SiC氧化中SiC-SiO2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法与流程

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种sic氧化中sic-sio2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法。

背景技术：

下一代高效电力电子器件技术的核心。sicmosfets相比于simosfets导通电阻更小、开关电压更高、应用频率更高、温度性能更好，特别适用于功率开关应用。sicmosfet器件的集成制造工艺，特别是栅介质工艺，是当前研究的热点。

sic是唯一能够热生长sio2的化合物半导体，这就使得sic可以实现所有simos的器件结构。sic的热氧化需要比si更高的氧化温度，氧化温度高达1300℃。目前主流的sic氧化工艺主要是采用电阻加热方式的氧化炉，主要原理是基于sic与氧气分子的反应，但是这种与氧气分子氧化的方法，容易造成界面处残留碳簇、间隙原子碳、si-o-c键、c的悬挂键等缺陷，界面质量退化，导致迁移率降低，如图1所示。

因此，sic-sio2界面处的碳杂质类型与位置分布是评价sic氧化工艺制备的sic-sio2界面质量的重要指标，然而目前并没有一个行之有效的方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种sic氧化中sic-sio2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种sic氧化中sic-sio2界面碳杂质类型与位置分布的测定方法，包括：

提供一个包含sic-si¹⁶o2-si¹⁸o2或sic-si¹⁸o2-si¹⁶o2结构的sic衬底样品，所述sic衬底样品由sic氧化获得；

将所述sic衬底样品放置在真空腔体中，对所述sic衬底样品匀速加热，不同温度下sio2与不同类型的碳杂质反应，生成c¹⁶o和c¹⁸o，并逐渐从界面脱附进入所述真空腔体中；

检测所述真空腔体内的c¹⁶o⁺和c¹⁸o⁺的离子电流；

分析c¹⁶o⁺和c¹⁸o⁺离子电流的大小随温度的变化曲线判断碳杂质的类型；

分析c¹⁶o⁺和c¹⁸o⁺离子电流的大小随时间的变化关系，确定c¹⁶o⁺和c¹⁸o⁺在样品中的扩散机制，利用扩散方程得到不同位置的碳杂质浓度。

优选地，在判断碳杂质的类型时，在800～900℃范围内检测间隙c杂质浓度，在900～1300℃范围内检测成键c杂质浓度。

优选地，在计算碳杂质浓度时，首先将所述sic衬底样品分别在不同温度进行n2退火处理，并利用二次离子质谱测试c的浓度分布，根据公式(1)确定c在sio2的扩散系数；

其中，c(x，t)为c的浓度，c0为sio2中c的初始浓度，erfc为余误差函数，d为c的扩散系数，x为c与sic衬底样品表面之间的距离，t为c的扩散时间；

然后，根据不同时刻的c¹⁶o⁺和c¹⁸o⁺离子电流确定样品的边界条件，利用公式(2)和公式(3)得出不同位置的c杂质浓度，

其中，j表示c的净流量。

优选地，所述包含sic-5i¹⁶o2-si¹⁸o2结构的sic衬底样品通过首先由¹⁸o2氧化，然后由¹⁶o2氧化sic获得，所述包含sic-si¹⁸o2-si¹⁶o2结构的sic衬底样品通过首先由¹⁶o2氧化，然后由¹⁸o2氧化sic获得。

优选地，氧化温度范围为800℃～1400℃，氧化时间范围为1s～2h，氧化厚度为1nm～20nm。

优选地，加热所述sic衬底样品时的升温速率为0.1℃/s～10℃/s，加热的温度范围为800℃～1300℃。

优选地，所述真空腔体的压强范围为10^-5pa～10^-9pa。

优选地，利用四级杆质谱仪qms设备检测c¹⁶o⁺和c¹⁸o⁺的离子电流大小。

另一方面，本发明还提供一种所述测定方法在sic-sio2界面质量评价或sic氧化样品筛选中的应用。

本发明通过制备sic-si¹⁶o2-si¹⁸o(或sic-si¹⁸o2-si¹⁶o2)的结构，并利用加热系统以及qms设备检测c¹⁶o⁺和c¹⁸o⁺的离子电流随时间的变化关系，确定co在sic-sio2的扩散机制以及不同位置的碳杂质浓度分布，并且通过电流大小随温度变化的变化关系可以确定杂质的类型，本发明的方法操作简单，准确度高，为sic氧化质量的评估提供了一种新的方法。

附图说明

图1为sic/sio2界面缺陷示意图。

图2为本发明测定方法中的设备示意图。

图3为sic-si¹⁶o2-si¹⁸o2样品结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

氧在和sic表面发生化学反应时，容易产生碳残留，这部分残留存在于氧化硅界面处，一方面造成栅介质漏电，另外一方面形成界面的散射中心，从而影响sic的迁移率，进而导致器件的输出电流减小，并诱发可靠性问题。因此，准确测量界面处的碳杂质类型以及位置分布，进而筛选界面质量合格的sic衬底是非常必要的。

图2为本发明提出的测试方法中的设备示意图：其中包括相互连接的真空腔体1和四级杆质谱仪qms2，真空腔体1中设置有加热装置3，用于对包含sic-si¹⁶o2-si¹⁸o2或sic-si¹⁸o2-si¹⁶o2结构的sic衬底样品进行加热，真空腔体1通过真空阀4与真空泵5相连，用于控制真空腔体内的压强。

通过低温下对sic先后在¹⁸o2和¹⁶o2的环境下氧化获得的包含sic-si¹⁶o2-si¹⁸o2(或sic-si¹⁸o2-si¹⁶o2)结构的sic衬底样品如图3所示。在真空腔体中利用加热装置对sic衬底样品匀速加热，不同键能的碳杂质会在不同的温度下与sio2反应生成co，例如：间隙原子碳形成co的解析温度低于成键型碳杂质，一般地间隙碳原子在500～900℃左右可以生成co，而成键型碳杂质在900～1300℃形成co。生成的co由sic-sio2内部扩散进入到真空腔体中。保持腔体压强一定，通过四级杆质谱仪qms检测扩散到真空腔体中co的离子电流随温度的变化，即可分析碳杂质的类型。同时，不同位置处碳杂质生成的co被qms检测到的时间不同。一般地co直接以气体形式在sio2扩散，此时离表面近的碳杂质形成的co最先扩散出来，也最先被qms检测到，而离表面远的扩散慢，最后才被qms检测到。因此qms最先检测到位于上层的si¹⁸o2中的碳杂质生成的c¹⁸o，之后是位于下层si¹⁶o2中的碳杂质生成的c¹⁶o。但是，如果生成的co通过o原子交换的形式进行扩散，qms只能检测到c¹⁸o，而没有c¹⁶o。

本发明通过对o原子的标定不但可以确定co在内部的扩散机制，同时可以确定c杂质的类型以及相应的位置，具体步骤为：

(1)利用qms多离子检测模式，设置m/z＝28、30区分c¹⁶o、c¹⁸o气体成分。

(2)利用qms中c¹⁶o⁺和c¹⁸o⁺的离子电流随温度的变化可以分析出c¹⁶o、c¹⁸o成分随温度的变化，进而可以确定co在sio2的扩散机制。同时利用不同的温度范围确定不同的c杂质类型：在800～900℃范围内检测间隙c杂质浓度，在900～1300℃范围内检测成键c杂质浓度。

(3)对包含sic-si¹⁶o2-si¹⁸o2(或sic-si¹⁸o2-si¹⁶o2)结构的sic衬底样品分别在900℃及1300℃进行n2退火处理，并利用sims(二次离子质谱)测试sic-si¹⁶o2-si¹⁸o2(或sic-si¹⁸o2-si¹⁶o2)结构中c的浓度分布，根据公式(1)确定c在sio2的扩散系数。

其中，c(x，t)为c的浓度，c0为sio2中c的初始浓度，erfc为余误差函数，d为c的扩散系数，x为c与sic衬底样品表面之间的距离，t为c的扩散时间；

(4)根据不同时刻的c¹⁶o⁺和c¹⁸o⁺离子电流确定样品的边界条件，扩散方程(菲克第一定律式(2)以及菲克第二定律式(3))就可以得出不同位置的c杂质浓度。

其中，j表示c的净流量。

在本发明的方法中，si¹⁸o2和si¹⁶o2层的厚度由氧化时间以及氧化温度确定，厚度越大氧化时间越长，而氧化温度范围越大，能够与sio2反应的碳杂质类型越多，得到的碳杂质信息越全，优选地，氧化温度范围在800℃～1400℃，氧化时间为1s～2h。

实施例1

利用多个sic晶片先在一个标准大气压下，1200℃，¹⁸o2的环境下氧化20min，得到5nm左右的si¹⁸o2，之后一个标准大气压下，1200℃，¹⁶o2的环境下氧化30min，得到5nm左右的si¹⁶o2，从而形成包含sic-si¹⁶o2-si¹⁸o2结构的sic样品，随机抽取若干样品进行检测；

保持腔体真空度为10^-5pa的条件下，对样品匀速加热，加热速率为1℃/s，利用qms检测c¹⁶o⁺和c¹⁸o⁺的离子电流大小随时间的变化趋势，确定co在sic-sio2的扩散机制，利用扩散方程求解不同位置处的c浓度分布。

利用四级杆质谱仪qms检测c¹⁶o⁺和c¹⁸o⁺的离子电流大小随温度的变化曲线，进而确定不同温度下的碳杂质类型。

本发明的方法能够准确表征sic衬底氧化工艺中得到的sic-sio2界面碳杂质类型以及位置分布的信息，可以应用于sic-sio2界面质量评测方法，当检测结果低于设定的阈值时，认为样品合格，当检测结果高于设定的阈值时，认为样品不合格。这样通过筛选合格碳残留浓度的sic衬底，可以提高产品的稳定性和可靠性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。