[發(fā)明專利]一種新型的含氯元素的碳化硅氧化工藝

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202110345583.1
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113113288A
• 公開（公告）日: 2021-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王德君;尉升升;尹志鵬;秦福文;于洪權(quán);劉兆慧
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: H01L21/02
• 分類號: H01L21/02
• 代理公司: 大連星海專利事務(wù)所有限公司 21208
• 代理人: 王樹本;徐雪蓮

本發(fā)明屬于碳化硅MOSFET的柵氧化層制備及可靠性技術(shù)領(lǐng)域，一種新型的含氯元素的碳化硅氧化工藝，包括以下步驟：(1)采用RCA工藝對SiC襯底進行清洗，(2)將清洗過的碳化硅襯底在高溫氧化爐中氧化制備SiO₂氧化膜，(3)對步驟2的樣品進行氧化后退火，(4)完成對SiC MOSFET器件的制備。本發(fā)明在傳統(tǒng)氧化方法的基礎(chǔ)上引入了氯元素，解決了熱氧化生長的SiO₂薄膜致密性和擊穿特性差的問題，同時氯元素可以有效鈍化氧化層中的可動離子和缺陷陷阱，一定程度上改善了MOS器件的電壓穩(wěn)定性和可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種新型的含氯元素的碳化硅氧化工藝，屬于碳化硅MOSFET的柵氧化層制備及可靠性技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

碳化硅(SiC)MOSFET是一種基于寬帶隙半導(dǎo)體的新型功率電子器件，它擁有更低的開關(guān)損耗、更快的轉(zhuǎn)換頻率、可以在高溫高壓等條件正常工作等優(yōu)勢，這使得其在航空、新能源汽車、電力傳輸、軌道交通等領(lǐng)域有著關(guān)鍵應(yīng)用。近年來隨著科技的迅速發(fā)展，SiCMOSFET器件已經(jīng)走向市場，并且應(yīng)用規(guī)模逐年攀升，這對電力電子領(lǐng)域的快速發(fā)展和滿足人工智能的發(fā)展需求方面的貢獻是不容忽視的。

在MOSFET的制備流程中，高質(zhì)量的柵氧化層的制備和半導(dǎo)體/絕緣層界面特性的優(yōu)化環(huán)節(jié)是十分關(guān)鍵的，這直接關(guān)系到器件的閾值電壓穩(wěn)定性和可靠性。相比于其他化合物半導(dǎo)體材料，SiC可以采用與Si工藝相同的高溫?zé)嵫趸▉砩LSiO₂氧化層，這使得其在MOSFET的制備環(huán)節(jié)有著獨特的優(yōu)勢。目前SiC MOSFET器件柵氧化層的制備主要是在含氧氣氛下高溫?zé)嵫趸S后在氮族氣氛下退火，但這依然無法從根本上同時解決柵氧化層致密性和擊穿特性差、SiC/SiO₂界面及近界面缺陷態(tài)密度較高的問題。較差的柵氧化層致密性和擊穿特性會嚴重影響器件在正常工作下的可靠性和使用壽命，界面以及近界面缺陷對電荷的俘獲會造成大幅度的閾值電壓漂移現(xiàn)象，從而惡化器件的電壓穩(wěn)定性。尤其是在高溫情況下，氧化層中大量的可動離子被激活，可動離子與界面陷阱對電荷的不同俘獲和發(fā)射特性會導(dǎo)致載流子的傳輸更為復(fù)雜，進一步影響到器件的電壓穩(wěn)定性。

為了克服以上難題，在含Cl元素的氣體氛圍中進行氧化后高溫退火可以提升界面質(zhì)量和器件性能，邵錦文等人提出了一種SiC MOSFET柵氧化層在SiH₂Cl₂氣氛下退火方法，有效提升了SiC MOSFET器件的反型溝道載流子遷移率(專利號：201811290893.2)。吳昊等人對碳化硅襯底在HCl氛圍中高溫退火，改善了碳化硅襯底表面形貌，減少碳化硅襯底與氧化層界面處雜質(zhì)的引入，避免退火過程中引入新的雜質(zhì)，減少氧化層中缺陷，提高氧化層質(zhì)量(專利號：202010345960.7)。王德君科研組提出了氧化后H、N、Cl三元混合氣氛中退火(專利號：CN201810796522.5)，鈍化了柵氧化層中的可動離子，明顯提升了SiC MOSFET器件的電壓穩(wěn)定性。此外，在硅工藝中，摻氯氧化技術(shù)可以有效改善二氧化硅膜的介電擊穿特性,減少氧化層中堿類可動離子凈電荷、降低Si/SiO₂界面處的界面態(tài)密度。倪佩然提出采用滴水氧化結(jié)合三氯乙烯氧化處理明顯地降低了氧化層凈電荷密度值和界面態(tài)密度值,減少了氧化層中可動離子的濃度,抑制了氧化感生堆垛層錯的生長(期刊：微電子學(xué)，1980(01))。范煥章提出用四氯化碳作為氯源的摻氯硅熱氧化方法，顯著減少了氧化層中有效電荷和界面缺陷態(tài)密度，改善了氧化層的擊穿特性(期刊：華東師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)一九八一年第三期)。

上述工作是基于改善Si體系氧化或基于改善SiC體系的氧化后退火過程，王德君科研組推測摻氯熱氧化技術(shù)在碳化硅氧化工藝當(dāng)中也有著類似的效果，并且提出了一種新型的含氯元素的碳化硅氧化工藝，實驗表明，含氯氧化工藝解決了熱氧化生長的SiO₂薄膜致密性和擊穿特性差的問題，同時氯元素可以有效鈍化氧化層中的可動離子和缺陷陷阱，一定程度上改善了MOS器件的電壓穩(wěn)定性和可靠性。

發(fā)明內(nèi)容