一种制备SiC MOSFET栅氧化层的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制备SiC MOSFET栅氧化层的方法，属于SiC MOSFET器件领域。
【背景技术】
[0002]SiC作为第三代半导体材料，具有宽带隙、高热导率、高击穿场强、高饱和速度等优越性能，适合制作高温大功率、高温高频以及抗辐射器件。其被广泛应用的电源装置为电源金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在电源MOSFET中，控制信号被传递给栅电极，该栅电极与半导体表面通过插入的绝缘体被隔开，该绝缘体可以但不限于是二氧化硅。
[0003]通常在SiC外延层制备S1JI介质层采用热生长的方法。然而，由于生长过程中5102与SiC材料晶格不匹配，在S1 2栅介质层和S1 2/SiC界面中会产生大量的悬挂键、碳簇和氧空位等缺陷电荷，使得在SiC层热生长的Si02/SiC界面陷阱电荷比Si02/Si界面陷阱电荷大约高两个数量级，造成SiC MOSFET器件反型沟道载流子迀移极低，降低了器件性會K。
[0004]目前主流的降低Si02/SiC界面中的陷阱电荷的方法是使用高温气体退火。常用的退火气体有含氮气体(如N2、NH3, N2O, NO)、Ar、H2, P0C13、O2等。其中含氮气体主要用于降低Si02/SiC界面的碳簇现象，比用于降低Si02/SiC界面的悬挂键，？0(:13、02用于填补S12栅介质层在高温生长过程中造成氧空位现象。高温退火的步骤包括在SiC衬底片上生长外延SiC层，进行RCA清洗，在02、NO和/或N2O气氛中热生长S1jl，用N 2、NO等气体进行退火。
[0005]使用NO退火S12栅介质层的方法可参考美国CREE公司的专利W02007035304A1。其在SiC材料上形成氧化层的方法包括:在SiC材料上热生长氧化层(栅介质S12)，并在NO气氛中不低于1175°C的温度下热退火，最适宜温度为1300°C。目的是降低S12层中的碳簇现象，从而降低界面陷阱电荷，提高SiC MOSFET器件反型层沟道载流子迀移率。热氧化层退火可以在表面覆有SiC薄膜的SiC管中进行。为形成该氧化层，可以在干燥氧气中热生长整体氧化层，之后在湿氧气中再次氧化该整体氧化层。
[0006]使用H2退火S1jI介质层的方法可参考美国克里公司的专利CN1531746A。其通过在一层SiC上制备氮化的氧化物层(即S12)和在含氢气环境中退火该氮化的氧化物层制备了碳化硅结构。目的是降低S12层中的悬挂键，也可以降低界面陷阱电荷，提高SiCMOSFET器件反型层沟道载流子迀移率。
[0007]但是，上述方法都只能降低Si02/SiC界面的陷阱电荷，不能填补S12栅介质层中由于高温产生的氧空位陷阱电荷，因此只能提高SiC MOSFET器件反型层沟道载流子迀移率，不能提高该器件中S12栅介质层的临界击穿电场。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种制备SiC MOSFET栅氧化层的方法，其在热沉积S12栅介质层后使用(:12进行退火，能够填补S12栅介质层的陷阱电荷，从而提高SiC MOSFET器件中S12栅介质层的临界击穿电场。
[0009]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0010]根据本发明，所述制备SiC MOSFET栅氧化层的方法包括:首先在SiC外延层上热生长3102栅氧化层，然后在500?1000°C，优选700?800°C下，包含Cl 2的环境中退火该栅氧化层。
[0011]使用Cl2退火栅介质S1Jl的主要原理为:S1 2在高温下热解，部分氧原子离开S12，在栅介质S12中形成氧空位陷阱电荷。氯原子与氧空位陷阱电荷发生化学反应，形成S1-Cl键，填补高温氧化过程产生的氧空位陷阱电荷，达到电荷平衡。
[0012]优选这一过程中使用惰性气体与(:12的混合气体，目的是稀释Cl 2，防止过多的Cl2破坏S12栅介质层中的S1-O键，造成对S12栅介质层的损害。
[0013]根据本发明，混合气体中Cl2的体积含量为I %?10%，优选I %?3%。当(:12含量过高时会损害S1-O键，稀释用的惰性气体可以为队或Ar。
[0014]根据本发明，反应前采用RCA标准清洗法清洗SiC外延片，目的是除去SiC外延片表面可能存在的有机物、颗粒和金属杂质等污染物。这些污染物的存在会影响SiC MOSFET器件的电学特性。
[0015]所述RCA标准清洗法是一种典型的、至今仍普遍使用的湿式化学清洗法，清洗的一般思路是首先去除硅片表面的有机物，然后溶解氧化膜，最后去除颗粒、金属等污染物，同时使硅片表面钝化。该清洗法主要包括以下几种清洗液:
[0016](I)SPM:使用H2S04/H20^ 120?150°C下进行清洗。SPM具有很高的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液中，并能把有机物氧化生成0)2和H 20。用SPM清洗SiC外延片可去除硅片表面的重有机物沾污和部分金属，但是当有机物沾污特别严重时会使有机物碳化而难以去除。
[0017](2) HF (DHF):使用HF(DHF)在20?25°C下进行清洗。DHF可以去除硅片表面的自然氧化膜，因此，附着在自然氧化膜上的金属将被溶解到清洗液中，同时DHF抑制了氧化膜的形成。因此可以很容易地去除硅片表面的Al，Fe，Zn，Ni等金属，DHF也可以去除附着在自然氧化膜上的金属氢氧化物。用DHF清洗时，在自然氧化膜被腐蚀掉时，硅片表面的硅几乎不被腐蚀。
[0018](3)APM(SC-1):使用 ΝΗ40Η/Η202/Η20 在 30 ?80°C下进行清洗。由于 H2O2的作用，硅片表面有一层自然氧化膜(S12)呈亲水性，硅片表面和粒子之间可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化层与硅片表面的Si被NH 40H腐蚀，因此附着在硅片表面的颗粒便落入清洗液中，从而达到去除粒子的目的。在NH40H腐蚀硅片表面的同时，H2O2又在氧化硅片表面形成新的氧化膜。
[0019](4)HPM(SC-2):使用HC1/H202/H20在65?85°C下进行清洗。用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污。在室温下HPM就能除去Fe和Zn。
[0020]根据本发明，RCA清洗结束后，所述制备SiC MOSFET栅氧化层的方法包括:
[0021]步骤一、将SiC外延片升温至氧化温度的升温过程；
[0022]步骤二、氧化温度下，在SiC外延片上生长S12栅介质层的氧化过程；
[0023]步骤三、将生长有S12栅介质层的SiC外延片降温至退火温度的降温过程；
[0024]步骤四、退火温度下通入(:12与惰性气体的混合气体，对生长有S12栅介质层的SiC外延片进行退火的退火过程；和
[0025]步骤五、将退火后的生长有S12栅介质层的SiC外延片降温的冷却过程。
[0026]在本发明的实施例中，所述方法进一步阐述如下:
[0027]步骤一、升温过程:将RCA清洗后的SiC外延片置于高温氧化炉中，升温至1000?1400°C，优选1300?1400°C的氧化温度。在本发明的一个具体实施例中，升温速率为5?10°C /cm0
[0028]该方法可以在高温氧化炉优选管式炉内进行，具体为在炉腔内排列多个SiC晶片，晶片可置于载体上，使晶片在炉腔内有固定位置。步骤一的目的是使放置有SiC外延片的炉腔温度达到热氧化生长S12栅介质层的温度。后续步骤中炉腔内可注入反应气体并保持在所需要的设定温度。
[0029]步骤二、氧化过程:在步骤一设定的氧化温度下，以0.5?2slm(standard litreper minute的缩写，意思是标准状态下lL/min的流量)的速率向炉腔内通入氧化气体O2或H2O,设定炉腔压力为100?lOOOmbar，保持时间10?180min ;得到S12层栅介质的厚度为10?10nm0
[0030]对应不同的反应时间，该步骤可在SiC外延片上形成不同厚度的S12层栅介质。其中通O2为干法氧化，通入H 20气为湿法氧化。对于干法氧化，干燥02与SiC外延片反应生成S1jP CO，CO气体穿过S1 2并逸出SiC/S1 2界面，在SiC外延片上形成S1 2栅介质层。对于湿法氧化，通入H2O蒸汽(或通入&与02两股气体，使其在炉腔内发生化合反应生成H2O蒸汽)与SiC外延片反应生成CO、HjP S12，其中的CO、112气体穿过S1 2并逸出SiC/Si02界面，在SiC外延片上形成S1 2栅介质层。
[0031]步骤三、降温过程:将高温氧化炉内的温度降至500?1000°C，优选700?800°C的退火温度。由于退火温度低于氧化温度，因此该步骤中需要在氧化得到S12栅介质层后将炉腔温度降至退火温度，降温后再通入(:12与惰性气体的混合气体可精确控制下一步的退火时间。在本发明的一个具体实施例中，降温速率为5?10°C /cm。
[0032]步骤四、退