一种场效应晶体管器件的栅极结构制作方法及场效应晶体管器件

1.本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种场效应晶体管器件的栅极结构制作方法及场效应晶体管器件。


背景技术：

2.碳化硅(sic)作为第三代半导体材料的一个分支，由于其具有更大的禁带宽度、更高的临界击穿场强和热导率高等优点，相比同等条件下的硅功率器件，sic更适合制作高压及大功率半导体器件，sic是下一代高效电力电子器件技术的核心，在新能源汽车、轨道交通、机车牵引及智能电网等领域具有广阔的应用前景。
3.目前，在sic功率器件中，通常选择通过热氧化生成的栅氧化层，但是该通过热氧化生成的栅氧化层会在二氧化硅和碳化硅界面处引入大量的碳团簇和氧空位等缺陷，导致界面处界面密度大幅增加，从而导致栅氧化层可靠性降低，严重制约了碳化硅功率器件的发展与应用，并且在大电流应用中，容易发生栅极击穿，而导致碳化硅功率器件失效。
4.现有的在场效应晶体管(mosfet/igbt)制备过程中，栅极结构极为复杂，在栅极形成过程中通常对整面的第一栅极结构的图形形成采用多晶硅干法刻蚀工艺，但是，由于刻蚀功率较大，容易发生过刻的情况，尤其是可能会导致栅氧化层边缘发生过刻蚀，在后期器件制备过程中导致器件栅极边缘薄弱，导致在栅极附近容易发生漏电击穿下的器件失效。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种场效应晶体管器件的栅极结构制作方法，以解决在栅极边缘处容易发生击穿下的器件失效的问题。
6.第一方面，本发明提供一种场效应晶体管器件的栅极结构制作方法，所述方法包括：
7.提供一碳化硅外延片；
8.对所述碳化硅外延片进行处理，以使所述碳化硅外延片表面形成二氧化硅栅氧化层；
9.在所述二氧化硅栅氧化层上形成栅极图形，得到包含所述栅极图形的第一栅极结构；
10.对所述第一栅极结构按光刻图形进行刻蚀和二次氧化处理，得到第二栅极结构。
11.采用上述技术方案的情况下，本技术实施例提供的栅极结构制作方法，通过提供一碳化硅外延片；对所述碳化硅外延片进行高温栅氧处理，以使所述碳化硅外延片表面形成二氧化硅栅氧化层；在所述二氧化硅栅氧化层上形成栅极图形，得到包含所述栅极图形的第一栅极结构；对所述第一栅极结构按光刻图形进行刻蚀处理，进行二次氧化处理，修复形成第一栅极结构过程中对栅氧化层的刻蚀损伤，最终得到第二栅极结构，避免由于发生过度刻蚀损伤而导致的栅极附近发生击穿下的器件失效，提升了碳化硅场效应晶体管器件
的可靠性。
12.在一种可能的实现方式中，所述在所述二氧化硅栅氧化层上形成栅极图形，得到包含所述栅极图形的第一栅极结构包括：
13.在所述二氧化硅栅氧化层上淀积多晶硅材料层并进行离子注入激活并进行离子注入激活；
14.对进行了离子注入激活的所述多晶硅材料层进行图案化光刻工艺处理，形成所述栅极图形，得到包含所述栅极图形的第一栅极结构。
15.在一种可能的实现方式中，所述对所述第一栅极结构按光刻图形进行刻蚀和二次氧化处理，得到第二栅极结构包括：
16.在预设温度下，对所述第一栅极结构进行干氧氧化处理或湿氧氧化处理，得到所述第二栅极结构；
17.其中，所述预设温度的温度范围为大于或者等于800摄氏度，且小于或者等于1200摄氏度。
18.在一种可能的实现方式中，所述碳化硅外延片为已完成有源区掺杂的n型及p型离子注入及激活的碳化硅外延片。
19.在一种可能的实现方式中，所述对所述碳化硅外延片进行高温栅氧处理，以使所述碳化硅外延片表面形成二氧化硅栅氧化层，包括：
20.对所述碳化硅外延片依次进行牺牲氧化工艺、湿式化学清洗处理以及氧化及氧化后退火处理，在所述碳化硅外延片表面形成所述二氧化硅栅氧化层。
21.在一种可能的实现方式中，所述对所述碳化硅外延片依次进行牺牲氧化工艺、工业标准湿法清洗工艺以及氧化处理，在所述碳化硅外延片表面形成所述二氧化硅栅氧化层，包括：
22.对所述碳化硅外延片进行牺牲氧化工艺，形成薄氧化层；
23.对形成了薄氧化层的所述碳化硅外延片进行工业标准湿法清洗工艺，去除所述薄氧化层；
24.对去除了所述薄氧化层后的所述碳化硅外延片在高温下进行干氧氧化及氧化后退火处理，在所述碳化硅外延片表面形成所述二氧化硅栅氧化层；
25.其中，所述高温氧化及退火的温度范围为大于或者等于1150摄氏度，且小于或者等于1550摄氏度。
26.在一种可能的实现方式中，所述碳化硅外延片的材料为n型4h
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sic、n型3c
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sic、n型6h
‑
sic、p型4h
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sic、p型3c
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sic、或p型6h
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sic。
27.在一种可能的实现方式中，所述多晶硅材料层为掺杂了n型离子或p型离子的材料层。
28.在一种可能的实现方式中，所述多晶硅材料层的厚度大于500纳米。
29.第二方面，本发明提供一种场效应晶体管器件，包括第一方面任一所述的场效应晶体管器件的栅极结构制作方法所制作的所述第二栅极结构。
30.第二方面提供的场效应晶体管器件的有益效果与第一方面或第一方面任一可能的实现方式描述的相位校准方法的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
31.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
32.图1示出了本技术实施例提供的一种场效应晶体管器件的栅极结构制作方法的流程示意图；
33.图2示出了本技术实施例提供的另一种场效应晶体管器件的栅极结构制作方法的流程示意图；
34.图3示出了本技术实施例提供的一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图；
35.图4示出了本技术实施例提供的另一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图；
36.图5示出了本技术实施例提供的又一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图；
37.图6示出了本技术实施例提供的再一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图；
38.图7示出了本技术实施例提供的还一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图；
39.图8示出了本技术实施例提供的其他一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图；
40.图9示出了本技术实施例提供的其他又一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图。
具体实施方式
41.为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
42.需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
43.本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
44.图1示出了本技术实施例提供的一种场效应晶体管器件的栅极结构制作方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
45.步骤101：提供一碳化硅外延片。
46.在本技术中，所述碳化硅(sic)外延片为已经掺杂了n型或p型离子的碳化硅外延片。
47.可选的，所述碳化硅外延片的材料为n型4h
‑
sic、n型3c
‑
sic、n型6h
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sic、p型4h
‑
sic、p型3c
‑
sic、或p型6h
‑
sic。
48.步骤102：对所述碳化硅外延片进行高温栅氧处理，以使所述碳化硅外延片表面形成二氧化硅栅氧化层。
49.对所述碳化硅外延片依次进行牺牲氧化工艺、工业标准湿法清洗工艺以及氧化处理，在所述碳化硅外延片表面形成所述二氧化硅栅氧化层。
50.可选的，所述二氧化硅氧化层可以是碳化硅金属氧化物半导体(metal oxide semiconductor，mos)场效应晶体管或者碳化硅绝缘栅型场效应晶体管(igbt)的电容正面栅氧化层。
51.步骤103：在所述二氧化硅栅氧化层上形成栅极图形，得到包含所述栅极图形的第一栅极结构。
52.在本技术中，可以在所述二氧化硅栅氧化层上淀积多晶硅材料层并进行离子注入激活；对进行了离子注入激活的所述多晶硅材料层进行图案化光刻工艺处理，形成所述栅极图形，得到包含所述栅极图形的第一栅极结构。
53.其中，所述多晶硅材料层也即是多晶硅电极。
54.可选的，所述图案化处理可以包括光刻标准工艺，干法刻蚀多晶硅以及rca清洗，以形成多晶硅栅极图形，形成所述栅极图形，得到包含所述栅极图形的第一栅极结构。
55.步骤104：对所述第一栅极结构按光刻图形进行刻蚀和二次氧化处理，得到第二栅极结构。
56.在本技术中，可以在预设温度下，对所述第一栅极结构依次进行干氧氧化处理或湿氧氧化处理，通过化学气相沉积法在进行了干氧氧化处理或湿氧氧化处理后的所述第一栅极结构表面热生长二氧化硅层，得到所述第二栅极结构。
57.其中，所述预设温度的温度范围为大于或者等于800摄氏度，且小于或者等于1200摄氏度。
58.对所述第一栅极结构再次进行氧化工艺，目的是修复刻蚀步骤103中形成第一栅极结构中的对氧化层的刻蚀损伤，再次进行氧化工艺后得到第二栅极结构后，可以对第二栅极结构进行其他相关工艺形成mosfet/igbt器件。
59.需要说明的是，在本技术中，场效应晶体管器件包括mosfet或igbt，本技术实施例对场效应晶体管的具体类型不作限定，可以根据实际应用场景做标定调整。
60.本技术实施例提供的栅极结构制作方法，通过提供一碳化硅外延片；对所述碳化硅外延片进行高温栅氧处理，以使所述碳化硅外延片表面形成二氧化硅栅氧化层；在所述二氧化硅栅氧化层上形成栅极图形，得到包含所述栅极图形的第一栅极结构；对所述第一栅极结构按光刻图形进行刻蚀处理，进行二次氧化处理，修复形成第一栅极结构过程中对栅氧化层的刻蚀损伤，最终得到第二栅极结构，避免由于发生过度刻蚀损伤而导致的栅极
附近发生击穿下的器件失效，提升了碳化硅场效应晶体管器件的可靠性。
61.图2示出了本技术实施例提供的另一种场效应晶体管器件的栅极结构制作方法的流程示意图，如图2所示，所述方法包括：
62.步骤201：提供一碳化硅外延片。
63.在本技术中，所述碳化硅外延片为已完成有源区掺杂的n型及p型离子注入及激活的碳化硅外延片。
64.可选的，所述碳化硅外延片的材料为n型4h
‑
sic、n型3c
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sic、n型6h
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sic、p型4h
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sic、p型3c
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sic、或p型6h
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sic。
65.步骤202：对所述碳化硅外延片进行高温栅氧处理，以使所述碳化硅外延片表面形成二氧化硅栅氧化层。
66.对所述碳化硅外延片依次进行牺牲氧化工艺、工业标准湿法(rca)清洗工艺以及氧化处理，在所述碳化硅外延片表面形成所述二氧化硅栅氧化层。
67.具体的，可以对所述碳化硅外延片进行牺牲氧化工艺，形成薄氧化层；所述牺牲氧化工艺为低温氧化工艺。对形成了薄氧化层的所述碳化硅外延片进行工业标准湿法清洗工艺，去除所述薄氧化层。对去除了所述薄氧化层后的所述碳化硅外延片在高温下进行干氧氧化及氧化后退火处理，在所述碳化硅外延片表面形成所述二氧化硅栅氧化层。
68.其中，所述高温的温度范围为大于或者等于1150摄氏度，且小于或者等于1550摄氏度。
69.步骤203：在所述二氧化硅栅氧化层上形成栅极图形，得到包含所述栅极图形的第一栅极结构。
70.在本技术中，可以在所述二氧化硅栅氧化层上淀积多晶硅材料层并进行离子注入激活；对进行了离子注入激活的所述多晶硅材料层进行图案化光刻工艺处理，形成所述栅极图形，得到包含所述栅极图形的第一栅极结构。
71.可选的，所述多晶硅材料层为掺杂了n型离子或p型离子的材料层，所述多晶硅材料层的厚度大于500纳米。
72.其中，所述多晶硅材料层的电极为多晶硅电极，所述多晶硅电极可以进行离子注入，及离子注入后进行激活退火处理，注入元素为n型或p型，退火分为为氮气或者氩气等氛围，温度范围可以是大于或者等于900摄氏度，且小于或者等于1150摄氏度。之后，对所述多晶硅电极进行图案化处理。
73.可选的，所述图案化处理可以包括光刻标准工艺、干法刻蚀多晶硅、去胶清洗以及rca清洗，以形成多晶硅栅极图形，形成所述栅极图形，得到包含所述栅极图形的第一栅极结构。
74.其中，光刻标准工艺包括涂布、涂胶、曝光、显影和固胶；所述去胶清洗的清洗液为丙酮或者显影液。
75.可选的，可以选择干法刻蚀机进行干法刻蚀多晶硅。
76.步骤204：在预设温度下，对所述第一栅极结构进行干氧氧化处理或湿氧氧化处理，得到所述第二栅极结构。
77.具体的，在预设温度下，对所述第一栅极结构依次进行干氧氧化处理或湿氧氧化处理，通过化学气相沉积或者bpsg法在进行了干氧氧化处理和湿氧氧化处理后的所述第一
栅极结构表面淀积二氧化硅层，得到所述第二栅极结构。
78.其中，所述预设温度的温度范围为大于或者等于800摄氏度，且小于或者等于1200摄氏度。
79.对所述第一栅极结构再次进行氧化工艺，目的是修复刻蚀步骤103中形成第一栅极结构中的对栅氧化层边缘处的刻蚀损伤，再次进行氧化工艺及化学气相沉积或者bpsg后得到第二栅极结构后，可以对第二栅极结构进行其他相关工艺形成mosfet/igbt器件。
80.可选的，淀积的二氧化硅层的厚度可以是8000a，还可以是8200埃(a)，也可以是7900a，本技术实施例对此不作具体限定，可以根据实际应用场景做标定调整。
81.其中，其他工艺形成mosfet/igbt器件可以包括栅电极处理源电极的形成，及对所述下表面氧化层进行湿法腐蚀去除背面的氧化层，溅射形成背面电极等工艺处理。
82.示例的，本技术实施例以mosfet为例对其栅极结构制作过程进行详细说明，图3示出了本技术实施例提供的一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图，如图3所示，经过清洗、注入、激活、牺牲氧化、腐蚀后的碳化硅外延片包括衬底片301和外延层302。参见图3，所述碳化硅外延片包括已完成有源区掺杂的n型离子注入及激活的碳化硅外延片(a)和已完成有源区掺杂的p型离子注入及激活的碳化硅外延片(b)。
83.可选的，可以选择具有更高击穿电场强度和更高载流子迁移率的4h
‑
sic材料作为外延层，可以通过牺牲氧化修复外延层表面损伤，采用工业标准湿法清洗工艺方法清洗外延层。
84.下面以包括已完成有源区掺杂的n型离子注入及激活的碳化硅外延片为例，对栅极结构制作过程进行举例说明，图4示出了本技术实施例提供的另一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图，如图4所示，在外延层302上表面生长二氧化硅栅氧化层303。
85.在本技术中，可以利用氮气排空氧化炉内的空气，在氮气保护下降清洗后的碳化硅外延片放入石英舟，在温度为700摄氏度的环境中缓慢推入氧化炉恒温区中，之后按照一定速率上升至指定氧化温度，同时缓慢通入氧气，在纯干氧气氛中再将碳化硅外延片表面形成厚度为大于或者等于30纳米，且小于或者等于80纳米的二氧化硅栅氧化层303，并对二氧化硅栅氧化层进行氧化后退火工艺处理。
86.图5示出了本技术实施例提供的又一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图，如图5所示，在二氧化硅栅氧化层303上表面形成多晶硅电极304，也即是本技术中多晶硅材料层。
87.在二氧化硅氧化层上表面生成一层8000a左右的多晶硅电极304，本技术实施例对该多晶硅层的具体厚度值不作限定，可以根据实际应用场景做标定调整。后进行离子注入工艺，其中，注入的元素为n或者p等五价元素，之后进行离子激活工艺，在氩气或者氮气等氛围中进行激活退火处理，温度在900摄氏度至1150摄氏度之间。
88.图6示出了本技术实施例提供的再一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图，如图6所示，对所述多晶硅电极304进行干法刻蚀后形成栅极图形，也即是第一栅极结构。
89.在本技术中，可以采用光刻、刻蚀工艺形成正面多晶硅电极图形，具体的，可以将形成了第一栅极结构的栅极结构放置于烘箱中喷涂六甲基二硅烷(hmds)15分钟，在多晶硅电极表面涂覆光刻胶，然后对其进行前烘，冷却2分钟之后，进行曝光工艺。再将其浸在显影
液中，而后进行热板坚膜，露出电极的图形以外区域，采用干法刻蚀工艺形成多晶硅电极图形也即是第一栅极结构。
90.图7示出了本技术实施例提供的还一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图，如图7所示，对所述第一栅极结构进行再次氧化，形成薄氧化层305。
91.图8示出了本技术实施例提供的其他一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图，如图8所示，在所述薄氧化层305上淀积或bpsg形成二氧化硅层306，其中，二氧化硅层的厚度可以在7000纳米以上，本技术实施例对该二氧化硅层的具体厚度值不作限定，可以根据实际应用场景做标定调整。
92.图9示出了本技术实施例提供的其他又一种mosfet的栅极结构制作过程中的结构示意图，如图9所示，可以采用湿法腐蚀工艺形成如图9所示的多晶硅电极图形，完成栅极工艺。
93.对所述清洗后的第一栅极结构进行再次氧化处理步骤中，所述的氧化处理为干氧、湿氧氧化，对所述第一栅极结构的整体栅极结构进行800至1200摄氏度的氧化处理，形成薄氧化层的过程中修复栅氧边缘、sic/sio2界面处的干法刻蚀损伤，紧接着淀积sio2，后将sic样品放置于hmds烘箱中15min，在多晶硅电极表面涂覆光刻胶；然后对sic外延片进行前烘，冷却2min后，进行曝光工艺；再将sic样品浸在显影液中，而后进行热板坚膜，露出电极的图形以外区域；采用湿法腐蚀工艺形成多晶硅电极图形如图9所示，完成栅极工艺。
94.本技术实施例提供的栅极结构制作方法，通过提供一碳化硅外延片；对所述碳化硅外延片进行高温栅氧处理，以使所述碳化硅外延片表面形成二氧化硅栅氧化层；在所述二氧化硅栅氧化层上形成栅极图形，得到包含所述栅极图形的第一栅极结构；对所述第一栅极结构按光刻图形进行刻蚀处理，进行二次氧化处理，修复形成第一栅极结构过程中对栅氧化层的刻蚀损伤，最终得到第二栅极结构，避免由于发生过度刻蚀损伤而导致的栅极附近发生击穿下的器件失效，提升了碳化硅场效应晶体管器件的可靠性。
95.本技术实施例还提供了一种场效应晶体管器件，包括上述的栅极结构制作方法所制作的所述第二栅极结构。
96.本技术实施例提供的栅极结构制作方法，通过提供一碳化硅外延片；对所述碳化硅外延片进行高温栅氧处理，以使所述碳化硅外延片表面形成二氧化硅栅氧化层；在所述二氧化硅栅氧化层上形成栅极图形，得到包含所述栅极图形的第一栅极结构；对所述第一栅极结构按光刻图形进行刻蚀处理，进行二次氧化处理，修复形成第一栅极结构过程中对栅氧化层的刻蚀损伤，最终得到第二栅极结构，避免由于发生过度刻蚀损伤而导致的栅极附近发生击穿下的器件失效，提升了碳化硅场效应晶体管器件的可靠性。
97.尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
98.尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所
附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。