CN110783174A - 一种在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，包括以下步骤：(1)将碳化硅衬底上载至高温炉管中；(2)在第一温度下，氧气的气氛中，在碳化硅衬底表面形成初始氧化层；(3)在第二温度下，氩气气氛中，将碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理；(4)将碳化硅衬底卸载；(5)将碳化硅衬底上载至低压炉管腔体中，在第三温度下使用低压化学气相淀积法形成主体氧化层；(6)将碳化硅衬底卸载；(7)将碳化硅衬底上载至高温炉管中；(8)在第二温度下，氩气气氛中，将碳化硅衬底进行第二次高温热退火处理；(9)将碳化硅衬底卸载。本发明的方法能够有效降低界面态密度以及氧化层固定电荷数量，从而提高栅极氧化层的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，具体而言，一种在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法。
背景技术
随着人类社会各种主要经济体的规模因科学技术的高速发展而快速扩张，不可避免地引入了一系列全球性的环境与能源问题。因此，环保、高效和节能成为目前各个产业升级中的关键词。
功率半导体器件及模块在电极调控、智能电网和电源***等方向得到了广泛的应用。要想缓解全球性的能源危机，必须要大幅提高这类器件的能效。但是，Si器件的发展已经接近由其材料特性决定的理论性能极限。所以，必须寻找新材料来满足新一代功率器件来替代传统的Si器件。
碳化硅材料是一种继硅、砷化镓应用之后的第三代宽禁带半导体材料，其热学、化学稳定性很高，临界击穿电场强度大、载流子饱和漂移速度大、热导率高。这些优势使得其可以用来制造各种适用于极端工作环境，耐高温耐辐照的高频大功率器件，应用于战斗机、通讯、汽车电子、空间飞船等军民用***。碳化硅一直以来受到学界的高度重视，成为了国际上功率电子和新型材料领域研究的热点。作为主要产品的碳化硅基金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)也广泛应用于航空航天、新能源动力汽车、轨道交通、风力发电以及太阳能电池等重要领域。
尽管碳化硅MOSFET已经发展了很长时间，但是其性能尤其是栅氧化层质量方面还有非常巨大的提升空间。栅极氧化层界面质量不好、界面态密度高、沟道迁移率低等因素严重影响着碳化硅MOSFET的电学性能及可靠性。这种因素不仅和处理栅极氧化层的方式有关，也和生长栅氧化层的方法相关。
目前在碳化硅栅极氧化层的制造方法中，通常先在氧气环境中使用热氧化的方法形成50-100nm厚度的氧化层，然后再进行高温下退火以降低界面态密度和陷阱电荷的数量。然而形成栅氧化层后，碳化硅和氧化硅界面处会有大量的不饱和悬挂键。而在后续进行的退火中由于氧化层厚度较厚不能够使得退火的气体到达界面从而不能和界面处的不饱和悬挂键反应。所以这种常规的制造方法并不能使界面态陷阱电荷数量和氧化层电荷有效地降低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，该方法能够有效降低界面态密度以及氧化层固定电荷数量，从而提高栅极氧化层的性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，包括以下步骤：
(1)将碳化硅衬底上载至高温炉管中；
(2)在第一温度下，氧气、一氧化氮或者一氧化二氮的气氛中，在碳化硅衬底表面形成初始氧化层；
(3)通过步骤2中选择的不同气氛采取以下退火处理方式：
(3-1)当步骤(2)的气氛为氧气时，在第二温度下，一氧化氮气氛中，将步骤(2)中形成初始氧化层的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理；
(3-2)当步骤(2)的气氛为一氧化氮或者一氧化二氮时，在第二温度下，氩气气氛中，将步骤(2)中形成初始氧化层的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理；
(4)降低高温炉管的温度，将步骤(3)中形成初始氧化层的碳化硅衬底卸载；
(5)将步骤(4)中卸载的形成初始氧化层的碳化硅衬底采取以下其中一种方式形成主体氧化层：
(5-1)将形成初始氧化层的碳化硅衬底上载至低压炉管腔体中，在第三温度下使用低压化学气相淀积法形成主体氧化层；
(5-2)将形成初始氧化层的碳化硅衬底上载至原子层淀积设备腔体中，在第四温度下使用原子层淀积法形成主体氧化层；
(6)将低压炉管或者原子层淀积设备生长腔体的温度降低，将步骤(5)中形成主体氧化层的碳化硅衬底卸载；
(7)将步骤(6)形成主体氧化层的碳化硅衬底上载至高温炉管中；
(8)在第二温度下，氩气气氛中，将步骤(7)中形成主体氧化层的碳化硅衬底进行第二次高温热退火处理；
(9)将高温炉管的温度降低，将形成主体氧化层的碳化硅衬底卸载。
本技术方案中，优选地，步骤(5-1)中，在第三温度下，通过加热的正硅酸四乙酯在初始氧化层表面使用低压化学气相淀积的方法淀积形成主体氧化层。
优选地，步骤(5-2)中，在第四温度下，在初始氧化层表面通过原子层淀积的方法形成主体氧化层的步骤如下：
(a)向原子层淀积设备生长腔体通入二异丙基氨基硅烷脉冲；
(b)通入氮气或者氩气脉冲进行吹扫；
(c)向原子层淀积设备生长腔体通入臭氧或者去离子水脉冲；
(d)通入氮气或者氩气脉冲进行吹扫；
(e)循环步骤(a)至步骤(d)，在初始氧化层表面通过原子层淀积的方法形成主体氧化层。
优选地，初始氧化层的厚度为10-15nm，主体氧化层的厚度为40-50nm。
优选地，第一温度为1100-1200℃，第二温度为1100-1300℃，第三温度为650-750℃，第四温度为300-350℃。
优选地，步骤(3)中第一次高温热退火处理时间为1-2小时，步骤(8)中第二次高温热退火处理时间为1-2小时。
优选地，氧气和氩气的流量为1-1.2slm/min，一氧化氮和一氧化二氮的流量为0.8-1slm/min。
优选地，加热正硅酸四乙酯的温度为40-45℃，气体的压强为0.2-0.5mbar。
优选地，二异丙基氨基硅烷的脉冲时间为0.02-0.06s，臭氧或者去离子水的脉冲时间为0.5-1s，氮气或者氩气的脉冲时间为0.2-1s，气体的压强为9-20mbar。
优选地，步骤(2)中气体的压强为900-1000mbar，步骤(3)中气体的压强为850-900mbar，步骤(8)中气体的压强为800-900mbar。
优选地，步骤(4)和步骤(5)之间的间隔时间不超过1h，步骤(6)和步骤(7)之间的间隔时间不超过1h。
优选地，步骤(1)和步骤(2)、步骤(2)和步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)、步骤(7)和步骤(8)之间的温度变化速率为5-10℃/min，步骤(4)、步骤(6)、步骤(9)中，卸载工艺前，均采用5-15℃/min的降温速率，将炉管内的温度降低至卸载工艺所要求的温度。
有益效果
本发明提供的栅氧化层的制造方法，首先在碳化硅衬底上首先使用热氧化的方式生长一层薄的初始氧化层，然后进行第一次高温退火处理，接着使用低压化学气相淀积或者原子层淀积的方式形成主体氧化层，最后进行一次氩气氛围下的高温退火处理。由于初始氧化层很薄，使得氧原子和氮原子可以到达氧化层和碳化硅衬底的界面并和界面不饱和的悬挂键反应，从而降低界面态密度。然后使用低压化学气相淀积或者原子层淀积的方式形成主体氧化层，并进行氩气高温退火。进一步降低了氧化层电荷数量，使得栅氧化层更加致密，提高了栅氧化层的质量。
本发明首先在碳化硅衬底上使用热氧化的方式生长一层薄的初始氧化层并进行退火处理，分为两种方法：1.使用氧气为氧化剂进行生长，可以使得初始氧化层致密性很好并且厚度可控，然后在一氧化氮气体氛围下进行一次高温退火处理，在此过程中氮原子会和界面处的不饱和硅的化学键结合生成稳定的Si-N化学键，同时氧原子会和界面处的碳原子结合生成COx气体而离开氧化层，这就会使的界面处的悬挂键和碳团簇减少，改善界面质量；2.使用一氧化氮或者一氧化二氮氧化剂进行生长，不仅可以使得初始氧化层致密性很好并且厚度可控，而且在生长过程中可以直接钝化界面处的悬挂键并且将界面处的碳团簇数量减少，然后在氩气气体氛围下进行一次高温退火处理，可以使得界面处的可动离子电荷减少，从而降低界面态密度，改善界面质量，提高栅氧化层的可靠性。接着使用低压化学气相淀积或者原子层淀积的方式形成主体氧化层，目的是为了保证整体栅氧化层的总厚度，保证器件的阈值电压并使得栅氧化层不容易被击穿；其次由于低压化学气相淀积或者原子层淀积的方式和热氧化不同，是直接淀积在初始氧化层上的，并且所淀积的氧化层十分致密且厚度可控，也不会加剧界面处的进一步氧化，保证了界面态密度不会增大。最后进行一次氩气氛围下的高温退火处理，这是为了更进一步将氧化层变得致密，而且消除氧化层以及界面处的可动离子电荷和固定电荷，进一步提升栅氧化层的可靠性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例1中提供的栅极氧化层制造方法的流程示意图；
图2为本发明实施例2和实施例3中提供的栅极氧化层制造方法的流程示意图；
图3为本发明实施例1、实施例2和实施例3的栅极氧化层制造方法获得的结构示意图。
附图中：
1、碳化硅衬底 2、初始氧化层 3、主体氧化层
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
图1为本发明实施例1所提供的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法的流程示意图，图3为本发明实施例的栅极氧化层制造方法获得的结构示意图，如图1和图3所示，本发明提出的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，包括以下步骤：
在步骤101中，提供碳化硅衬底1，放置于高温炉管中；
然后将高温炉管压强设置为900mbar，将炉管内温度以10℃/min的升温速率升至1150℃；
在步骤102中，向炉管中通入氧气，氧气流量为1slm/min，在碳化硅衬底表面以热氧化的方式形成厚度为13nm的初始氧化层2；
其次将高温炉管压强设置为850mbar，将炉管内温度以10℃/min的速率升至1175℃；
在步骤103中，向炉管中通入一氧化氮，一氧化氮流量为0.8slm/min，将形成初始氧化层2的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理，时间为1.5小时；
在步骤104中，第一次将高温炉管的温度以15℃/min的速率降低至高温炉管执行卸载工艺所要求的温度400℃，将形成初始氧化层的碳化硅衬底卸载；
在步骤105中，将形成初始氧化层的碳化硅衬底上载至低压炉管中；
继续将低压炉管压强设置为0.3mbar，将低压炉管内温度以5℃/min的速率升至700℃，将正硅酸四乙酯加热至42℃；
在步骤106中，将通过加热至42℃的正硅酸四乙酯在所述初始氧化层表面使用低压化学气相淀积的方法淀积形成厚度为50nm主体氧化层3；
在步骤107中，第二次将低压炉管的温度以5℃/min的速率降低至低压炉管执行卸载工艺所要求的温度500℃，将形成主体氧化层的碳化硅衬底卸载；
在步骤108中，将形成主体氧化层的碳化硅衬底上载至高温炉管中；
再将高温炉管压强设置为800mbar，将炉管内温度以13℃/min的速率升至1300℃；
在步骤109中，向炉管中通入氩气，氩气流量为1.2slm/min，将初始氧化层2表面形成主体氧化层3的碳化硅衬底进行第二次高温热退火处理，时间为1小时；
在步骤110中，第三次将高温炉管的温度以13℃/min的速率降低至高温炉管执行卸载工艺所要求的温度380℃，将形成主体氧化层3的碳化硅衬底卸载。
实施例2：
图2为本发明实施例2和实施例3所提供的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法的流程示意图，图3为本发明实施例的栅极氧化层制造方法获得的结构示意图，如图2和图3所示，本发明提出的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，包括以下步骤：
在步骤301中，提供碳化硅衬底1，放置于高温炉管中；
然后将炉管压强设置为950mbar，将炉管内温度以10℃/min的升温速率升至1200℃；
在步骤302中，向炉管中通入一氧化氮，一氧化氮流量为1slm/min，在碳化硅衬底表面以热氧化的方式形成厚度为12nm的初始氧化层2；
其次将高温炉管压强设置为900mbar，将炉管内温度以10℃/min的速率升至1250℃；
在步骤303中，向炉管中通入氩气，氩气流量为1slm/min，将形成初始氧化层2的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理，时间为1小时；
在步骤304中，第一次将高温炉管的温度以13℃/min的速率降低至高温炉管执行卸载工艺所要求的温度380℃，将形成初始氧化层的碳化硅衬底卸载；
在步骤305中，将形成初始氧化层的碳化硅衬底上载至原子层淀积设备生长腔体中；
继续将原子层淀积设备生长腔体的压强设置为16mbar，将原子层淀积设备生长腔体内温度以5℃/min的速率升至330℃；
在步骤306中，首先向原子层淀积设备生长腔体通入一个时间为0.04s的二异丙基氨基硅烷脉冲，然后通入一个0.5s的氮气脉冲进行吹扫，继续向原子层淀积设备生长腔体通入一个1s的臭氧脉冲，最后再通入一个0.5s的氮气脉冲进行吹扫。循环步骤306，在所述初始氧化层表面通过原子层淀积的方法形成厚度为38nm的主体氧化层3；
在步骤307中，第二次将原子层淀积设备生长腔体的温度以5℃/min的速率降低至原子层淀积设备生长腔体执行卸载工艺所要求的温度200℃，将形成主体氧化层的碳化硅衬底卸载；
在步骤308中，将形成主体氧化层的碳化硅衬底上载至高温炉管中；
再将高温炉管压强设置为900mbar，将炉管内温度以10℃/min的速率升至1100℃；
在步骤309中，向炉管中通入氩气，氩气流量为1slm/min，将初始氧化层2表面形成主体氧化层3的碳化硅衬底进行第二次高温热退火处理，时间为2小时；
在步骤310中，第三次将高温炉管的温度以15℃/min的速率降低至高温炉管执行卸载工艺所要求的温度400℃，将形成主体氧化层3的碳化硅衬底卸载。
实施例3：
图2为本发明实施例2和实施例3所提供的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法的流程示意图，图3为本发明实施例的栅极氧化层制造方法获得的结构示意图，如图2和图3所示，本发明提出的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，包括以下步骤：
在步骤301中，提供碳化硅衬底1，放置于高温炉管中；
然后将炉管压强设置为1000mbar，将炉管内温度以8℃/min的升温速率升至1000℃；
在步骤302中，向炉管中通入一氧化二氮，一氧化二氮流量为0.8slm/min，在碳化硅衬底表面以热氧化的方式形成厚度为15nm的初始氧化层2；
其次将高温炉管压强设置为870mbar，将炉管内温度以12℃/min的速率升至1300℃；
在步骤303中，向炉管中通入氩气，氩气流量为1.2slm/min，将形成初始氧化层2的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理，时间为2小时；
在步骤304中，第一次将高温炉管的温度以10℃/min的速率降低至高温炉管执行卸载工艺所要求的温度350℃，将形成初始氧化层的碳化硅衬底卸载；
在步骤305中，将形成初始氧化层的碳化硅衬底上载至原子层淀积设备生长腔体中；
继续将原子层淀积设备生长腔体的压强设置为16mbar，将原子层淀积设备生长腔体内温度以5℃/min的速率升至330℃；
在步骤306中，首先向原子层淀积设备生长腔体通入一个时间为0.06s的二异丙基氨基硅烷脉冲，然后通入一个0.8s的氩气脉冲进行吹扫，继续向原子层淀积设备生长腔体通入一个0.5s的去离子水脉冲，最后再通入一个0.8s的氩气脉冲进行吹扫。循环步骤306，在所述初始氧化层表面通过原子层淀积的方法形成厚度为40nm的主体氧化层3；
在步骤307中，第二次将原子层淀积设备生长腔体的温度以9℃/min的速率降低至原子层淀积设备生长腔体执行卸载工艺所要求的温度190℃，将形成主体氧化层的碳化硅衬底卸载；
在步骤308中，将形成主体氧化层的碳化硅衬底上载至高温炉管中；
再将高温炉管压强设置为850mbar，将炉管内温度以11℃/min的速率升至1250℃；
在步骤309中，向炉管中通入氩气，氩气流量为1.1slm/min，将初始氧化层2表面形成主体氧化层3的碳化硅衬底进行第二次高温热退火处理，时间为1.5小时；
在步骤310中，第三次将高温炉管的温度以12℃/min的速率降低至高温炉管执行卸载工艺所要求的温度370℃，将形成主体氧化层3的碳化硅衬底卸载。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将碳化硅衬底上载至高温炉管中；
(2)在第一温度下，氧气、一氧化氮或者一氧化二氮的气氛中，在碳化硅衬底表面形成初始氧化层；
(3)通过步骤2中选择的不同气氛采取以下退火处理方式：
(3-1)当步骤(2)的气氛为氧气时，在第二温度下，一氧化氮气氛中，将步骤(2)中形成初始氧化层的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理；
(3-2)当步骤(2)的气氛为一氧化氮或者一氧化二氮时，在第二温度下，氩气气氛中，将步骤(2)中形成初始氧化层的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理；
(4)降低高温炉管的温度，将步骤(3)中形成初始氧化层的碳化硅衬底卸载；
(5)将步骤(4)中卸载的形成初始氧化层的碳化硅衬底采取以下其中一种方式形成主体氧化层：
(5-1)将形成初始氧化层的碳化硅衬底上载至低压炉管腔体中，在第三温度下使用低压化学气相淀积法形成主体氧化层；
(5-2)将形成初始氧化层的碳化硅衬底上载至原子层淀积设备腔体中，在第四温度下使用原子层淀积法形成主体氧化层；
(6)将低压炉管或者原子层淀积设备生长腔体的温度降低，将步骤(5)中形成主体氧化层的碳化硅衬底卸载；
(7)将步骤(6)形成主体氧化层的碳化硅衬底上载至高温炉管中；
(8)在第二温度下，氩气气氛中，将步骤(7)中形成主体氧化层的碳化硅衬底进行第二次高温热退火处理；
(9)将高温炉管的温度降低，将形成主体氧化层的碳化硅衬底卸载。
2.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，其特征在于：所述步骤(5-1)中，在第三温度下，通过加热的正硅酸四乙酯在初始氧化层表面使用低压化学气相淀积的方法淀积形成主体氧化层。
3.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，其特征在于：所述步骤(5-2)中，在第四温度下，在初始氧化层表面通过原子层淀积的方法形成主体氧化层的步骤如下：
(a)向原子层淀积设备生长腔体通入二异丙基氨基硅烷脉冲；
(b)通入氮气或者氩气脉冲进行吹扫；
(c)向原子层淀积设备生长腔体通入臭氧或者去离子水脉冲；
(d)通入氮气或者氩气脉冲进行吹扫；
(e)循环步骤(a)至步骤(d)，在初始氧化层表面通过原子层淀积的方法形成主体氧化层。
4.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，其特征在于：所述初始氧化层的厚度为10-15nm，所述主体氧化层的厚度为40-50nm。
5.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，其特征在于：所述第一温度为1100-1200℃，所述第二温度为1100-1300℃，所述第三温度为650-750℃，所述第四温度为300-350℃。
6.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，其特征在于：所述步骤(3)中第一次高温热退火处理时间为1-2小时，所述步骤(8)中第二次高温热退火处理时间为1-2小时。
7.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，其特征在于：所述氧气和氩气的流量为1-1.2slm/min，所述一氧化氮和一氧化二氮的流量为0.8-1slm/min。
8.根据权利要求2所述的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，其特征在于：所述加热正硅酸四乙酯的温度为40-45℃，气体的压强为0.2-0.5mbar。
9.根据权利要求3所述的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，其特征在于：所述二异丙基氨基硅烷的脉冲时间为0.02-0.06s，臭氧或者去离子水的脉冲时间为0.5-1s，氮气或者氩气的脉冲时间为0.2-1s，气体的压强为9-20mbar。
10.根据权利要求1所述的在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，其特征在于：所述步骤(2)中气体的压强为900-1000mbar，所述步骤(3)中气体的压强为850-900mbar，所述步骤(8)中气体的压强为800-900mbar。
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