专利名称：使用原子氧在碳化硅层上制造氧化层的方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件的制造，更特别地，本发明涉及在碳化硅 (SiC)上制造氧化层。
技术背景碳化硅(SiC)具有电性质和物理性质的组合，使其对于用于高温、 高压、高频和高功率电子器件的半导体材料相当有吸引力。这些性质包 括3. OeV的带隙、4MV/cm的电场击穿、4. 9W/cm-K的热导率以及2. 0 x107cm/s的电子漂移速度。在宽带隙化合物半导体材料中碳化硅具有形成自然氧化层的特有 性质。因此，可以在SiC层上形成热SiOz层。在SiC上形成热氧化物的 能力为使用碳化硅形成金属氧化物半导体(MOS)器件打开了大门，例 如包括MOS场效应晶体管(MOSFET) 、 MOS电容器、绝缘栅双极晶体管 (IGBT ) 、 MOS控制的半导体闸流管(MCT )、橫向扩散MOSFET( L睡SFET ) 以及其他相关的器件。在SiC具有上述的特有材料性质的前提下，与使 用其他半导体材料形成的器件相比，这种器件可以具有好得多的理论工 作特性，尤其是对于要求高功率、高电流容量和/或高频操作的应用。 相应地，充分利用MOS器件和得到的集成电路中SiC的电子性质需要适 当的SiC氧化技术。在硅衬底上热增长的SiOz的界面质量非常好。然而，热增长的 SiC/Si02界面的质量还没有达到与Si/Si02界面相同的水平。因此，对 于发展商业上可行的碳化硅MOS器件来说，碳化硅(SiC)上氧化物的 质量是个主要的障碍。实际上，在SiC晶体质量的最新发展下，氧化物 质量也许是实现商业上可行的SiC MOS功率器件和集成电路的最大障 碍。已经广泛报道SiC上的氧化物具有不可接受的高密度界面态(或"陷 阱"(trap))和固定的氧化物电荷，这两者对MOS器件性能都有不利影响。如此处所用的，术语"态"或"陷阱"指的是在半导体或绝缘体 材料的带隙内可得到的能级位置。界面陷阱或界面态可能位于半导体/绝缘体界面处或附近。界面态可能由于材料内悬桂的或未端接的原子键: 的存在而发生。因此，界面处电子态的密度可以指示界面处结晶无序的量。界面陷阱可以捕获电子电荷载体(即电子和/或空穴)，这在并入该界面的器件中可以产生不希望的工作特性。特别地，在SiC/Si02界面 处呈现的电子态可以减小SiC层中的表面电子迁移率。如果MOS器件的 栅氧化物具有高密度的界面态，则得到的器件可能具有减小的反型沟道 迁移率，增加的阈值电压、增加的导通电阻和/或其他不希望的特性。最近，热氧化物在一氧化氮(NO)环境中的退火已经显示了在不要 求P型阱注入的平面4H-SiC MOSFET结构中的希望。参考 M. K. Das， L. A. Lipkin， J. W. Palmour， G. Y. Chung, J. R. Wi 11 iams, K. Mcd-o nald和L. C. Feldman, "High Mobility 4H-SiC Inversion Mode M0SFETs Using Thermally Grown, NO Annealed Si02" ，IEEE Device Research Conference, Denver, C0， June 19-21， 2000以及G. Y. Chung, C. C, Tin, J. R. Wi 11 iams， K. Mcdonald, R. A. Wei ler, S. T. Pa-n tel ides， L. C. Feldman，M. K. Das和J. W. Paltnour，已接收发表的 "Improved Inversion Channel Mobility for 4H-SiC MOSFETs Fol lowing High Temperature Anneals in Ni trie Oxide" ， IEEE Electron Device Letters ，其公开在此引入以供参考，好像全部在这里陈述一样。 显示这个退火相当大地减小了导带边缘附近的界面态密度，如在 G. Y. Chung， C. C. Tin, J. R. Wi 11 iams， K. Mcdonald, M. Di ventra,S. T. Pantelides，L. C. Feldman，和R.A. Weller， "Effect of nitric oxide annealing on the interface trap densities near the band edges in the 4H poly type of s i 1 icon carbide" ， Appl ied phys ics letters, Vol. 76, No. 13， pp. 1713-1715, March 2000中所描述的，其公 开在此引入好像全部陈述一样。由于改进的M0S界面在表面反型层中获 得高电子迁移率(35-95cmVVs)。不幸的是，N0是健康危害，其美国国家消防协会(NFPA)健康危险 等级是3，并且通常进行氧化后退火(post-oxidation anneal )的装置 朝着洁净室的大气打开。通常它们会被排出，但是室内超过安全水平的NO污染的危险是不可忽略的。在^0中生长氧化物是可能的，如在J. P.Xu, P.T. Lai， C. L. Chan， B.Li和Y. C. Cheng, "Improved performance and reliability ofN20-grown oxynitride on 6H-SiC，， ， IEEE Electron Device Letters, Vol. 21， No. 6， pp. 298-300, June 2000中描述的，其公开在此引入以供参 考，好像在这里完全陈述一样。Xu等描述了在纯N20环境中在IIOO'C下 对SiC氧化360分钟并且在N2中在1100'C下退火一小时。在N力中IIOO'C下6H-SiC上氧化物的生长后氮化也由P. T. Lai， Supratic Chakraborty， C, L. Chan和Y. C. Cheng进4亍了研究，"Effects of nitridation and annealing on interface properties of thermally oxidized Si02/SiC metal-oxide-semiconductor system" ，Applied physics letters, Vol. 76， No. 25， pp. 3744-3746， June 2000 (之后， 称为"Lai等")，其公开在此引入以供参考，好像在这里完全陈述一样。 然而，Lai等得出结论说这种处理降低了界面质量，随后用氧气中的湿 或干退火可以改进界面质量，该退火可以修复仏0中的氮化引起的损害。 此外，即使利用随后的氧气退火，与没有N20中的氮化的情况相比，Lai 等没有看到界面态密度的任何明显减小。除了 NO和N20生长和退火，也对其他环境中的生长后退火进行了研 究。例如，Suzuki等研究了氢气中的氧化后退火。Suzuki等，"Effects of post-oxidation-annealing in hydrogen on Si02/4H_SiC interface" ，Material Science forum， Vols. 338-342， pp.1073-1076， 2000。这些研究者报告可以通过氩气和氬气中的氧化后退火改进平带电 压飘移和界面态密度。在这个研究中，在干燥氧气中在120(TC下对 4H-SiC氧化。然后在氩气或氬气中在400、 700、 800和1 OO(TC下4丸行 氧化后退火三十分钟。然而，其他研究者报告氢气中的氧化后退火比其 他气体中的氧化后退火相比并没有提供增加的好处，如在Mrinal Das, 1999年12月提交的"Fundamental studies of the silicon carbide MOS structure" ，Doctoral Thesis， Purdue University中所描述的。 发明内容本发明的实施例提供了在碳化硅层上形成氧化层的方法，包括将碳 化硅层放置在基本没有金属杂质的诸如氧化炉管的腔室中；加热腔室的 大气到大约50(TC到大约130(TC的温度；在腔室中引入原子氧，并且使原子氧在碳化硅层的表面上流动，以借此在碳化硅层上形成氧化层。在 一些实施例中，引入原子氧包括在腔室中提供源氧化物并且使氮气和氧 气的混合物在源氧化物上流动。源氧化物可以包括铝的氧化物(aluminum oxide)或诸如氧化锰的另 一氧化物。在一些实施例中，源氧化物基本上没有金属杂质。例如，源氧化物 可以包括多孔蓝宝石圆片。在这种情况中，根据本发明的一些实施例包 括用非金属杂质注入蓝宝石圆片，以形成多孔多孔蓝宝石圆片，并且将 多孔蓝宝石圆片放置在腔室中。在一些实施例中，引入原子氧包括使用诸如铂的催化剂产生原子 氧。在一些实施例中，引入原子氧包括产生臭氧流，并且裂解臭氧生成 原子氧。可以使用热和/或电磁能裂解臭氧。在一些实施例中，原子氧可以在腔室的外面产生并且被提供给腔室。在特定实施例中，腔室的大气可以被加热到大约IOO(TC到1100。C 的温度。根据本发明 一些实施例的在碳化硅层上形成氧化层的方法包括将 碳化硅层放置在氧化腔室中，将氧化铝(alumina)圆片(wafer)放置 在腔室中，加热腔室的大气到大约50(TC到大约1300'C的温度，使氮气 在氧化铝圆片上流动以在腔室中产生原子氧，并且使原子氧在碳化硅层 的表面上流动以借此在碳化硅层上形成氧化层。在特定实施例中，腔室 的大气可以被加热到大约IOO(TC到1100。C的温度。此外，可以使氧气 在氧化铝圆片上流动。在这种情况中，根据本发明实施例的方法还可以 包括使原子氧与氧气反应生成臭氧，使臭氧在氧化铝圆片上流动，并且 裂解臭氧以在碳化硅层的附近产生原子氧。根据本发明的其他实施例包括将碳化硅层放置在腔室中，将氧化铝 圆片放置在腔室中，加热腔室的大气到大约500。C到大约130(TC的温度， 氮化氧化铝圓片以释放原子氧，并且使原子氧在碳化硅层的表面上流动 以借此在碳化硅层上形成氧化层。在特定的其他实施例中，腔室的大气 可以被加热到大约IOOO'C到1100。C的温度。此外，可以使氧气在氧化 铝圆片上流动。在这种情况中，根据本发明实施例的方法还可以包括使 原子氧与氧气反应生成臭氧，使臭氧在氧化铝圆片上流动，并且裂解臭 氧在碳化硅层的附近产生原子氧。在一些实施例中，由于源氧化物圆片可以定向在与碳化硅层的取 向平行的垂直方向上，以便提供源氧化物圆片和碳化硅层之间基本均匀 的距离，这可以导致改进的氧化物均匀性。换种说法，碳化硅层和源氧 化物圆片可以如此排列使得相应源氧化物圆片的主表面与碳化硅层平 行定向，使得碳化硅层的表面上的相应点与相邻源氧化物圆片的主表面 上的相应点的距离相等。本发明的其他实施例包括根据常规技术在碳化硅层上形成氧化层 并且在包含原子氧的环境中退火形成的氧化层。例如，根据本发明一些 实施例的在碳化硅层上形成氧化层的方法包括在碳化硅层上形成氧化层，将其上形成氧化层的碳化硅层放置在基本没有金属杂质的腔室中； 加热腔室的大气到大约500'C到大约130(TC的温度；在腔室中引入原子 氧，并且使原子氧在其上形成氧化层的碳化硅层的表面上流动。通过热 过程和/或淀积过程可以形成氧化层。引入原子氧可以包括在腔室中提供源氧化物并且使氮气和氧气的 混合物在源氧化物上流动。源氧化物可以包括铝的氧化物或诸如氧化锰 的另一氧化物。在一些实施例中，源氧化物基本没有金属杂质。例如， 源氧化物可以包括多孔蓝宝石圆片。在这种情况中，根据本发明的一些^且将多孔蓝宝石圆片放置在腔室中:、''
图1A-1C是示出根据本发明实施例的用于在碳化硅层上形成氧化层 的处理步骤的流程图；图2是适于用在本发明实施例中的炉管的示意图；图3是适于用在本发明实施例中的炉管中的碳化硅圓片的配置的示意图；图4A是对于具有根据本发明一些实施例形成的氧化物的电容器的 电容与电压的关系曲线图；图4B是对于具有根据一些常规技术形成的氧化物的电容器的电容 与电压的关系曲线图；图5是对于具有根据本发明一些实施例形成的氧化物的电容器以及 具有根据一些常规技术形成的氧化物的电容器的电容与电压的关系曲线图；图6是对于具有根据本发明一些实施例形成的氧化物的电容器以及 具有根据 一些常规技术形成的氧化物的电容器的DT与来自导带的能级 的关系曲线图；图7是对于具有根据本发明一些实施例形成的氧化物的电容器的电 容与电压的关系曲线图；图8是对于具有根据本发明一些实施例形成的氧化物的电容器的Dn与来自导带的能级的关系曲线图；图9和IO是适合用于本发明其他实施例的炉管中的碳化硅圓片的 配置的示意图；以及图11是示出根据本发明实施例的用于在碳化硅层上形成氧化层的 处理步骤的流程图。
具体实施方式
现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明，其中附图中示出了 本发明的优选实施例。然而，本发明可以许多不同的形式实现，并且不 应当被解释为限制于这里所述的实施例；相反，提供这些实施例使得本 公开详尽、完整，并且向本领域技术人员完全传达本发明的范围。在附 图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度。相似的数字指的是整个 附图中相似的元件。如这里所使用的，术语"和/或"包括相关所列项目的其中一个或 多个的任何和所有组合。将理解的是虽然这里可能使用术语第一、第二、 第三等描述各个元件、部件、区域、材料、层和/或部(section),这 些元件、部件、区域、材料、层和/或部不应当被这些术语所限制。这 些术语仅用来区分一个元件、部件、区域、层、材料或部与另一个元件、 部件、区域、层、材料或部。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、 材料、层和/或部可以被称为第二元件、部件、区域、层、材料或部， 而不脱离本发明的教导。这里所用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，不打算限制本发 明。如这里所使用的，单数形式"一"、"一个"和"该"旨在包括复 数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解术语"包括"和/或"包 含"当用在说明书中时，指定所迷特征、整数、步骤、操作、元件和/ 或部件的存在，但是不排除存在或附加一个或多个其他特征、整数、步 骤、操作、元件、部件和/或其组。如这里所用的，从拉丁文"exempligratia"衍生的常用缩写"例如"可以用于引入或指定先前所述项的一 个或多个通用例子，并且不打算限制该项。如果用在此处，从拉丁文"id est"衍生的常用缩写"即"可以用于从更一般的引用指定特定的项。除非另有定义，这里所用的所有术语(包括技术和科学术语)具有 与本发明所属领域的普通技术人员所通常理解相同的含义。还将理解诸相关技术的上^i中一致的含义;i不应以理想化i过分正式的方式来解释，除非此处明确这样定义。本发明的实施例提供了使得能够在碳化硅层上形成具有改进的界 面的氧化层的方法。这些方法在碳化硅层上产生的金属氧化物半导体 (M0S)器件的制造中尤为有利。使用本发明的实施例，可以大大减少 能级在碳化硅的导带附近的界面态。这些缺陷的减少可以是有利的，因 为这些缺陷可以限制MOS器件的有效表面沟道迁移率。此外，使用本发 明的实施例可以减小M0S器件的平带电压(即器件中不发生带弯曲的电 压)。热氧化涉及Si02层在包含硅的半导体层上的生长。如同Si的热氧 化，在碳化硅的热氧化中， 一部分底下的半导体层被生长的氧化层"消 耗"。随着层生长，氧气可以扩散在生长的氧化层中，与碳化硅表面处 的硅反应形成新的Si(h分子。因此，随着Si02层的生长，生长界面进入 碳化硅层。常规的利用分子氧(02或H20 )对碳化硅氧化以生成MOS质量S i -S i 02 界面已经受到低氧化率(即氧化层的生长率)和较差界面质量的制约。 这些缺点可以归因于由于在SiC-Si02界面处从SiC到化学计量的Si02 的转化而引起的子氧化物(sub-oxide)的形成。可以通过在高温下(例 如1200'C或更高)进行氧化来提高氧化率。然而，高温氧化比较昂贵并 且可以导致将不希望的杂质引入到生长的Si02层中，这会导致在Si02 层中不希望的固定氧化物电荷的存在。使用分子氧进行氧化可能引起一 些界面无序，该界面无序可以通过在包含氮(NO、 N20和/或NH,)的大 气中对氧化物退火，如上所述(所谓的"氮化"退火)，而被钝化。然 而，这种退火不可能完全钝化表面无序。本发明的 一些实施例提供了使用原子氧氧化碳化硅层的方法。原子 氧可以呈现出在碳化硅表面处的增加的反应性以及在生长的二氧化硅层内的增加的迁移率。因此，使用原子氧氧化碳化硅层可以导致具有减 少的结晶无序的界面。此外，与使用分子氧的氧化相比，氧化率可以增 加。此外，与使用分子氧的氧化相比，使用原子氧的氧化可以在更低的 温度完成，这导致氧化物中从炉环境中引入更少的杂质。此外，使用原子氧氧化碳化硅层可以减少SiC-Si02界面处得到的界 面无序，并且从而减少了在SiC-Si02界面处的界面态的密度。下面参考图1A-1C描述本发明的实施例，图U-1C是示出根椐使用 原子氧在碳化硅层上生长氧化层的本发明的一些实施例的操作的流程 图。转到图1A，将碳化硅层放置在腔室中(块52)。该腔室可以是能 够忍受超过500。C的温度的石英管。因此，该腔室可以充当氧化炉。碳 化硅层可以是碳化硅衬底和/或在同质外延或异质外延的衬底上形成的 碳化硅外延层。在特定实施例中，碳化硅层是4H-SiC和/或6H-SiC的 单晶、体(bulk)或外延层。在一些实施例中，配置腔室以容纳多个碳 化硅层。例如，可以配置腔室以接收多个碳化硅圆片和/或碳化硅层在 其上形成的多个圆片。可以加热腔室到大约500'C到大约1300。C的温度 (块54)。在一些实施例中，可以将腔室内的空气加热到大约500'C到 大约130(TC的温度。接着，将原子氣引入到腔室中(块56)。然后使原子氧在碳化硅层 上流动(块58),导致在碳化硅层上形成二氧化硅层。如图1B所示，在腔室中引入原子氧包括在腔室内或腔室外面提供 诸如铝的氧化物的源氧化物(块62 )并且氮化铝的氧化物以释放原子氧 (块64)。可以许多不同的形式提供源氧化物。例如，源氧化物可以包 括蓝宝石圆片或烧结的氧化铝圆片。在一些实施例中，源氧化物可以包 括多孔蓝宝石圆片。已经发现经过抛光的无孔蓝宝石圓片不能生产足够 量的原子氧支持氧化过程。虽然没有完全理解，现在人们相信经过抛光 的无孔蓝宝石圆片具有相对较小的可被氮化的表面区域。提供多孔蓝宝 石圆片可以提供要氮化的铝的氧化物的增加的表面区域，这导致释放比 使用无孔蓝宝石圆片获得的更大量的氧气。可以通过在大约500到大约1 300'C的温度下使氮气(N2)在铝的氧 化物上流过来执行氮化铝的氧化物，这么高的温度足以导致氮与铝的氧 化物反应，从而形成氮化铝并且释放得到的一些原子氧。该过程可以是 受自身制约的，因为在铝的氧化物表面处A1N的形成减小了原子氧产生过程。然而，可以通过增加铝的氧化物的表面区域来減緩这个担心。可以釆用引入原子氧的其他方法。例如，可以在腔室内或从腔室的 上游离解分子氧来提供原子氧。例如，可以在腔室内或从腔室的上游提供臭氧(03)。由于腔室内升高的温度可以在腔室内离解臭氧，以提供原子氧。可选地，可以从腔室的上游离解分子氧，并且将得到的原子氧 引入到腔室中。然而，目前人们相信原子氧的平均自由路径是这样的， 如果在腔室外面生成，至少一部分原子氧在其被用于生长氧化层之间将 与其他原子氧充分反应。因此，在一些实施例中，可以在腔室内产生原子氧。在一些实施例中，例如通过离解分子氧或者通过氮化铝的氧化物， 在与要氧化的碳化硅层隔开的位置处(或者在腔室内或者在其外面)产 生原子氧。例如，在一些实施例中，可以在腔室中距碳化硅层的距离比原子氧的自由平均路径远的位置处产生原子氧。可以在大约500到大约 130(TC的温度下提供分子氧气(02),使得原子氧可以与分子氧气反应 以生成臭氧。得到的臭氧比原子氧具有更大的平均自由路径，在大约500 到大约130(TC的温度下在碳化硅衬底上流过臭氧，该温度足以导致臭氧 离解("裂解，，)，从而产生可以氧化碳化硅层的原子氧。图1C示出了根据本发明其他实施例的方法。如图1C中所示，将碳 化硅层放置在腔室中(块70)。在腔室中将氧化铝圆片靠近碳化硅层放 置(块72)。腔室内的大气被加热到500到130(TC的温度(块74 )。 接着，可以氮化氧化铝圓片以产生原子氧(块76)。例如，可以使加热 到IOOO到1300。C的温度的氮气在氧化铝圓片上流过，以从氧化铝圆片 释放原子氧。然后使原子氧在碳化硅层上流过，以在碳化硅层上生成二 氧化硅层(块78)。在一些实施例中，可以使氧气在氧化铝圆片上流过， 以上述的方式形成臭氧。可以使臭氧在碳化硅圆片上流过，在那里臭氧 裂解，从而在碳化硅层的附近生成可以氧化碳化硅层的原子氧。图2是适合用在本发明特定实施例中的炉管的示意图。如在图2中 看到的，腔室10可以是炉管，其具有多个圓片12，圆片包括在其上要 形成氧化层的碳化硅层。优选地，碳化硅层是4H-SiC。圆片12被放置 在载体14上，使得圆片在腔室10中通常具有固定的位置。定位载体14 使得圆片距腔室10的进口的距离为L1+L2,并且在腔室10内延伸距离 L3。可以包括Nz、 02、 03和/或惰性气体的输入气体16进入腔室10,并且在它们穿过距离Ll时基于预定的温度分布图被加热，以便提供加热 的气体18。加热的气体18可以保持在基于预定温度分布图的温度并且 穿过距离L2到达圆片12的第一个。加热的气体18继续穿过腔室10直 到它们通过出口作为废气20离开腔室10。因此，加热的气体18穿过距 离U。优选地在基本恒定的温度下对距离L2和L3维持加热的气体18， 然而，如本领域技术人员按照本公开可以理解的，也可以使用各种温度 分布图。这些分布图可以包括温度随时间和/或距离的变化。在一些实施例中，可以使用预定的温度分布图在按照预定流速极限 内的流速分布图提供^和02的腔室中氧化圆片12上的碳化硅层，其中 所述预定温度分布图包括大于约50(TC的氧化温度。优选地，氧化温度 大约为IOOO'C。可以基于其中使用该工艺的特定设备来选择N2和02的 流速极限。然而，在特定实施例中，仏和02的流速极限可以低至大约2 标准升每分钟(SLM)或高达大约IOSLM或更高。在其他实施例中，优 选大约5SLM的流速极限。可以执行依赖于希望的氧化层厚度的一定时 间的氧化。例如，可以使用从几分钟到几个小时或更多的氧化时间。通 常，与使用分子氧的氧化相比，使用原子氧的氧化的氧化速率要更高。如上所述，在一些实施例中，可以通过氮化多孔蓝宝石圓片来产生 原子氧。单晶蓝宝石圆片通常可得到，作为用于化合物半导体材料异质 外延生长的衬底。可以通过离子注入形成多孔蓝宝石圆片，例如通过将 诸如氩和/或氮的惰性物质注入到圆片中形成多孔蓝宝石圆片。优选的 是使用多孔蓝宝石圆片而不是氧化铝作为原子氧的源。如下面所讨论 的，氧化铝可以包括许多不希望的可能并入到氧化物中的金属杂质。这 些杂质可能导致固定和/或移动的氧化物电荷的存在，氧化物电荷对MOS 器件的操作会有不利影响。使用多孔蓝宝石圓片的其他优势是在氧化工 艺之后，在圆片上形成的氮化铝层可以被移除，并且圆片重新使用(可 能在重新注入圆片之后)作为随后氧化过程中的原子氧源。可以上迷的方式使用其他氧化物材料作为原子氧的源。例如，可以 使用氧化锰而不是铝的氧化物。在一些实施例中，可以使用诸如铂的催化剂来帮助和/或促进原子 氧的产生。或者在腔室内或者从腔室的上游，可以采用催化剂离解分子 氧以产生原子氧和/或从碳化硅层的上游离解臭氧。催化剂放置在碳化 硅层和气体源之间，使得当气体流过催化剂时，从气体释放原子氧。可以采用与本发明的实施例有关的其他离解氧的方法。例如，可以通过使用光或电能(例如暴露于uv光和/或静电放电)离解分子氧来形 成原子氧。此外，可以从腔室的上游产生氧等离子体，以形成随后被提 供给腔室的原子氧和/或臭氧。图3示出了腔室10中的碳化硅圆片和氧化物的特定配置。如图3 中所示，在一些实施例中，可以在碳化硅片(paddle) 20上放置碳化硅 舟22。 一个或多个碳化硅圆片24 (如上讨论，可以包括体碳化硅圓片 和/或其上已形成碳化硅层的圆片)可以垂直取向被装载到舟22上。可 以在相邻碳化硅圆片24之间的舟22上提供氧化铝块或圆片26。然后将 片20放置在腔室IO诸如石英炉管中。在500到130(TC的温度下使氮气 (N2)和任选地氧气(02)流过氧化铝块26和碳化硅圆片24。从氧化铝 块26释放的原子氧氧化碳化硅圆片24的表面。虽然在图3中示出了两 个碳化硅圆片24,但是附图中示出的圆片数目是任意的。将理解的是根 据本发明实施例的可以在腔室10中处理的圆片的数目依赖于诸如腔室 10的尺寸和几何形状之类的因素。图4-8示出了使用本发明实施例可以获得的结果。这里所述的实验 结果仅作为示例提供并且不应被当作限制本发明。体4H-SiC圆片被放 置在碳化硅舟上，如图3中所示。氧化铝圆片被定位在相邻的碳化硅圆 片之间，并且将舟放置在氧化腔室中。腔室的大气被加热到IOOO'C的温 度。使氮气和氧气在氧化铝衬底和碳化硅圆片上流动5. 5小时，此时切 断氧气流，继续氮气流4个小时，之后从腔室中移走舟。观察到氧化物 已经生长在碳化硅圆片上，并且观察到氮化铝层已经形成在氧化铝圆片 上。在经过氧化的碳化硅圓片上的各个位置处形成MOS电容器，并且在 得到的器件上进行电容-电压(C-V)测量。从C-V测量中，计算界面陷 阱密度和氧化物厚度。为了比较，使用常规的分子氧化技术形成MOS电合為。图4A是对于根据本发明一些实施例的使用原子氧制造的电容器的 测量的和理论的电容与电压关系的曲线图。如图4A所示，测量的电容 (如点30所指示的)几乎与理论的理想曲线32—致。因此，本发明的 实施例使得能够形成由于减小的界面无序而具有非常高的反型层迁移 率的碳化硅MOSFET,从而生成具有大大减小的接通电阻的功率MOSFET 和具有高频开关能力的LDMOSFET。此外，观察到相比常规的分子氧化，氧化速率加倍。为了比较，图4B示出了使用常规分子氧化形成的M0S电容器的C-V 测量。如图4B中所示，常规MOS电容器的C-V曲线(如点34所示)呈 现出与理想C-V曲线36相当大的偏离。同样，图5是对于如上所述形成的MOS电容器和使用一些常规的分 子氧化技术形成的MOS电容器的归一化电容(C/C。x)与电压关系的曲线 图。对于图5中示出的数据，常规的MOS电容器另外在NO环境中在1300 。C的温度下进行了两个小时的退火，以改进SiC-Si02界面质量。如图5 中所示，使用原子氧形成的Si02层的测量的电容值(点40 )几乎与理想 曲线(线42)—致，这表示在SiC-Si02界面处结晶无序的量低。使用 分子氧形成的NO退火的Si02层的测量的电容值(点44)与理想曲线(线 46)相比显示了相当大的伸出，表示存在界面陷阱。特别地，NO退火的 氧化物生成了沟道迁移率为50cmVV-s的横向MOSFET，该沟道迁移率受 近导带态的限制，造成在平带到累计范围的C-V曲线中的伸出。原子 氧C-V数据(点40)在这个区域中几乎没有显示出可检测的伸出。假 设可忽略的界面陷阱，对于用原子氧存在下生长的栅氧化物制造的橫向 MOSFET,期望沟道迁移率增加到150cm7V-s。图6是对于使用分子氧和原子氧形成的SiC-Si02界面，界面态密 度(D1T)与导带(E。-E)内的位置的曲线图。如图6所示，使用原子氧 形成的SiC-SiO,界面的界面态密度(点45)比使用分子氧形成的SiC -Si02界面的界面态密度(点47)大大减小了。使用氧化铝圆片作为原子氧的源的一个问题是圆片中杂质的存在。 这些杂质可以嵌入到氧化物中并且可以导致存在于氧化物中的固定或 移动电荷，这会影响MOS器件的工作。例如，由于电荷移动和/或状态 俘获(trapping)或去俘获(detrapping)，固定的和/或移动的氧化物 电荷可以导致器件的C-V特性中的电压偏移。例如，如图7中所示， 随着施加的电压从高到低再返回高的循环，滞后环可能呈现在C-V曲 线41中。这种滞后的存在在实际器件中可以表示电压阈值不稳定性。 此外，使用氧化铝形成的MOS界面可能有温度稳定性的顾虑。如图8所 示，在200'C的偏置(biased)的热处理后，测量的界面陷阱密度Dn 趋向于向上偏移(线51),表示界面陷阱的浓度从热处理之前进行的测 量(线53)的增加。最后，根据结合图3所示的实施例生长的氧化层的氧化物厚度可能随碳化硅圆片24的位置改变。例如，在圆片上靠近腔 室10内的氧化铝圆片的位置处测量450A的氧化物厚度，而在顺序远离 氧化铝圆片的圆片上的位置处测量300A、 270A， 200A的氧化物厚度。 图9示出了可以克服上述一些限制的腔室10中的碳化硅圆片和氧 化物的其他配置。如图9中所示，碳化硅舟22可以放置在碳化硅片20 上。 一个或多个碳化硅圆片24可以垂直取向被装栽到舟22上。可以在 相邻碳化硅圆片24之间在舟22上在垂直取向提供氧化铝圆片28。然后 将片20放置在腔室IO诸如石英炉管中。在500。C到130(TC的温度下使 氮气(N2)和任选地氧气(02)流过氧化铝圆片28和碳化硅圆片24。从 氧化铝圓片28释放的原子氧氧化碳化硅圓片24的表面。在这些实施例 中，由于氧化铝圆片28在平行于碳化硅圆片的取向的垂直方向上定向， 使得在氧化铝圆片28和碳化硅圆片24之间提供基本均匀的距离，可以 改进得到的氧化物均匀性。换句话说，如此排列氧化铝圆片28和碳化 硅圆片24使得相应氧化铝圆片28的主表面平行于碳化硅圆片26定向， 使得碳化硅圆片26的表面上的相应点与相邻氧化铝圆片28的主表面上 的相应点等距。图IO示出了可以克服上述一些限制的腔室10中的碳化硅圆片和氧 化物的其他配置。如图IO中所示，碳化硅舟22可以放置在碳化硅片20 上。 一个或多个碳化硅圆片24可以垂直取向被装栽到舟22上。可以在 相邻碳化硅圆片24之间在舟22上以垂直取向提供多孔蓝宝石圆片38。 然后将片20放置在腔室IO诸如石英炉管中。在50(TC到1300'C的温度 下使氮气(N2)和任选地氧气(02)流过多孔蓝宝石圆片38和碳化硅圆 片24。从多孔蓝宝石圆片38释放的原子氧氧化碳化硅圆片24的表面。 在这些实施例中，由于多孔蓝宝石圆片可以具有高的纯度，腔室10基 本上没有可以并入到二氧化硅层中的金属杂质。如这里所使用的，"基 本上没有...金属杂质，，意味着得到的二氧化硅层其中可以具有比 SiC/Si02界面的界面态密度D,T低大约两阶幅度或更多的剂量的金属杂 质，即小于大约10"cnT2。提供原子氧的其他方法，诸如臭氧的离解，也 可以导致基本上没有金属杂质的氧化腔室10。此外，由于蓝宝石圆片 38在垂直方向上定向使得提供了蓝宝石圆片38和碳化硅圆片24之间的 恒定距离，可以改进得到的氧化物均匀性。本发明的其他实施例包括根椐常规的技术在碳化硅层上形成二氧化硅层并且在包含原子氧的环境中对形成的二氧化硅层退火。例如，图9中示出了根据本发明一些实施例的在碳化硅层上形成氧化物层的方 法。如那里所使用的，根据本发明一些实施例的方法包括在碳化硅层上 形成氧化物层(块72 )，将其上形成氧化物层的碳化硅层放置在基本没 有金属杂质的腔室中(块74);加热腔室的大气到大约50(TC到大约1300 。C的温度(块76);在腔室中引入原子氧(块78)，并且使原子氧流 过其上形成氧化物层的碳化硅层表面(块79)。通过热过程和/或淀积 过程可以形成氧化物层。引入原子氧可以包括在腔室中提供源氧化物并且使氮气和氧气的 混合物在源氧化物上流动。源氧化物可以包括铝的氧化物或诸如氧化锰 的另一氧化物。在一些实施例中，源氧化物基本上没有金属杂质。例如， 源氧化物可以包括多孔蓝宝石圆片。在这种情况下，根据本发明的一些 实施例包括用非金属杂质注入蓝宝石圓片以形成多孔蓝宝石圆片，并且 将多孔蓝宝石圓片放置在腔室中。在一些实施例中，引入原子氧包括使用诸如铂的催化剂产生原子 氧。在一些实施例中，引入原子氧包括产生臭氧流并且裂解臭氧生成原 子氧。使用热和/或电磁能可以裂解臭氧。在一些实施例中，可以在腔室的外面产生原子氧并且将其提供给腔室。在特定实施例中，可以将腔室的大气加热到大约IOO(TC到UO(TC 的温度。在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型优选实施例，并且虽 然采用了具体的术语，它们仅是在一般并且描述性的意义上使用，并不 是为了限制的目的，本发明的范围在以下权利要求书中阐述。
权利要求
1.一种在碳化硅层上形成氧化层的方法，包括将碳化硅层放置在基本没有金属杂质的腔室中；将腔室的大气加热到大约500℃到大约1300℃的温度；在腔室中引入原子氧；以及使原子氧流过碳化硅层的表面，从而在碳化硅层上形成氧化层。
2. 权利要求l的方法，其中引入原子氧包括 在腔室中提供源氧化物；以及使氮气和氧气的混合物流过源氧化物。
3. 权利要求2的方法，其中源氧化物包括铝的氧化物。
4. 权利要求2的方法，其中源氧化物包括氧化锰。
5. 权利要求2的方法，其中源氧化物基本没有金属杂质。
6. 权利要求2的方法，其中源氧化物包括多孔蓝宝石圆片。
7. 权利要求l的方法，还包括用非金属杂质注入蓝宝石圆片以形成多孔蓝宝石圆片；以及 将多孔蓝宝石圆片放置在腔室中。
8. 权利要求l的方法，其中引入原子氧包括使用催化剂产生原子氧。
9. 权利要求8的方法，其中催化剂包括铂。
10. 权利要求l的方法，其中引入原子氧包括产生臭氧流；以及裂解臭氧生成原子氧。
11. 权利要求l的方法，其中引入原子氧包括在腔室外产生原子氧；以及 将产生的原子氧提供给腔室。
12. 权利要求l的方法，其中腔室包括氧化炉管。
13. 权利要求l的方法，其中加热腔室的大气包括将腔室的大气加 热到大约IOO(TC到大约IIOO'C的温度。
14. 一种在碳化硅层上形成氧化层的方法，包括 将碳化硅层放置在腔室中；将氧化铝圆片放置在腔室中；将腔室的大气加热到大约500'C到大约130(TC的温度； 使氮气流过氧化铝圆片，以在腔室中产生原子氧；以及使原子氧流过碳化硅层的表面，从而在碳化硅层上形成氧化层。
15. 权利要求14的方法，其中加热腔室的大气包括将腔室的大气 加热到大约IOO(TC到大约IIO(TC的温度。
16. 权利要求14的方法，还包括使氧气流过氧化铝圆片。
17. 权利要求16的方法，还包括 使原子氧与氧气反应以生成臭氧； 使臭氧流过氧化铝圆片；以及 裂解臭氧以在碳化硅层的附近生成原子氧。
18. —种在碳化硅层上形成氧化层的方法，包括 将碳化硅层放置在腔室中；将氧化铝圆片放置在腔室中；将腔室的大气加热到大约500'C到大约1 300。C的温度； 氮化氧化铝圆片以释放原子氧；以及将原子氧流过碳化硅层的表面，以在碳化硅层上形成氧化层。
19. 权利要求18的方法，其中加热腔室的大气包括将腔室的大气 加热到大约IOO(TC到大约IIO(TC的温度。
20. 权利要求18的方法，还包括使氧气流过氧化铝圆片。
21. 权利要求20的方法，还包括 使原子氧与氧气反应以生成臭氧； 使臭氧流过氧化铝圓片；以及裂解臭氧以在碳化硅层的附近生成原子氧。
22. 权利要求18的方法，其中氧化铝圆片的主表面平行于碳化硅 层的主表面。
23. —种在碳化硅层上形成氧化层的方法，包括 在碳化硅层上形成氧化层；将其上具有氧化层的碳化硅层放置在基本没有金属杂质的腔室中； 将腔室的大气加热到大约50(TC到大约130(TC的温度； 在腔室中引入原子氧；以及 使原子氧流过碳化硅层的表面。
24. 权利要求23的方法，其中引入原子氧包括 在腔室中提供源氧化物；以及使氮气和氧气的混合物流过源氧化物。
25. 权利要求24的方法，其中源氧化物包括铝的氧化物。
26. 权利要求24的方法，其中源氧化物包括氧化锰。
27. 权利要求24的方法，其中源氧化物基本没有金属杂质。
28. 权利要求24的方法，其中源氧化物包括多孔蓝宝石圆片。
29. 权利要求23的方法，还包括用非金属杂质注入蓝宝石圆片以形成多孔蓝宝石圆片；以及 将多孔蓝宝石圓片放置在腔室中。
30. 权利要求23的方法，其中引入原子氧包括使用催化剂产生原 子氧。
31. 权利要求30的方法，其中催化剂包括铂。
32. 权利要求23的方法，其中引入原子氧包括产生臭氧流；以及 裂解臭氧生成原子氧。
33. 权利要求23的方法，其中引入原子氧包括 在腔室外产生原子氧；以及 将产生的原子氧提供给腔室。
34. 权利要求23的方法，其中腔室包括氧化炉管。
35. 权利要求23的方法，其中加热腔室的大气包括将腔室的大气 加热到大约IOO(TC到大约IIO(TC的温度。
全文摘要
公开了在碳化硅层上形成氧化层的方法，包括将碳化硅层放置在基本没有金属杂质的腔室中；将腔室的大气加热到大约500℃到大约1300℃的温度；在腔室中引入原子氧；以及使原子氧流过碳化硅层的表面，从而在碳化硅层上形成氧化层。在一些实施例中，引入原子氧包括在腔室中提供源氧化物；以及使氮气和氧气的混合物流过源氧化物。源氧化物可以包括铝的氧化物或诸如氧化锰的另一源氧化物。一些方法包括在碳化硅层上形成氧化层并且在包含原子氧的大气中退火氧化层。
文档编号H01L21/321GK101263586SQ200680034000
公开日2008年9月10日 申请日期2006年7月11日 优先权日2005年9月16日
发明者A·K·阿加瓦尔, D·格里德, J·W·帕尔穆尔, M·K·达斯 申请人:克里公司