基于微波等离子体氧化的凹槽MOSFET器件的制造方法与流程

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种基于微波等离子体氧化的凹槽mosfet器件的制造方法。

背景技术

碳化硅(sic)是第三代半导体-宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、临界击穿场强高、热导率高等优点，是制作高压、大功率半导体器件的理想材料，sic电力电子器件是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，主要原理是基于碳化硅与氧气分子的反应，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、si-o-c键、c的悬挂键和氧空位等缺陷，界面质量退化，导致迁移率降低，如图1所示。特别是在在这么高的温度下，界面除了氧化外，还会造成界面损伤，降低氧化效率。

近些年，研究人员提出一种在低温下利用等离子体氧化sic的方法，在一定程度上改善了界面质量。然而该方法的氧化效率较低，尤其是在需要获得较厚的sio2层的情况下，氧化时间较长，sic和sio2的界面处，sic和sio2仍会处于一种热力学平衡态，导致界面质量并不理想。

另外，实验表明，碳化硅在不同晶向上的氧化速率差别很大，在si面，与a轴垂直的平面的氧化速率甚至是与c轴垂直的平面的3-5倍。如果采用热氧化工艺形成umos结构的栅氧，将得到侧壁上的氧化层厚度是底部的3-5倍，如图2所示，这就使得器件在正向偏压下不能正常开启。

因为沟道是从侧壁上形成的纵向沟道，为了使器件正常开启，需要提供更高的栅压vg。但是，由于侧壁上热氧化生长的sio2速率是底部氧化速率的数倍，这使得器件在栅压到达栅氧安全工作电压的最大值时，侧壁上沟道区由于栅压未达到阈值电压，器件不能开启，不能得到正向特性，继续增加栅压，底部栅氧稳定性会变坏，使得底部氧化层提前发生击穿，器件不能正常工作。因此形成低界面态、均匀栅氧层是制作凹槽mosfet器件的关键。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于微波等离子体氧化的凹槽mosfet器件的制造方法，可以形成低界面态、均匀的栅氧层。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于微波等离子体氧化的凹槽mosfet器件的制造方法，包括：

在凹槽栅刻蚀后，利用微波等离子体将凹槽栅表面的碳化硅氧化为二氧化硅，形成凹槽栅氧化层，

其中形成凹槽栅氧化层的步骤包括：

将进行凹槽栅刻蚀后的碳化硅衬底放置在微波等离子体发生装置中；

通入含氧气体，产生氧等离子体；

氧等离子体与碳化硅反应生成预定厚度的二氧化硅；

停止通入含氧气体，反应结束；

其中，氧等离子体与碳化硅的反应温度为500-900℃，反应压力为400-1000mtorr。

优选地，氧等离子体以0.5-2℃/s的速度升温到所述反应温度。

优选地，所述微波等离子体发生装置的输入功率为800-2000w，微波频率为2.4-2.5ghz。

优选地，等离子放电时间为400-1000s。

优选地，所述含氧气体为纯氧、或者为氧气与惰性气体的混合气，所述混合气中氧气含量优选为30-99vol.％。

优选地，生成的二氧化硅的厚度为1-60nm。

优选地，所述方法还包括排出生成的一氧化碳的步骤。

优选地，反应结束后通入氮气，在氮气氛围下冷却降温。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明可以显著提高碳化硅的氧化效率，形成低损伤的表面，改善表面粗糙度，并降低界面处的炭残留，降低界面处的悬挂键，减少氧化硅中的电子缺陷，从而提高有效迁移率，特别是在高电场下的有效迁移率。

本发明可形成均匀栅介质层，使侧壁上的氧化层厚度与底部氧化层厚度相当，在一定栅压下，可使器件正常开启，得到正常正向特性，防止底部栅氧化层提前击穿，发挥凹槽栅mosfet器件的优势。

附图说明

图1为sic/sio2界面缺陷示意图；

图2为常规热氧化工艺形成的凹槽mosfet器件；

图3a为理想情况下热力学非平衡态的界面；

图3b为常规氧化条件下热力学平衡态的界面；

图4为sic在不同氧化条件下的反应动力学势垒；

图5为本发明实施例中凹槽mosfet器件的制备流程图；

图6为本发明实施例中的sic/sio2界面；

图7为本发明实施例中的凹槽栅氧化层；

图8为本发明实施例和对比例中的界面态密度对比图。

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。

在sic上进行氧化工艺形成sio2时，理想的情况是获得热力学非平衡的界面，如图3a所示。然而在实际的常规氧化条件下，只能获得热力学平衡的界面，如图3b所示，这种情况下，容易产生碳残留，一方面造成栅介质漏电，另外一方面形成界面的散射中心，从而影响碳化硅的迁移率，进而导致器件的输出电流减小，并诱发可靠性问题。虽然低温等离子体氧化工艺可以一定程度上改善界面质量，但是由于氧化时间较长，实际上在sic和sio2的界面仍处于一种热力学平衡状态。

发明人通过大量的试验研究发现，碳化硅氧化形成氧化硅的过程可看作是碳的反应扩散过程，在低温等离子体氧化条件下，由于反应过程持续时间较长，碳的反应扩散过程与等离子体的化学反应过程相当，在这种情况下，在sic/sio2界面在一定范围内仍会存在碳的梯度分布。虽然研究人员曾尝试在高温下进行碳化硅的等离子氧化，然而由于温度升高后，等离子氧化反应条件难于控制，导致sic/sio2界面质量并没有明显改善。

为此，本发明提出了一种新的基于微波等离子体的碳化硅氧化方法，通过优化等离子氧化的条件，获得了更好的氧化效率，并显著提高了界面质量。本发明提出的一种基于微波等离子体的高效、低损的氧化工艺制造方法，是基于微波等离子方式，使氧气分子等离子体化氧自由基或者氧等离子，从而替代氧气分子与碳化硅表面反应，使对应的温度和表面氧气浓度降低，从而抑制c相关缺陷和sic表面腐蚀坑的形成，减少表面损伤，获得比较平坦化的表面，从而提高mosfet器件高温、高场下的载流子迁移率。

本发明主要是通过在特定温度和压力范围内对分子氧进行电离，使它形成氧等离子体或者均裂形成的氧自由基。在本发明的氧化条件下，与氧分子相比，氧等离子体或氧自由基具有明显的化学活性，以及更小的尺寸。在发生界面氧化时，可以在获得氧化层的同时，由于它具有更小的尺寸，在扩散过程中并不需要和晶格发生更多的交互就可以在界面处将反应产生的碳残留氧化，形成易挥发的一氧化碳，在反应过程中将一氧化碳脱出。

本发明同时利用了自由基或等离子体具有的原子热容，这个过程产生的热量不易在反应过程中释放，只能通过辐射的形式逸散掉，所以有效的节约了反应的能量损耗，并且在这个过程中，非逸散性的这种反应能量全部都转化为了化学键的供应，从而不会导致碳的残留。

如图4所示，本发明通过优化调整通入气体含量，反应腔室气压、等离子体升温速率等反应条件，改变原子氧和分子氧的比例，使原子氧的比例远远大于分子氧的比例，从而调节反应动力学的势垒，调节反应压力改变动力学势垒，通过改变反应动力学势垒进而改变界面处的微结构。这里的微结构包括原子的表面成键情况，氧化物中的缺陷数量，以及表面的粗糙度。氧化物的表面的成键，将影响到库伦散射中心，从而影响到沟道中的低场的载流子迁移率，并影响到mos场效应晶体管的亚阈值摆幅。第二动力学势垒的改变可以改变界面，转移成中原子的分平均分配，分配越均匀将有助于降低沟道中的声子散射，从而改变中电场状态下迁移率。

通过调节动力学势垒，获得比较平整的界面，可以有效的降低，由于粗糙度造成的粗糙散射，对于提高高电场状态下的电子迁移率有巨大的帮助，将直接影响到器件的输出电流特性。另外，通过调节动力学势垒可充分降低栅氧化物中缺陷的数量，可以有效改善可靠性，降低因栅压所导致的平带电压，阈值电压的不稳定性，并可以有效减少远程库仑散射。

在上述研究的基础上，本发明提出的一种基于微波等离子体的碳化硅氧化方法，包括：

提供碳化硅衬底；

将所述碳化硅衬底放置在微波等离子体发生装置中；

通入含氧气体，产生氧等离子体；

氧等离子体与碳化硅反应生成预定厚度的二氧化硅；

停止通入含氧气体，反应结束。

sic的微波等离子氧化包括以下过程：氧自由基或者氧离子向氧化层表面的输运；氧自由基或者氧离子通过氧化层向反应界面处扩散；界面处，碳化硅与氧自由基或者氧离子的反应；反应生成气体(co)透过氧化层向外部扩散；反应生成气体在氧化层表面处排除。

在本发明的实施例中，氧等离子体与碳化硅的反应温度为500-900℃，等离子体以0.5-2℃/s的速度升温到反应温度，反应压力为400-1000mtorr。

在本发明的实施例中，微波等离子体发生装置的输入功率为800-2000w，微波频率为2.4-2.5ghz。等离子放电时间可以为400-1000s。

在上述条件下，可以有效控制等离子体火球的直径、密度、持续时间以及激发位置等，从而达到理想的氧化条件。发明人通过多次试验发现，在本发明的氧化条件下，等离子体的化学反应速率远远大于碳的扩散效应，生成的氧化硅的各向同性性能优异，尤其是在制备较厚的氧化硅层时，效果更加突出。

如图5所示，基于上述碳化硅氧化方法，本发明提出了一种基于微波等离子体氧化的凹槽mosfet器件的制造方法，包括：

在凹槽栅刻蚀后，利用微波等离子体将凹槽栅表面的碳化硅氧化为二氧化硅，形成凹槽栅氧化层，

其中，形成凹槽栅氧化层的步骤包括：

将进行凹槽栅刻蚀后的碳化硅衬底放置在微波等离子体发生装置中；

通入含氧气体，产生氧等离子体；

氧等离子体与碳化硅反应生成预定厚度的二氧化硅；

停止通入含氧气体，反应结束；

其中，氧等离子体与碳化硅的反应温度为500-900℃，反应压力为400-1000mtorr。

在本发明的实施例中，含氧气体为纯氧、或者为氧气与惰性气体的混合气，所述混合气中氧气含量为30-99vol.％。

本发明中的氧化层厚度可灵活调节，在本发明的一些实施例中，生成的二氧化硅的厚度为1-60nm。

在本发明的实施例中，该方法还包括排出生成的一氧化碳的步骤。

在本发明的一些实施例中，反应结束后通入氮气，在氮气氛围下冷却降温。

实施例1

如图6所示，凹槽mosfet器件的制备方法通常包括以下步骤：

(1)清洗衬底；

(2)在衬底上形成p-base注入掩膜及离子注入；

(3)形成n-plus掩膜及离子注入；

(4)形成p-base及去除对应掩膜；

(5)形成n-plus及去除对应掩膜；

(6)形成p-plus掩膜及离子注入；

(7)高温激活退火；

(8)形成p-plus及去除对应掩膜；

(9)形成凹槽栅刻蚀掩膜；

(10)凹槽栅刻蚀；

(11)形成凹槽栅氧化层；

(12)制作多晶硅栅电极；

(13)制作源电极；

(14)制作漏电极；

(15)制作层问介质；

(16)制作盖层金属。

本实施例在形成凹槽栅氧化层时，采用微波等离子体氧化法，具体步骤为：

微波等离子体发生装置的微波输入功率设定为1000w，激发微波等离子体的微波频率可调范围为2.4-2.5ghz。在气压800mtorr，纯氧的环境下，设置样品载物台最初温度设置为100℃，等离子以1.5℃/s的速度升温，直到设定好的微波等离子体氧化温度800℃，等离子放电时间为800s，进行等离子体氧化，氧化层厚度约为40nm，氧化完成后，将纯氧气改为纯氮气，在氮气氛围下冷却降温。

由图7可以看出，采用本发明的等离子氧化工艺形成sic/sio2的界面比较清晰，表面粗糙度较低，氧化层损伤少，表面平坦，侧壁和底部氧化速率一致，各向同性好。

在本发明的对比例中，将碳化硅沉底放置在高温氧化炉中，在1200℃进行常规高温氧化，从图8可以看出，采用本发明实施例中的等离子氧化工艺获得界面态密度明显低于常规高温氧化。

与常规高温氧化或者低温等离子氧化方法相比，本发明的氧化反应效率可以提高20％-50％，c相关缺陷可以降低20％以上，sic表面腐蚀坑的形成率可以降低到10％以下。

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。