一种碳化硅表面氧化膜的制备方法与流程

本发明涉及一种半导体材料的处理方法，具体涉及一种碳化硅表面氧化膜的制备方法。

背景技术：

碳化硅材料具有宽带隙，高击穿场强，高热导率，高饱和电子迁移速率，极好的物理化学稳定性等特性，适用于高温，高频，大功率和极端环境下工作。碳化硅是唯一可以通过热氧化生成SiO₂介质层的宽带隙半导体，使得碳化硅尤其适合制备各种MOS结构器件。

然而，由于C的存在使得碳化硅的氧化机理较硅复杂的多，而且碳化硅/二氧化硅的界面态密度也远高于硅/二氧化硅界面，使得SiC MOSFET器件性能严重退化。研究表明C残留是造成碳化硅/二氧化硅高界面态的原因之一，因此，需要提供一种技术方案来降低C残留对界面态的影响，提高氧化膜质量、获得更好的碳化硅/二氧化硅界面和提高SiC MOSFET器件性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种碳化硅表面氧化膜的制备方法，通过在氧化膜形成前对碳化硅样品表面进行钝化处理，以提高氧化膜质量，获得更好的碳化硅/二氧化硅界面。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种碳化硅表面氧化膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)清洗包括衬底(11)和外延薄膜(12)的碳化硅材料(10)；

2)对所述外延薄膜(12)的上表面进行氮等离子体处理；

3)高温下氩气预处理步骤2)所得样品(13)；

4)氧化所步骤3)所得样品(14)，得氧化膜(15)。

所述的碳化硅表面氧化膜的制备方法的第一优选技术方案，所述碳化硅材料(10)为n型或p型的4H-SiC或6H-SiC，所述外延薄膜(12)的厚度为0.1μm-500μm，其掺杂浓度为1×10¹³-1×10²¹cm^-3。

所述的碳化硅表面氧化膜的制备方法的第二优选技术方案，所述清洗的方法为RCA标准清洗法等本技术领域人员熟知的各种清洗方法。

所述的碳化硅表面氧化膜的制备方法的第三优选技术方案，所述氮等离子体处理为本技术领域熟知多种实现方法之一或任意组合，处理功率为10^-3～10⁵W，气体流量为10^-3～10⁵sccm，处理时间为10^-2～10⁵min。

所述的碳化硅表面氧化膜的制备方法的第四优选技术方案，所述高温下氩气预处理的设备为箱式炉或管式炉。

所述的碳化硅表面氧化膜的制备方法的第五优选技术方案，所述高温下氩气预处理中对温度和流速的分布进行预定，所述温度和/或流速为恒定分布或可变分布。

所述的碳化硅表面氧化膜的制备方法的第六优选技术方案，所述可变分布为单阶梯或多阶梯分布。

所述的碳化硅表面氧化膜的制备方法的第七优选技术方案，所述温度分布梯度为30～2500℃，所述梯度上的维持时间为0.1～100000min，所述温度变化速率为0.1℃/min～2000℃/min。

所述的碳化硅表面氧化膜的制备方法的第八优选技术方案，所述流速为10^-3sccm～10⁵sccm。

所述的碳化硅表面氧化膜的制备方法的第九优选技术方案，所述氧化的方法为干氧、湿氧或N₂O中高温氧化等。

与最接近的现有技术比，本发明具有如下有益效果：

1)本发明中氧化前的等离子体表面处理是通过清洁样品表面和钝化表面悬挂键，提高氧化薄膜质量，达到减小氧化膜与碳化硅界面的界面态密度；

2)本发明所用气体无毒害，无刺激性，不需要尾气处理装置；

3)本发明的工艺简单、省时，适用于大规模的工业生产。

附图说明

图1：本发明方法的流程图；

图2：本发明的氮等离子体处理的示意图；

图3：本发明的高温下氩气预处理的示意图；

图4：本发明的氧化处理的示意图；

其中：10碳化硅材料；11衬底；12外延薄膜；13氮等离子体处理所得样品；14高温下氩气预处理所得样品；15氧化膜；16氧化处理所得样品。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明示例性的实施例进行描述。为了清楚和简要起见，实际的实施例并不局限于说明书中所描述的这些技术特征。然而，应该理解的是，在改进任何一个所述实际实施例的过程中，多个具体实施例的决定必须是能够实现改进人员的特定目标，例如，遵从行业相关和商业相关的限制，所述限制随着实施例的不同而变化。而且，应该理解的是，前述改进的效果即使是非常复杂和耗时的，但是这对于知晓本发明益处的本领域技术人员来说仍然是常规技术手段。

实施例1

一种碳化硅表面氧化膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)清洗碳化硅材料10，该碳化硅材料10包括衬底11和外延薄膜12，所述碳化硅材料10中的衬底11为n型4H-SiC，厚度约为380μm，n型掺杂杂质为氮(N)，掺杂浓度约为5×10¹⁸cm^-3；所述碳化硅材料10中的外延薄膜12为n型4H-SiC，厚度约为12μm，n型掺杂杂质为氮(N)，掺杂浓度约为8×10¹⁵cm^-3；

采用RCA标准清洗法对碳化硅材料10进行清洗，具体清洗步骤如下：

(1)配制氢氟酸溶液(HF:H₂O＝1:10)；

(2)样品支架清洗、吹干待用；

(3)取碳化硅样品10放于支架上，按照顺序放好；

(4)配3#液(硫酸：H₂O₂＝3:1)，硫酸最后加，同时另一容器煮水；

(5)用3#液煮洗，15min，加热至250℃，拎起支架稍凉片刻；

(6)将支架放到热水中，冲水；

(7)配制1#液(氨水：H₂O₂：H₂O＝1:1:5-1:1:7)，前两者倒入热水中，加热75～85℃，时间10～20min(利用络合作用去除重金属杂质)，取出样品支架，放入1#液，15min，取出放到热水中，冲水；

(8)配制2#液(HCl：H₂O₂：H₂O＝1:1:5)前两者倒入热水中；

(9)取出硅片，放入2#液，15min，取出放热水中，冲水；

(10)10％的氢氟酸时间5～10s，去除碳化硅样品10表面氧化层；

(11)去离子水冲洗时间20min。

2)于外延薄膜12的上表面进行氮等离子体处理得到样品13，如图2所示，处理功率为300W，N₂流量为300sccm，处理时间为5min。

3)对样品13进行高温下氩气(Ar)预处理，预先通入氩气(Ar)，氩气(Ar)流速为4000sccm，以10℃/min的升温速率从室温升高到800℃，维持时间为180min，以10℃/min的降温速率降至室温，获得样品14，如图3所示。

4)对样品14进行常规氧化，所用氧化炉为管式氧化炉，以10℃/min的升温速率从室温升高到1100℃，通入N₂O气体，气体流量为4SLM，继续以10℃/min的升温速率升高到1300℃，维持3小时，停止通入N₂O，关掉氧化炉电源，降温至室温取出样品16，测得氧化薄膜15的厚度约50nm。

实施例2

一种碳化硅表面氧化膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)清洗碳化硅材料10，该碳化硅材料10包括衬底11和外延薄膜12，所述碳化硅材料10中的衬底11为n型4H-SiC，厚度约为300μm，n型掺杂杂质为氮(N)，掺杂浓度约为5×10²⁰cm^-3；所述碳化硅材料10中的外延薄膜12为n型4H-SiC，厚度约为15μm，n型掺杂杂质为氮(N)，掺杂浓度约为8×10¹⁸cm^-3；

采用RCA标准清洗法对碳化硅材料10进行清洗，具体清洗步骤如下：

(1)配制氢氟酸溶液(HF:H₂O＝1:10)；

(2)样品支架清洗、吹干待用；

(3)取碳化硅样品10放于支架上，按照顺序放好；

(4)配3#液(硫酸：H₂O₂＝3:1)，硫酸最后加，同时另一容器煮水；

(5)用3#液煮洗，15min，加热至250℃，拎起支架稍凉片刻；

(6)将支架放到热水中，冲水；

(7)配制1#液(氨水：H₂O₂：H₂O＝1:1:5-1:1:7)，前两者倒入热水中，加热75～85℃，时间10～20min(利用络合作用去除重金属杂质)，取出样品支架，放入1#液，15min，取出放到热水中，冲水；

(8)配制2#液(HCl：H₂O₂：H₂O＝1:1:5)前两者倒入热水中；

(9)取出硅片，放入2#液，15min，取出放热水中，冲水；

(10)10％的氢氟酸时间5～10s，去除碳化硅样品10表面氧化层；

(11)去离子水冲洗时间20min。

2)于外延薄膜12的上表面进行氮等离子体处理得到样品13，如图2所示，处理功率为500W，N₂流量为300sccm，处理时间为3min。

3)对样品13进行高温下氩气(Ar)预处理，预先通入氩气(Ar)，氩气(Ar)流速为4000sccm，以10℃/min的升温速率从室温升高到900℃，维持时间为120min，以10℃/min的降温速率降至室温，获得样品14，如图3所示。

4)对样品14进行常规氧化，所用氧化炉为管式氧化炉，以10℃/min的升温速率从室温升高到1100℃，通入N₂O气体，气体流量为4SLM，继续以10℃/min的升温速率升高到1300℃，维持3小时，停止通入N₂O，关掉氧化炉电源，降温至室温取出样品16，测得氧化薄膜15的厚度约50nm。

实施例3

一种碳化硅表面氧化膜的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)清洗碳化硅材料10，该碳化硅材料10包括衬底11和外延薄膜12，所述碳化硅材料10中的衬底11为n型6H-SiC，厚度约为450μm，n型掺杂杂质为氮(N)，掺杂浓度约为5×10¹⁸cm^-3；所述碳化硅材料10中的外延薄膜12为n型6H-SiC，厚度约为15μm，n型掺杂杂质为氮(N)，掺杂浓度约为8×10¹⁵cm^-3；

采用RCA标准清洗法对碳化硅材料10进行清洗，具体清洗步骤如下：

(1)配制氢氟酸溶液(HF:H₂O＝1:10)；

(2)样品支架清洗、吹干待用；

(3)取碳化硅样品10放于支架上，按照顺序放好；

(4)配3#液(硫酸：H₂O₂＝3:1)，硫酸最后加，同时另一容器煮水；

(5)用3#液煮洗，15min，加热至250℃，拎起支架稍凉片刻；

(6)将支架放到热水中，冲水；

(7)配制1#液(氨水：H₂O₂：H₂O＝1:1:5-1:1:7)，前两者倒入热水中，加热75～85℃，时间10～20min(利用络合作用去除重金属杂质)，取出样品支架，放入1#液，15min，取出放到热水中，冲水；

(8)配制2#液(HCl：H₂O₂：H₂O＝1:1:5)前两者倒入热水中；

(9)取出硅片，放入2#液，15min，取出放热水中，冲水；

(10)10％的氢氟酸时间5～10s，去除碳化硅样品10表面氧化层；

(11)去离子水冲洗时间20min。

2)于外延薄膜12的上表面进行氮等离子体处理得到样品13，如图2所示，处理功率为350W，N₂流量为300sccm，处理时间为5min。

3)对样品13进行高温下氩气(Ar)预处理，预先通入氩气(Ar)，氩气(Ar)流速为5000sccm，以10℃/min的升温速率从室温升高到900℃，维持时间为160min，以10℃/min的降温速率降至室温，获得样品14，如图3所示。

4)对样品14进行常规氧化，所用氧化炉为管式氧化炉，以10℃/min的升温速率从室温升高到1100℃，通入N₂O气体，气体流量为4SLM，继续以10℃/min的升温速率升高到 1300℃，维持3小时，停止通入N₂O，关掉氧化炉电源，降温至室温取出样品16，测得氧化薄膜15的厚度约50nm。

至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。