一种具有叠栅结构的碳化硅mis器件及其制备方法
阅读说明：本技术 一种具有叠栅结构的碳化硅mis器件及其制备方法 (Silicon carbide MIS device with stacked gate structure and preparation method thereof ) 是由 康俊勇 李光容 王伟平 吴志明 孔丽晶 吴雅苹 李煦 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件及其制备方法,其器件结构包括至下而上依次设置的背电极、N+型4H-SiC外延材料基片层、AlN与Al2O3堆叠的栅介质层、栅电极。本发明通过采用高介电常数的AlN与Al2O3材料结合为叠栅结构介质层,以氮等离子体对底层栅介质AlN进行表面钝化,实现了表面平整无重构,优化了底层栅介质与上层栅介质的界面连接,改善了碳化硅MIS器件的衬底和栅介质的界面特性,提高了载流子迁移率和临界击穿场强,最终提升器件性能。(The invention discloses a silicon carbide MIS device with a stacked gate structure and a preparation method thereof, wherein the device structure comprises a back electrode, an N + type 4H-SiC epitaxial material substrate layer, a gate dielectric layer and a gate electrode, wherein the back electrode, the N + type 4H-SiC epitaxial material substrate layer, the AlN and the gate dielectric layer are stacked with Al2O 3. According to the invention, AlN with a high dielectric constant and Al2O3 materials are combined to form a stacked gate structure dielectric layer, and nitrogen plasma is used for carrying out surface passivation on the bottom gate dielectric AlN, so that the surface is smooth and has no reconstruction, the interface connection between the bottom gate dielectric and the upper gate dielectric is optimized, the interface characteristics of the substrate and the gate dielectric of the silicon carbide MIS device are improved, the carrier mobility and the critical breakdown field strength are improved, and the device performance is finally improved.)
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体来说，涉及一种高介电常数的堆叠栅介质碳化硅MIS器件及其制备方法。
背景技术
碳化硅(SiC)材料是一种性能优异的宽禁带半导体，不仅热导率高、临界击穿场强高、饱和电子漂移速率高，同时兼具稳定的物理化学特性、极高的抗辐照能力和机械强度等优点。近年来快速发展成为高温、高频、大功率电子器件等领域的研究热点。
尽管如此，SiC基金属-绝缘层-半导体(SiC-MIS)器件在栅介质层的可靠性及电子迁移率等方面遇到了较大的挑战。常用的绝缘层栅介质为SiO2，但SiC和SiO2的界面连接不理想，大量的界面悬挂键碳簇造成在导带底附近高的界面态，加剧了沟道散射和载流子俘获，降低沟道迁移率，影响了器件的可靠性。同时，SiO2介电常数比SiC低，使得SiO2内部的电场更强，将更早被击穿，SiC和SiO2的结合未能充分发挥出SiC材料的优越性。随着半导体制程的发展，器件体积不断缩小，当SiO2栅介质达到了理想的物理极限厚度(小于5nm)，量子隧穿效应甚至导致器件失效。
因此，需要寻求一种高介电常数又能有良好界面匹配的介质层取代SiO2，以提高SiC-MIS器件的可靠性。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种具有叠栅结构的SiC-MIS器件及其制备方法。将AlN和Al2O3材料堆叠构成栅介质层，利用AlN与4H-SiC晶格失配较小的优势，提高界面质量，降低漏电流密度。用氮等离子体对AlN薄膜表面钝化，反应活性强的等离子体处理形成的AlN表面平整无重构，优化了底层栅介质与上层栅介质的界面连接。结合禁带更宽的Al2O3材料，将在4H-SiC导带底附近可能出现的界面态推向禁带中央。本发明提供一种具有高介电常数、高临界电场以及低界面态密度的叠栅结构介质层及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案如下：
设计一种SiC-MIS器件，其结构从下到上依次包括背电极、N+衬底层、N型同质外延层、底层栅介质、介质界面钝化层、上层栅介质、栅电极，所述的底层栅介质与上层栅介质堆叠形成栅介质层。
进一步，所述N+衬底层为掺杂有浓度为5×1018cm-3磷离子的N型4H-SiC，所述N+衬底层的厚度为500μm。
进一步，所述N型外延层为掺杂有浓度为8×1015cm-3磷离子的N型4H-SiC，所述N型外延层的厚度为1μm～100μm。
进一步，所述第一栅极介质层为AlN材料，所述底层栅介质厚度约为2nm，并以氮等离子体对表面进行钝化处理。
进一步，所述上层栅介质为Al2O3材料，所述上层栅介质厚度为20nm。
进一步，所述背电极为厚度约为200μm的Al薄膜。
进一步，所述栅电极为直径500μm、厚度200nm的圆柱体Al材料。
一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，取厚度为350μm，氮离子掺杂浓度为5×1018cm-3的N+碳化硅衬底片，在温度为1600℃、压力为150mbar、反应气体为硅烷和丙烷、掺杂源气体为PH3、载运气体为PH3的条件下进行RCA清洗；
步骤S2，在清洗后的N+衬底层生长N型外延层，并进行工艺处理，掺杂离子为磷离子，掺杂浓度为8×1015cm-3的N型4H-SiC，其厚度为1μm～100μm；
步骤S3，对4H-SiC外延衬底基片进行清洗，将样品依次进行有机溶液超声清洗、碱洗、酸洗，每个清洗步骤后都执行5％HF溶液浸泡，再在去离子水中冲洗，氮气吹干；
步骤S4，利用磁控溅射工艺，在N型外延层上方制备底层栅介质AlN薄膜；
步骤S5，利用氮等离子体对表面进行钝化处理，形成一层超薄介质界面钝化层；
步骤S6，利用磁控溅射工艺，在底层栅介质上方制备上层栅介质Al2O3薄膜，并对形成栅介质的样品进行高温退火处理；
步骤S7，背面淀积Al金属，制备背电极；
步骤S8，正面淀积Al金属，制备栅电极，完成MIS器件制作。
进一步，所述步骤S2中，工艺处理的条件为：温度为1600℃，压力为150mbar，反应气体为硅烷和丙烷，掺杂源气体为PH3。
本发明的有益效果：
1、本发明利用磁控溅射工艺制备SiC-MIS器件，相较传统制备工艺，可以避免在4H-SiC和栅介质界面处的碳簇聚集等问题，同时降低热预算。
2、本发明采用堆叠栅介质，选取的两种材料AlN和Al2O3具有禁带宽度大，高介电常数的优点，相比于传统SiO2作为介质层，其在保证电容相同的前提下，可增加栅介质层的物理厚度，避免量子隧穿效应对器件的影响，提高器件稳定性。
3、本发明的底层栅介质为AlN材料，其与4H-SiC晶格常数相近，晶格失配小，可以提高界面特性，有效缓解界面态过高的问题。
4、本发明利用氮等离子体对底层栅介质AlN进行表面钝化，反应活性强的等离子体处理形成的AlN表面平整无重构，优化了底层栅介质与上层栅介质的界面连接。同时部分离子钝化了SiC衬底悬挂键，避免了高能粒子直接损伤碳化硅表面。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件的结构示意图；
图2是根据本发明实施例所述一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件的工艺流程步骤S2示意图一；
图3是根据本发明实施例所述一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件的工艺流程步骤S4示意图二；
图4是根据本发明实施例所述一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件的工艺流程步骤S5示意图三；
图5是根据本发明实施例所述一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件的工艺流程步骤S6示意图四；
图6是根据本发明实施例所述一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件的工艺流程步骤S7示意图五；
图中：1、N+衬底层；2、N型外延层；3、底层栅介质；4、介质界面钝化层；5、上层栅介质；6、背电极；7、栅电极。
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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1所示，根据本发明实施例所述的一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件，其结构从下到上依次包括背电极6、N+衬底层1、N型外延层2、底层栅介质3、介质界面钝化层4、上层栅介质5、栅电极7，所述的底层栅介质3、介质界面钝化层4与上层栅介质5堆叠构成栅极介质层。
在本实施例中，所述N+衬底层1为掺杂有浓度为5×1018cm-3磷离子的N型4H-SiC，所述N+衬底层的厚度为350μm。
在本实施例中，所述N型外延层为掺杂有浓度为8×1015cm-3磷离子的N型4H-SiC，所述N型外延层的厚度为1μm～100μm。
在本实施例中，所述第一栅极介质层为AlN材料，所述底层栅介质厚度为2nm，并以氮等离子体对表面进行钝化处理。
在本实施例中，所述上层栅介质为Al2O3材料，所述上层栅介质厚度为20nm。
在本实施例中，所述背电极为厚度约为200nm的Al薄膜。
在本实施例中，所述栅电极为直径500μm、厚度200nm的圆柱体Al材料。
如图2-6所示，一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，取厚度为350μm、氮离子掺杂浓度为5×1018cm-3的N+碳化硅衬底层1，在温度为1600℃、压力为150mbar、反应气体为硅烷和丙烷、掺杂源气体为PH3、载运气体为PH3的条件下进行RCA清洗；
步骤S2，在清洗后的N+衬底层1生长N型外延层2，并进行工艺处理，掺杂离子为磷离子，掺杂浓度为8×1015cm-3的N型4H-SiC，其厚度为1μm～100μm；
步骤S3，对4H-SiC外延衬底基片采用湿法工艺清洗去除有机物和自然氧化物，将样品依次进行有机溶液超声清洗、碱洗、酸洗，每个清洗步骤后都执行5％HF溶液浸泡，再在去离子水中冲洗，氮气吹干；最后用浓度为5％HF溶液在温度在80℃下浸泡5分钟后，对基片进行去离子水超声清洗20min，再用去离子水冲洗数遍，最后氮气吹干；
步骤S4，在N型外延层2上方制备底层栅介质3，本实施实例中采用磁控溅射工艺，所述底层栅基质3为AlN材料。获得底层栅介质3，厚度约为2nm；
步骤S5，将获得的样品放入等离子体去胶机中，用氮等离子体对底层栅介质表面进行钝化处理，获得一层超薄界面钝化层4；
步骤S6，在界面钝化层4上方制备上层栅介质5，本实施实例中采用磁控溅射工艺，所述的底层栅介质5为Al2O3材料，调整靶材与基底的间距，抽真空并加热基底，通入高纯氧气作为反应气体，自然降温后获得上层栅介质5，厚度约为20nm。随后对形成栅介质的样品放入退火炉中，通入高纯氧气和氮气进行高温退火；
步骤S7，制备背电极6，利用磁控溅射工艺将金属电极沉积到样品背面，所述背电极6的材料为Al，所述背电极6厚度为200nm；
步骤S8，制备栅电极7，利用磁控溅射工艺将金属电极沉积到样品正面，所述栅电极7材料为Al，形状为圆柱形，直径为500μm，厚度为200nm，完成SiC-MIS器件制作。
在本实施例中，所述步骤S2中，工艺处理的条件为：温度为1600℃，压力为150mbar，反应气体为硅烷和丙烷，掺杂源气体为PH3。
在本实施例中，所述步骤S4中，磁控溅射工艺参数为：氩气流量30sccm、启辉功率30W、本底真空度为5×10-5Pa、溅射气体压强0.65Pa、溅射时长60～120s。
在本实施例中，所述步骤S5中，表面钝化参数为：功率50W，氮气流量1.5L/min，处理时长60～200s。
在本实施例中，所述步骤S6中，磁控溅射工艺参数为氩气流量30sccm、氧气流量5sccm～15sccm、启辉功率30W、本底真空度5×10-4Pa、溅射气体压强0.65Pa、基底温度400℃、溅射时长40min；退火工艺分原位低温退火和慢速高温退火，原位低温退火工艺参数为氧气流量30sccm、温度400℃、气压7Pa。慢速高温退火工艺参数为控制氧气和氮气流量比为1:2，所述的高温退火包括升温过程，保温过程和自然降温过程，升温过程需通过两个梯度阶段升温达到1100℃。
实施例二：
如图1所示，根据本发明实施例所述的一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件，其结构从下到上依次包括背电极6、N+衬底层1、N型外延层2、底层栅介质3、介质界面钝化层4、上层栅介质5、栅电极7，所述的底层栅介质3、介质界面钝化层4与上层栅介质5堆叠构成栅极介质层。
在本实施例中，所述N+衬底层1为掺杂有浓度为5×1018cm-3磷离子的N型4H-SiC，所述N+衬底层的厚度为350μm。
在本实施例中，所述N型外延层为掺杂有浓度为8×1015cm-3磷离子的N型4H-SiC，所述N型外延层的厚度为1μm～100μm。
在本实施例中，所述第一栅极介质层为AlN材料，所述底层栅介质厚度为7nm，并以氮等离子体对表面进行钝化处理。
在本实施例中，所述上层栅介质为Al2O3材料，所述上层栅介质厚度为15nm。
在本实施例中，所述背电极为厚度约为200nm的Al薄膜。
在本实施例中，所述栅电极为直径500μm、厚度200nm的圆柱体Al材料。
如图2-6所示，一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，取厚度为300μm、氮离子掺杂浓度为5×1018cm-3的N+碳化硅衬底层1，在温度为1600℃、压力为150mbar、反应气体为硅烷和丙烷、掺杂源气体为PH3、载运气体为PH3的条件下进行RCA清洗；
步骤S2，在清洗后的N+衬底层1生长N型外延层2，并进行工艺处理，掺杂离子为磷离子，掺杂浓度为8×1015cm-3的N型4H-SiC，其厚度为1μm～100μm；
步骤S3，对4H-SiC外延衬底基片采用湿法工艺清洗去除有机物和自然氧化物，将样品依次进行有机溶液超声清洗、碱洗、酸洗，每个清洗步骤后都执行5％HF溶液浸泡，再在去离子水中冲洗，氮气吹干；最后用浓度为5％HF溶液在温度在80℃下浸泡5分钟后，对基片进行去离子水超声清洗20min，再用去离子水冲洗数遍，最后氮气吹干；
步骤S4，在N型外延层2上方制备底层栅介质3，本实施实例中采用磁控溅射工艺，所述底层栅基质3为AlN材料。获得底层栅介质3，厚度约为7nm；
步骤S5，将获得的样品放入等离子体去胶机中，用氮等离子体对底层栅介质表面进行钝化处理，获得一层超薄界面钝化层4；
步骤S6，在界面钝化层4上方制备上层栅介质5，本实施实例中采用磁控溅射工艺，所述的底层栅介质5为Al2O3材料，调整靶材与基底的间距抽真空并加热基底，通入高纯氧气作为反应气体，自然降温后获得上层栅介质5，厚度约为15nm。随后对形成栅介质的样品放入退火炉中，通入高纯氧气和氮气进行高温退火；
步骤S7，制备背电极6，利用磁控溅射工艺将金属电极沉积到样品背面，所述背电极6的材料为Al，所述背电极6厚度为200nm；
步骤S8，制备栅电极7，利用磁控溅射工艺将金属电极沉积到样品正面，所述栅电极7材料为Al，形状为圆柱形，直径为500μm，厚度为200nm，完成SiC-MIS器件制作。
在本实施例中，所述步骤S2中，工艺处理的条件为：温度为1600℃，压力为150mbar，反应气体为硅烷和丙烷，掺杂源气体为PH3。
在本实施例中，所述步骤S4中，磁控溅射工艺参数为：氩气流量30sccm、启辉功率30W、本底真空度为9×10-5Pa、溅射气体压强0.65Pa、溅射时长210～420s。
在本实施例中，所述步骤S5中，表面钝化参数为：功率50W，氮气流量1.5L/min，处理时长60～200s。
在本实施例中，所述步骤S6中，磁控溅射工艺参数为氩气流量30sccm、氧气流量5sccm～15sccm、启辉功率30W、本底真空度5×10-4Pa、溅射气体压强0.65Pa、基底温度400℃、溅射时长40min；退火工艺分原位低温退火和慢速高温退火，原位低温退火工艺参数为氧气流量30sccm、温度400℃、气压7Pa。慢速高温退火工艺参数为控制氧气和氮气流量比为1:2，所述的高温退火包括升温过程，保温过程和自然降温过程，升温过程需通过两个梯度阶段升温达到1100℃。
实施例三：
如图1所示，根据本发明实施例所述的一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件，其结构从下到上依次包括背电极6、N+衬底层1、N型外延层2、底层栅介质3、介质界面钝化层4、上层栅介质5、栅电极7，所述的底层栅介质3、介质界面钝化层4与上层栅介质5堆叠构成栅极介质层。
在本实施例中，所述N+衬底层1为掺杂有浓度为5×1018cm-3磷离子的N型4H-SiC，所述N+衬底层的厚度为350μm。
在本实施例中，所述N型外延层为掺杂有浓度为8×1015cm-3磷离子的N型4H-SiC，所述N型外延层的厚度为1μm～100μm。
在本实施例中，所述第一栅极介质层为AlN材料，所述底层栅介质厚度为2nm，并以氮等离子体对表面进行钝化处理。
在本实施例中，所述上层栅介质为Al2O3材料，所述上层栅介质厚度为20nm。
在本实施例中，所述背电极为厚度约为200nm的Al薄膜。
在本实施例中，所述栅电极为直径500μm、厚度200nm的圆柱体Al材料。
如图2-6所示，一种具有叠栅结构的碳化硅MIS器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，取厚度为350μm、氮离子掺杂浓度为5×1018cm-3的N+碳化硅衬底层1，在温度为1600℃、压力为150mbar、反应气体为硅烷和丙烷、掺杂源气体为PH3、载运气体为PH3的条件下进行RCA清洗；
步骤S2，在清洗后的N+衬底层1生长N型外延层2，并进行工艺处理，掺杂离子为磷离子，掺杂浓度为8×1015cm-3的N型4H-SiC，其厚度为1μm～100μm；
步骤S3，对4H-SiC外延衬底基片采用湿法工艺清洗去除有机物和自然氧化物，将样品依次进行有机溶液超声清洗、碱洗、酸洗，每个清洗步骤后都执行5％HF溶液浸泡，再在去离子水中冲洗，氮气吹干；最后用浓度为5％HF溶液在温度在80℃下浸泡5分钟后，对基片进行去离子水超声清洗20min，再用去离子水冲洗数遍，最后氮气吹干；
步骤S4，在N型外延层2上方制备底层栅介质3，本实施实例中采用磁控溅射工艺，所述底层栅基质3为AlN材料。获得底层栅介质3，厚度约为2nm；
步骤S5，将获得的样品放入等离子体去胶机中，用氮等离子体对底层栅介质表面进行钝化处理，获得一层超薄界面钝化层4；
步骤S6，在界面钝化层4上方制备上层栅介质5，本实施实例中采用磁控溅射工艺，所述的底层栅介质5为Al2O3材料，调整靶材与基底的间距，抽真空并加热基底，通入高纯氧气作为反应气体，自然降温后获得上层栅介质5，厚度约为20nm。随后对形成栅介质的样品放入退火炉中，通入高纯氧气和氮气进行高温退火；
步骤S7，制备背电极6，利用磁控溅射工艺将金属电极沉积到样品背面，所述背电极6的材料为Al，所述背电极6厚度为200nm；
步骤S8，制备栅电极7，利用磁控溅射工艺将金属电极沉积到样品正面，所述栅电极7材料为Al，形状为圆柱形，直径为500μm，厚度为200nm，完成SiC-MIS器件制作。
在本实施例中，所述步骤S2中，工艺处理的条件为：温度为1600℃，压力为150mbar，反应气体为硅烷和丙烷，掺杂源气体为PH3。
在本实施例中，所述步骤S4中，磁控溅射工艺参数为：氩气流量30sccm、启辉功率30W、本底真空度为9×10-5Pa、溅射气体压强0.65Pa、溅射时长60～120s。
在本实施例中，所述步骤S5中，表面钝化参数为：功率10～50W，氮气流量1.5L/min，处理时长60～200s。
在本实施例中，所述步骤S6中，磁控溅射工艺参数为氩气流量30sccm、氧气流量5sccm～15sccm、启辉功率30W、本底真空度5×10-4Pa、溅射气体压强0.65Pa、基底温度400℃、溅射时长40min；退火工艺分原位低温退火和慢速高温退火，原位低温退火工艺参数为氧气流量30sccm、温度400℃、气压7Pa。慢速高温退火工艺参数为控制氧气和氮气流量比为1:2，所述的高温退火包括升温过程，保温过程和自然降温过程，升温过程需通过两个梯度阶段升温达到1100℃。
由以上具体实施示例说明了本发明的功效和原理，但不用于限制本发明。任何本领域的研究人员在不违背本发明的精神和原理下，在本发明的指导下完成的修改或修饰都视为本发明的等效替换，均应由本发明的权利要求所涵盖，受本发明的保护。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。