一种提高SiCMOSFET器件高、低温稳定性的钝化方法与流程

本发明涉及一种提高sicmosfet器件高、低温稳定性的钝化方法，属于碳化硅半导体器件制造及可靠性
技术领域：
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背景技术：
sic半导体因具有载流子漂移速度大、禁带宽度大、临界击穿电场强等多个优点，被广泛地应用在高温高频和高压等恶劣环境中，并且因为sic半导体是唯一可以直接热氧化形成sio2薄膜的宽带隙化合物半导体，所以可以代替传统的硅制造sicmos器件。然而在实际的氧化及后续步骤中，会使sicmos器件的优良性能恶化，在sicmos器件中的宏观体现是导致mos器件平带电压(mosfet阈值电压)的严重漂移，该漂移的原因归因于在sio2/sic界面和近界面氧化层内陷阱的电荷俘获以及氧化层sio2中可动离子的移动，在低温下可动离子会被冻住，不能贡献平带电压(阈值电压)的漂移，所以低温下mos器件的不稳定性只与陷阱俘获电荷有关。因此，减少氧化层和界面中的陷阱，减少陷阱的电荷俘获是目前sicmos器件领域急需解决的关键问题。本专利期望在朱巧智所报道(博士论文：sio2/sic界面过渡区及其等离子体钝化工艺研究)的n、h显著降低界面态的基础上，同时提高器件的高、低温稳定性。针对氧化层陷阱的电荷俘获问题，郭辉等人在专利[公开号：cn101540280a]中公开了一种具有低偏移平带电压的sicmos电容制作方法，具体过程是在氧化前先后对衬底离子注入n+和al-，干氧氧化后再沉积一层sio2，期间进行多次退火，发现界面陷阱密度降低，并且平带电压偏移减小。但关于氧化层陷阱的钝化情况并未说明，并且该工艺步骤较多过程比较繁琐。针对界面陷阱的钝化问题，刘莉等人在其专利[公开号：cn104966665a]提出了用no进行原位退火能在界面形成稳定的si≡n键，从而消除界面si悬挂键减小界面态密度，提高器件性能。但是no中多出来的氧在退火时会额外氧化sic产成不平整的氧化层表面，也会在氧化层中产生更多的缺陷劣化sicmos器件的性能。关于评价mos器件稳定性方法的问题，张平等人在其专利[公开号：cn101271845a]中提出了在mos器件制作完成后执行连续两次合金化步骤和常温冷却步骤，可减小mos器件在工作中的电压漂移量，提高器件性能稳定性。然而，该专利申请者没有考虑温度对其的影响以及没有具体说明评价器件稳定性的测试方法。徐茵、秦福文等人在其专利[公开号：cn1364946a]中提出了电子回旋共振微波等离子体mocvd系统。该系统可实现原子尺度控制生长的原位测量，它能使高活性的粒子进入sio2氧化层中钝化陷阱并且对氧化层无离子损伤，该系统能满足等离子体与生长表面相互作用，是一种高精密新型的低温外延系统。技术实现要素：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种提高sicmosfet器件高、低温稳定性的钝化方法。该方法可有效的钝化氧化层陷阱和界面陷阱，获得在低温(80～300k)和高温(300～500k)下较为稳定的sicmos器件的平带电压(阈值电压)和中带电压，从而提高了sicmosfet器件高、低温器件性能的稳定性。为了实现上述发明目的，解决已有技术中所存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种提高sicmosfet器件高、低温稳定性的钝化方法，包括以下步骤：步骤1、采用rca工艺清洗，具体包括以下子步骤：(a)将碳化硅晶片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中，80～150℃清洗10～60min，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述浓硫酸与双氧水的体积比为1:1；(b)将子步骤(a)中的碳化硅晶片取出置于一号清洗液中，60～90℃清洗1～10min，然后用浓度为0.1％～20％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述一号清洗液是由水、双氧水和氨水按6:1:1～7:2:1体积比组成的混合溶液；(c)将子步骤(b)中的碳化硅晶片取出置于二号清洗液中，60～90℃清洗1～10min，然后用浓度为0.1％～20％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述二号清洗液是由水、双氧水和盐酸按6:1:1～8:2:1体积比组成的混合溶液；(d)将子步骤(c)中的碳化硅晶片取出，采用红外灯烘干碳化硅晶片表面；步骤2、高温热氧化，将清洗和烘干后的碳化硅晶片置于氧化炉中1000～1400℃下干氧热氧化形成一层30～50nm的sio2薄膜；步骤3、氮氢混合等离子体钝化处理，将干氧热氧化后的碳化硅晶片进行电子回旋共振微波氮氢混合等离子体钝化处理，具体包括以下子步骤：(a)将干氧热氧化后的碳化硅晶片放置在样品盘中，再用抽送杆送入到电子回旋共振微波等离子体系统的放电室中；(b)对放电室分别进行机械泵抽真空和分子泵抽真空处理，当真空度达到10-4pa以下时，加热升温至300～900℃，加热时间控制在30～100min；随后向放电室通入激发气源n2、h2两种混合气体：n2和h2流量比为2:1～1:10，微波功率控制在200～800w，然后开启电子回旋共振微波等离子体的微波放电源按钮，处理时间控制在0～30min；(c)钝化处理完成后，关闭加热源和微波源，将碳化硅晶片在n2气氛保护下冷却到室温取出；步骤4、涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入以形成源区和漏区，在有sio2薄膜的碳化硅晶片上进行涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入以形成源区和漏区，并将样品在ar或n2气氛保护下进行10～50min的高温退火处理，温度控制在1000～1700℃；步骤5、完成sicmosfet的制作，利用金属掩模板通过热蒸发或溅射金属al制作电极，在氮气或氩气保护下升温至400～450℃，退火10～50min，冷却至室温完成sicmosfet的制作。本发明有益效果是：一种提高sicmosfet器件高、低温稳定性的钝化方法，包括以下步骤：(1)采用rca工艺清洗，(2)高温热氧化，(3)氮氢混合等离子体钝化处理，(4)涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入以形成源区和漏区，(5)完成sicmosfet的制作。与已有技术相比，本发明通过氮氢混合等离子体中n-h的协同作用有效的钝化氧化层陷阱和界面陷阱，其中h元素可以在n钝化的基础上近一步钝化氧化层陷阱和界面陷阱，并将多余的氮产生的深能级陷阱移向禁带下半部分或禁带之外，减少了陷阱对mos器件稳定性的影响。总之，氮氢混合等离子体钝化工艺显著的提高了sicmosfet器件在低温(80～300k)和高温(300～500k)下的稳定性。附图说明图1是本发明方法步骤流程图。图2是不同碳化硅晶片制作的mosfet在100k下的施加电场正应力前后的c-v曲线漂移图，其中：(a)表示未处理的碳化硅晶片制作的mosfet样品的c-v曲线漂移图，(b)表示氮等离子体钝化处理5min的碳化硅晶片制作的mosfet样品的c-v曲线漂移图。图3是不同碳化硅晶片制作的mosfet在400k下的施加电场正应力前后的c-v曲线漂移图，其中：(a)表示未处理的碳化硅晶片制作的mosfet样品的c-v曲线漂移图，(b)表示氮等离子体钝化处理5min的碳化硅晶片制作的mosfet样品的c-v曲线漂移图。图4是不同碳化硅晶片制作的mosfet在100k下的施加电场正应力前后的c-v曲线漂移图，其中：(a)表示未处理的碳化硅晶片制作的mosfet样品的c-v曲线漂移图，(b)表示氮氢混合等离子体钝化处理5min的碳化硅晶片制作的mosfet样品的c-v曲线漂移图。图5是不同碳化硅晶片制作的mosfet在400k下的施加电场正应力前后的c-v曲线漂移图，其中：(a)表示未处理的碳化硅晶片制作的mosfet样品的c-v曲线漂移图，(b)表示氮氢混合等离子体钝化处理5min的碳化硅晶片制作的mosfet样品的c-v曲线漂移图。图6是不同碳化硅晶片制作的mosfet在400k下的施加电场负应力前后的c-v曲线漂移图，其中：(a)表示氮等离子体钝化处理10min的碳化硅晶片制作的mosfet样品的c-v曲线漂移图，(b)表示氮等离子体钝化处理15min的碳化硅晶片制作的mosfet样品的c-v曲线漂移图。图7是不同碳化硅晶片制作的mosfet在400k下的施加电场负应力前后的c-v曲线漂移图，其中：(a)表示氮氢混合等离子体钝化处理10min的碳化硅晶片制作的mosfet样品的c-v曲线漂移图，(b)表示氮氢混合等离子体钝化处理15min的碳化硅晶片制作的mosfet样品的c-v曲线漂移图。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步说明。实施例1如图1所示，一种提高sicmosfet器件高、低温稳定性的钝化方法，包括以下步骤：步骤1、采用rca工艺清洗，具体包括以下子步骤：(a)将碳化硅晶片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中，100℃清洗30min，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述浓硫酸与双氧水的体积比为1:1；(b)将子步骤(a)碳化硅晶片取出置于一号清洗液中，80℃清洗10min，然后用浓度为1％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述一号清洗液是由水、双氧水和氨水按5:1:1体积比组成的混合溶液；(c)将子步骤(b)碳化硅晶片取出置于二号清洗液中，80℃清洗10min，然后用浓度为1％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述二号清洗液是由水、双氧水和盐酸按5:1:1体积比组成的混合溶液；(d)将子步骤(c)碳化硅晶片取出，采用红外灯烘干碳化硅晶片表面；步骤2、高温热氧化，将清洗和烘干后的碳化硅晶片置于氧化炉中1180℃下干氧热氧化形成一层39nm的sio2薄膜；步骤3、氮氢混合等离子体钝化处理，对干氧热氧化后的碳化硅晶片进行电子回旋共振微波氮氢混合等离子体钝化处理，具体包括以下子步骤：(a)将干氧热氧化后的碳化硅晶片放置在样品盘中，再用抽送杆送入到电子回旋共振微波等离子体系统的放电室中；(b)对放电室分别进行机械泵抽真空和分子泵抽真空处理，当真空度达到10-4pa以下时，加热升温至600℃，加热时间控制在60min；随后向放电室通入激发气源n2、h2两种混合气体：n2和h2流量比为7:1，n2流量为70sccm，微波功率控制在650w，处理时间控制在0～30min；(c)钝化处理完成后，关闭加热源和微波源，将碳化硅晶片在n2气氛保护下冷却到室温取出；步骤4、涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入以形成源区和漏区，在有sio2薄膜的碳化硅晶片上进行涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入以形成源区和漏区，并将样品在ar或n2气氛保护下进行时长10min的高温退火，温度在1500℃；步骤5、完成sicmosfet的制作，利用金属掩模板通过热蒸发或溅射金属al制作电极，在氮气或氩气保护下升温至450℃，退火10min，冷却至室温完成sicmosfet的制作。实施例2对未处理和利用氮等离子体处理5min后的sicmos器件进行低温高频c-v曲线测试，温度为100k，频率为1mhz，随后施加2.5mv/cm的电场正应力，应力时间为600s，应力结束后再次立即原位测量高频c-v曲线。实测结果如图2所示，其中：(a)为未经钝化处理样品的c-v漂移曲线，低温100k的平带电压漂移值为3.14v(正应力后c-v曲线提取的平带电压和应力前c-v曲线提取的平带电压的差值)，中带电压漂移值为2.78v(正应力后c-v曲线提取的中带电压和应力前c-v曲线提取的中带电压的差值)，而图2(b)为氮等离子体钝化处理5min样品的c-v漂移曲线，低温100k的平带电压漂移值为2.87v，中带电压漂移值为2.43v，说明氮等离子体钝化处理可以一定程度的钝化氧化层陷阱和界面陷阱，减少电荷的俘获提高sicmos器件低温下的稳定性，但是钝化的程度较小。实施例3对未处理和利用氮等离子体处理5min后的sicmos器件进行高温高频c-v曲线测试，温度为400k，频率为1mhz，随后施加2.5mv/cm的电场正应力，应力时间为600s，应力结束后再次立即原位测量高频c-v曲线。实测结果如图3所示，其中：(a)为未经钝化处理样品的c-v漂移曲线，高温400k的平带电压漂移值为-7.25v，(b)为氮等离子体钝化处理5min样品的c-v漂移值曲线，高温400k的平带电压漂移值为-5.39v。表1和表2分别为不同氮等离子体钝化处理时间的sicmos样品在100k和400k测量时正应力下的平带电压漂移值和中带电压漂移值，中带电压漂移值在高温测试下受其它陷阱和电荷影响无法计算出。由两个表可以看出氮等离子体处理可以钝化部分陷阱，一定程度的提高sicmos器件的高温稳定性。表1条件100k，2.5mv/cm400k，2.5mv/cm样品vfb漂移值(v)vfb漂移值(v)未钝化3.14-7.25np钝化5min2.87-5.39np钝化10min0.91-7.39np钝化15min0.37-9.28表2条件100k，2.5mv/cm样品vmg漂移值未钝化2.78np钝化5min2.43np钝化10min0.81np钝化15min0.29实施例4对未处理和利用本发明方法即氮氢混合等离子体处理5min后的sicmos器件进行低温高频c-v曲线测试，温度为100k，频率为1mhz，随后施加2.5mv/cm的电场正应力，应力时间为600s，应力结束后再次立即原位测量高频c-v曲线。实测结果如图4所示，其中：(a)为未经钝化处理样品的c-v漂移曲线，低温100k的平带电压漂移值为3.64v，中带电压漂移值为1.86v，(b)为氮氢混合等离子体钝化处理5min样品的c-v漂移曲线，低温100k的平带电压漂移值为1.77v，中带电压漂移值为0.66v，说明本发明氮氢混合等离子体钝化氧化层陷阱和界面陷阱的效果比氮等离子体钝化要好，少量氢的加入可以加快钝化效率，可大大提高sicmos器件在低温(80～300k)下的稳定性。实施例5对未处理和利用本发明方法即氮氢混合等离子体处理5min后的sicmos器件进行高温高频c-v曲线测试，温度为400k，频率为1mhz，随后施加2.5mv/cm的电场正应力，应力时间为600s，应力结束后再次立即原位测量高频c-v曲线。实测结果如图5所示，其中：(a)为未经钝化处理样品的c-v漂移曲线，高温400k的平带电压漂移值为-7.33v，(b)为氮氢等离子体钝化处理5min样品的c-v漂移值曲线，高温400k的平带电压漂移值为-3.94v。表3和表4分别为不同氮氢混合等离子体钝化处理时间的sicmos样品在100k和400k测量时电场正应力下的平带电压漂移值和中带电压漂移值，中带电压漂移值在高温测试下受其它陷阱和电荷影响无法计算出。表3条件100k，2.5mv/cm400k，2.5mv/cm样品vfb漂移值vfb漂移值未钝化3.64-7.33nhp钝化5min1.77-3.94nhp钝化10min2.47-4.95nhp钝化15min2.98-6.05表4条件100k，2.5mv/cm样品vmg漂移值未钝化1.86nhp钝化5min0.66nhp钝化10min1.51nhp钝化15min2.62相比于其它实例，氮氢混合等离子体处理5min时的样品平带电压漂移值最小，表明氮氢混合等离子体钝化5min处理时间最佳。实测结果表明，本发明的氮氢混合等离子体处理方法可以显著提高sicmosfet器件在高、低温下平带电压(阈值电压)和中带电压的稳定性，与单纯的ecr氮等离子体钝化工艺相比，n、h均可钝化氧化层陷阱及界面以抑制电荷俘获，该方法实现了n-h钝化元素的协同作用，为改善商业sicmosfet器件阈值电压稳定性奠定了基础。实施例6对氮等离子体钝化处理10min和15min的sicmos器件进行高温负应力c-v漂移测试，温度为400k，频率为1mhz，随后施加-2.5mv/cm的电场负应力，应力时间为600s，应力结束后再次立即原位测量高频c-v曲线。实测结果如图6所示，其中：(a)和(b)分别为氮等离子体钝化处理10min和15min的sicmos器件的c-v漂移曲线，发现c-v曲线出现鼓包，说明高温下激发了多余的氮产生的深能级陷阱，严重的影响了mos器件的稳定性。实施例7对本发明氮氢混合等离子体钝化处理10min和15min的sicmos器件进行高温负应力c-v漂移测试，温度为400k，频率为1mhz，随后施加-2.5mv/cm的电场负应力，应力时间为600s，应力结束后再次立即原位测量高频c-v曲线。实测结果如图7所示，其中：(a)和(b)分别为本发明氮氢混合等离子体钝化处理10min和15min的sicmos器件的c-v漂移曲线，未发现鼓包现象，并且平带电压漂移值很小，说明高温激发的多余的氮产生的深能级陷阱被少量的氢钝化，将深能级陷阱移向禁带下半部分或禁带之外，减少了陷阱对mos器件稳定性的影响。再一次证明了氮氢混合等离子体提高sicmosfet器件高温(300～500k)稳定性的能力比单纯的氮等离子体强。本发明优点在于：一种提高sicmosfet器件高、低温稳定性的钝化方法，是通过氮氢混合等离子体中n-h的协同作用有效的钝化氧化层陷阱和界面陷阱，其中h元素可以在n钝化的基础上近一步钝化氧化层陷阱和界面陷阱，并将多余的氮产生的深能级陷阱移向禁带下半部分或禁带之外，减少了陷阱对mos器件稳定性的影响。总之氮氢混合等离子体钝化工艺显著的提高了sicmosfet器件在低温(80～300k)和高温(300～500k)下的稳定性。当前第1页12