[發明專利]一種SiC功率器件芯片柵氧化層的制造方法及功率器件

有效

• 申請號: 202010015322.9
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111009464B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 吳蘇州;高瑩;李曉云;葉懷宇;張國旗
• 申請（專利權）人: 深圳第三代半導體研究院
• 主分類號: H01L21/28
• 分類號: H01L21/28;H01L21/02;H01L29/423;H01L21/265
• 代理公司: 北京華創智道知識產權代理事務所(普通合伙) 11888
• 代理人: 彭隨麗

本發明公開了一種SiC功率器件芯片柵氧化層的制造方法及功率器件，其中SiC功率器件芯片柵氧化層的制造方法通過多次注入可以精確控制引入元素數量，既保證消除缺陷的效果，又不會引入過多的P/B元素導致柵極可靠性下降。多次注入優化元素分布保證了P注入層在熱氧化過程中全部消耗。通過熱氧化前光刻定義注入區，在SIC表面形成P/B注入區，使P和N元素共同形成界面陷阱，降低界面態，該方法不需要使用NO氣氛退火就引入了兩種元素，復合降低界面態，提升了柵極可靠性，降低了器件制造成本。

技術領域

本發明屬于半導體芯片制造工藝技術領域,具體涉及一種SiC功率器件芯片柵氧化層的制造方法及功率器件。

背景技術

碳化硅(SiC)材料是自第一代元素半導體材料(Si)和第二代化合物半導體材料(GaAs、GaP、InP等)之后發展起來的第三代寬帶隙半導體材料。SiC材料由于具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導率、高電子飽和漂移速度等特點，特別適合制作微波大功率、高壓、高溫、抗輻照電子器件，在國民經濟各方面具有廣泛的應用。當前，SiC器件的研制已經成為研究熱點。

SiC是第三代寬禁帶半導體中唯一能夠熱氧化生長SiO2的化合物半導體材料，這就使得用SiC可以實現所有的Si功率器件結構。SiC/SiO₂的界面態密度比Si/SiC的界面態密度要高出約一到兩個數量級，這使得功率器件中常用的MOS結構應用在SiC器件上性能嚴重退化，在N型SiC MOSFET表面的反型溝道電子遷移率要遠低于其體內遷移率，極大的阻礙了SiC MOSFET器件的發展。并且由于SiC與Si不同的結構以及其更寬的禁帶寬度，其界面附近和氧化層中的各種陷阱電荷的來源和Si有很大不同，造成其陷阱類型眾多，對器件的柵氧化層可靠性帶來了嚴峻考驗。目前，由SiC MOSFET的柵氧化層可靠性較差，己經成為限制SiC MOSFET器件進一步提升性能和擴大使用規模的關鍵性問題。

為了提升SiC MOSFET的柵氧化層質量，目前主要解決方案有兩種：

1.直接在SiC單晶或外延片上生長出低缺陷的SiC/SiO₂界面：方法是通過低溫低氧含量退火和高溫熱氧化生長出SiC/SiO₂界面，這種方法可以提升柵極可靠性，但對界面態密度的降低效果不明顯。

2.在SiC/SiO₂界面區域引入其它元素形成陷阱：陷阱可以降低界面態密度，但額外元素的引入勢會對器件帶來一些負面的影響。例如，過量的P鈍化會和SiO₂結合形成磷硅玻璃(PSG)，這種不穩定的物質會嚴重影響柵氧化層的完整性，致使柵極泄漏電流的增加，影響器件長時工作的可靠性。

發明內容

為了提高SiC MOSFET器件的柵極氧化層的性能和可靠性，降低器件的制造成本。本發明針對上述現有方法的不足，提出了一種低成本SIC功率器件芯片高可靠性柵氧化層制造方法。通過多次注入可以精確控制引入元素數量，既保證消除缺陷的效果，有不會引入過多的P離子和B離子導致柵極可靠性下降。多次注入優化元素分布保證了P注入層在熱氧化過程中全部消耗。同時，通過離子注入法注入P離子和B離子的方式能夠避免使用NO氣氛退火。因此該方法降低了器件制造成本，增加了器件可靠性。

根據本發明的一個方面，一種SiC功率器件芯片柵氧化層的制造方法，包括如下步驟：步驟1：提供SiC單晶或外延片，采用光刻刻蝕工藝在所述SiC單晶或外延片外表面進行第一次光刻定義第一離子注入區；步驟2：在SiC單晶或外延片的外表面的第一離子注入區進行至少三次第一離子注入；步驟3：在所述SiC單晶或外延片外表面進行第二次光刻，定義第二離子注入區；步驟4：在SiC單晶或外延片的外表面的第二離子注入區進行至少三次第二離子注入；步驟5：在惰性氣體的氣氛下進行熱退火；步驟6：進行熱氧化形成柵極氧化層；步驟7：在惰性氣體的氣氛下快速降溫進行低溫退火；步驟8：低溫退火完成后不降溫，直接在惰性氣體的氣氛下升溫進行高溫退火。

優選地，所述第一離子為P離子，所述第二離子為B離子。