和SiC外延层的界面处的部分缺陷结构，并使得该界面处的C原子离开界面位置，达到改善界面处电学性能的目的。故而，本发明提供的技术方案，在改善栅氧化层和SiC外延层的界面处缺陷的同时，能够减少制作碳化硅MOS电容器件过程中的热预算，提高了碳化硅MOS电容器件的可靠性。

在本发明一实施例中，本发明在对SiC外延片进行氧化处理前，可以对SiC外延片的SiC衬底一侧进行保护，而在对SiC外延片进行氧化处理时，仅使SiC外延片的SiC外延层一侧形成栅氧化层。或者，

本发明在对SiC外延片进行氧化处理前，不对SiC外延片的SiC衬底一侧进行保护，而在对SiC外延片进行氧化处理时，在SiC外延片的SiC外延层一侧形成栅氧化层的同时，在SiC外延片的SiC衬底一侧形成一牺牲氧化层，而后在制作第二电极前将其去除；即，本发明实施例提供的对所述SiC外延片进行氧化处理而形成所述栅氧化层的同时，对所述SiC外延片进行氧化处理还在所述SiC衬底背离所述SiC外延层一侧形成有牺牲氧化层；

其中，在形成所述第二电极前去除所述牺牲氧化层。

具体参考图2所示，为本发明实施例提供的另一种碳化硅MOS电容器件及其制作方法的流程图，其中，制作方法包括：

S11、提供一SiC外延片，所述SiC外延片包括SiC衬底及位于所述SiC衬底上的SiC外延层；

S12、对所述SiC外延片进行氧化处理，形成位于所述SiC外延层背离所述SiC衬底一侧的栅氧化层，同时形成位于所述SiC衬底背离所述SiC外延层一侧的牺牲氧化层；

S13、对所述栅氧化层和所述SiC外延层的界面处进行辐照；

S14、在所述栅氧化层背离所述SiC衬底一侧形成第一电极；

S15、去除所述牺牲氧化层，并在所述SiC衬底背离所述SiC外延层一侧形成第二电极。

需要说明的是，本发明实施例对去除牺牲氧化层的步骤可以在形成第一电极的步骤后进行，还可以在形成第一电极的步骤前进行，对此本发明不做具体限制，其只要在形成第二电极前去除即可。

下面结合碳化硅MOS电容器件的制作方法中各步骤相应的结构示意图，对本发明实施例提供的技术方案进行更详细的描述。参考图3a-图3e所示，为图2中各步骤相应的结构示意图。

如图3a所示，对应步骤S11，提供一SiC外延片，所述SiC外延片包括SiC衬底101及位于所述SiC衬底101上的SiC外延层102。

在本发明一实施例中，本发明提供的所述SiC外延片的材料可以为4H-SiC、3C-SiC或6H-SiC。以及，SiC外延片可以为N型材质，还可以为P型材质，对此本发明不做具体限制。

可以理解的，本发明实施例提供的SiC外延片的材料可以为3C-SiC，3C-SiC是唯一具有闪锌矿结构的同质多型体，其电子迁移率最高，且其具有高热导率和高临界击穿电场；及本发明实施例提供的SiC外延片的材料可以为6H-SiC，6H-SiC具有宽的带隙，采用6H-SiC制作的功率器件具有工作温度高等优势；以及本发明实施例提供的SiC外延片的材料为4H-SiC，4H-SiC具有比6H-SiC更宽的带隙，且4H-SiC具有较高的电子迁移率和较高击穿电场强度。

优选的，本发明实施例提供的SiC外延层的材料为4H-SiC，其厚度可以设置为12μm，且其掺杂浓度可以为8*10¹⁵cm^-3。

如图3b所示，对应步骤S12，对所述SiC外延片进行氧化处理，形成位于所述SiC外延层102背离所述SiC衬底101一侧的栅氧化层200，同时形成位于所述SiC衬底101背离所述SiC外延层102一侧的牺牲氧化层300；

在本发明一实施例中，本发明提供的SiC外延片进行氧化处理前，可以对SiC外延片进行清洗。可选的，对SiC外延片进行清洗可以采用标准RCA清洗方法进行，对此本发明不做具体限制。

具体的，可以将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90℃温度下水浴加热15min，用去离子水清洗后，采用N₂吹干；而后，将SiC外延片浸在体积比为1:1的浓度为28wt％的氨水和27wt％的双氧水混合液中，水浴加热15min，用去离子水清洗后，采用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％的双氧水混合液中，于90℃温度下水浴加热15min，用去离子水清洗后，采用N₂吹干，完成SiC外延片的清洗过程。

在对SiC外延片进行清洗完毕后，将其放置于氧化炉中进行氧化。可选的，本发明实施例提供的对所述SiC外延片进行氧化处理，包括：

对所述SiC外延片进行干氧氧化处理，在氧气气氛下对所述SiC外延片进行预设温度的高温处理，形成栅氧化层和牺牲氧化层。

在本发明一实施例中，本发明提供的预设温度可以为1200℃-1500℃，包括端点值；进一步可以优化为1250℃-1450℃，包括端点值。

本发明实施例提供了一具体对SiC外延片氧化处理的过程，其中，首先利用氮气排空氧化炉中的空气，且在氮气做为保护气体的条件下，将清洗后的SiC外延片放入石英舟上，在温度为700℃的环境中缓慢推入氧化炉恒温区处；而后按照5℃/min的速率对恒温区进行升温，当温度升高至1350℃时缓慢通入氧气，在纯干氧气氛围中将SiC外延片氧化20min，形成厚度为58nm-60nm的SiO₂栅氧化层和厚度为58nm-60nm的SiO₂牺牲氧化层。

如图3c所示，对应步骤S13，对所述栅氧化层200和所述SiC外延层102的界面处进行辐照。

在对SiC外延片放置于氧化炉中进行氧化处理完后，关掉其氧气通道，而后在氮气保护下对恒温区进行降温，而后缓慢拖出石英舟取出氧化处理完毕的SiC外延片；而后，对SiC外延片与栅氧化层的界面处进行预设时间的辐照，达到改善栅氧化层和SiC外延层的界面处缺陷的目的，同时减少了制作碳化硅MOS电容器件过程中的热预算，提高了碳化硅MOS电容器件的可靠性。

在本发明一实施例中，本发明提供的对所述栅氧化层和所述SiC外延层的界面处进行辐照，包括：

采用高能光子光束对所述栅氧化层和所述SiC外延层的界面处进行辐照，其中，所述高能光子光束的光子波段为10nm–450nm，包括端点值。

可以理解的，高能光子光束中由于单光子能量极高，其可以使原子核外层电子激发到很高的能级，直观表现为化学键的断裂和化学性质的转变。进而，高能光子光束自栅氧化层一侧入射至栅氧化层和SiC外延层之间界面处，能够直接分解栅氧化层和SiC外延层的界面处的部分缺陷结构，并使得该界面处的C原子离开界面位置，达到改善界面处电学性能的目的。

在本发明一实施例中，本发明提供的所述高能光子光束可以为紫外光束，其波段为20nm–400nm，包括端点值。以及，本发明提供的技术方案可以控制所述高能光子束为连续的高能光子束或脉冲的高能光子束。

在本发明一实施例中，本发明提可以控制所述高能光子束的辐照功率为100mW/cm₂-1000mW/cm₂，包括端点值。

以及，本发明实施例可以采用气态激光器或固态激光器产生所述高能光子束，具体的激光器可以为ArF激光器、D₂激光器等，对此本发明不做具体限制。

结合图4所示，为本发明实施例提供的一种高能光子光束的产生装置的结构示意图，产生装置包括有激光器10、光路引导器件20和光束调整器件30；其中，激光器10产生高能光子光束，而后，高能光子光束入射至设置于激光器10光路上的光路引导器件20中；光路引导器件20将高能光子光束引导调整至预期光路出射至光束调整器件30；光束调整器件30可以通过柔光片或光栅等器件将高能光子光束进行扩散和均一化，使得高能光子光束以大面积且均匀的对栅氧化层和SiC外延层的界面处进行辐照。

如图3d所示，对应步骤S14，在所述栅氧化层200背离所述SiC衬底101一侧形成第一电极401。

在对SiC外延片进行辐照处理完毕后，可以采用光刻、溅射、剥离工艺形成第一电极。具体的，可以将SiC外延片放置于HMDS烘箱中15min，在栅氧化层背离SiC衬底一侧进行涂覆光刻胶；然后对SiC外延片在100℃下进行前烘，前烘时间为2min；冷却2min后，利用第一电极相应的光刻板在光刻胶上刻出第一电极图形，其中，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，而后进行115℃热板坚膜90s，露出第一电极的图形区域；采用溅射工艺在光刻胶膜背离SiC外延片一侧形成厚度为300nm的电极层，最终通过剥离光刻胶方法形成预设图形化的第一电极。

在本发明一实施例中，本发明提供的第一电极的材料可以为Al、Ti或NiCr等，对此本发明不做具体限制。

如图3e所示，对应步骤S15，去除所述牺牲氧化层300，并在所述SiC衬底101背离所述SiC外延层102一侧形成第二电极402。

在形成第一电极后，在第一电极背离SiC衬底一侧涂覆光刻胶进行保护，而后采用浓度为5％-10％的稀释氢氟酸溶液作为腐蚀液，对牺牲氧化层进行刻蚀去除，而后采用溅射工艺对SiC衬底背离SiC外延层一侧形成厚度为300nm的第二电极；最后采用丙酮溶液去除第一电极背离SiC衬底一侧的光刻胶，且依次使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗5分钟，再采用氮气吹干后完成碳化硅MOS电容器件的制作。

在本发明一实施例中，本发明提供的第二电极的材料可以为Al、Ti或NiCr等，对此本发明不做具体限制。

相应的，本发明还提供了一种碳化硅MOS电容器件，采用上述任意一实施例提供的碳化硅MOS电容器件的制作方法制作而成。

本发明提供了一种碳化硅MOS电容器件及其制作方法，包括：提供一SiC外延片，所述SiC外延片包括SiC衬底及位于所述SiC衬底上的SiC外延层；对所述SiC外延片进行氧化处理，形成位于所述SiC外延层背离所述SiC衬底一侧的栅氧化层；对所述栅氧化层和所述SiC外延层的界面处进行辐照；在所述栅氧化层背离所述SiC衬底一侧形成第一电极，且在所述SiC衬底背离所述SiC外延层一侧形成第二电极。

由上述内容可知，在通过对SiC外延片氧化处理形成位于SiC外延层背离SiC衬底一侧的栅氧化层后，对栅氧化层和SiC外延层的界面处进行辐照，直接分解了栅氧化层和SiC外延层的界面处的部分缺陷结构，并使得该界面处的C原子离开界面位置，达到改善界面处电学性能的目的。故而，本发明提供的技术方案，在改善栅氧化层和SiC外延层的界面处缺陷的同时，能够减少制作碳化硅MOS电容器件过程中的热预算，提高了碳化硅MOS电容器件的可靠性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。