一种降低SiC MOS界面态密度的表面预处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种降低SiC MOS界面态密度的表面预处理方法，属于半导体器件性 能改进技术领域。
【背景技术】
[0002] SiC作为第三代半导体材料，与Si相比拥有更大的禁带宽度、更高的电子迀移率、 饱和电子速率、热导率等优良特性，使SiC更适用于高温、大功率电力电子领域。同时，SiC 是唯一一种可以热氧化形成SiOJ莫的宽带隙化合物半导体，这一特点使SiC-MOS器件借鉴 成熟的Si工艺成为可能。然而，实际制作中由于Si0 2/SiC界面态密度过高导致沟道迀移 率过低，严重制约SiC-MOS器件的性能。因此，降低Si02/SiC界面态密度是SiC-MOS器件 研究领域的关键技术问题。
[0003] 目前，降低Si02/SiC界面态密度主要集中于氧化后的氮退火工艺。NO气氛下退火 是认为降低界面态密度比较显著的工艺，然而NO有毒，在国家防火协会（NFPA)的健康危险 排名第三，应该尽量避免使用。AK.萨克斯勒.MK.达斯[【申请号】01816726.8]在其专利中 提出用N 2O气氛下高温退火代替NO降低界面态密度。然而，无论是N2O还是NO都会在界面 处引入0发生进一步氧化，使得0和N存在竞争反应，最终限制该工艺的钝化效率。
[0004] 廖奇泊等人[【申请号】201510091817. 9]在其专利中提出低温N2/H2退火方法降低 界面态密度。但是队和H 2在低温很难分解成N、H原子，所以实际其钝化作用的是N、H分 子，而分子级的N和H的界面钝化作用是十分有限的。此外，以上方法仅钝化了氧化过程中 产生的缺陷，钝化效果十分有限。
[0005] 事实上，除了氧化过程中产生的界面态外，SiC表面的特性（如，C、0污染物，吸附 物，悬挂键，结构等）也将对界面造成影响。目前，关于SiC的表面处理工艺，国内外提出了 很多方案，其中主要有传统湿法处理（如RCA、沸水处理、HF/HCL处理等）、高温氢气处理、 等离子体处理等。
[0006] 成功用于清洗Si表面的HF法、RCA法等能有效去除SiC表面的金属和有机物等杂 质，但是表面0、F、C等污染物却仍然存在。沸水处理方法简单有效，但是其表面容易氧化， 并且高温状态下不稳定，在400°C以上热处理后钝化效果明显减弱。另外表面存在C、0H和 F离子表面吸附；用HC1:HF代替传统的HF = H2O后在一定程度上有利于减少表面离子吸附， 提高氢化效果，但无法从根本上解决表面态问题，并且无法消除清洗后表面残留的C。
[0007] 高温氢气处理是将清洗后的样片在超纯氢气氛下高温退火，虽具有不引入杂质粒 子、氢钝化效果好以及表面抗氧化能力强等特点，但是其处理温度往往在l〇〇〇°C以上，与器 件的工艺相容性较差。
[0008] 射频（RF)氢等离子处理SiC晶片，虽具有不引入杂质离子，处理温度低等优点，但 是由于射频等离子体密度电离度低，运行气压高，对表面产生损伤并且表面发生重构。
【发明内容】
[0009] 为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种降低SiCMOS界面态密 度的表面预处理方法。本发明采用的ECR微波等离子体系统产生氢氮混合的等离子体处理 SiC表面，该方法不仅能有效清洗钝化SiC表面态，而且处理温度低，对SiC表面的损伤小， 表面处的氢和氮能够有效抑制缺陷的形成，提高SiO 2的击穿特性，显著降低SiCMOS界面态 密度。
[0010] 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：一种降低SiC MOS界面态密度的表面预处理方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤1、采用公知的RCA方法清洗、烘干SiC表面；
[0012] 步骤2、采用氢氮混合等离子体对氧化前的SiC表面进行处理，具体包括以下子步 骤：
[0013] (a)将步骤1清洗、烘干后得到的SiC，在氮气保护下置于ECR微波等离子体系统 的石英放电室中；
[0014] (b)对放电室抽真空，当真空度达到10 4Pa以下时，利用RHEED观察SiC在处理前 的表面微结构；
[0015] (c)通入氮气，流量控制在20~30sccm，在氮气保护下开始对SiC进行升温处理， 用于防止SiC表面被其它杂质所污染，温度控制在200~800°C，随后关闭氮气气源，启动微 波源，微波源功率控制在200~800W，然后通入氢与氮混合气体，氢气体流量控制在40~ 8〇 SCCm，氮与氢气体流量比为1:5~10,此时ECR微波等离子体系统产生高浓度、高活性和 低损伤的氢氮混合等离子体，处理时间控制在2-10min ;
[0016] (d)每间隔Imin利用RHEED观察SiC处理后的表面微结构，进而确定处理效果最 佳的时间点；
[0017] (e)处理完成后，关闭微波源和氢气气源，调节氮气的流量控制在20~3〇SCCm，在 氮气保护下开始降温，将SiC冷却到室温取出；
[0018] 步骤3、热氧化生长SiO^，将步骤2中子步骤（e)得到的SiC进行干氧氧化处理， 具体包括以下子步骤：
[0019] (a)将氧化炉从室温条件下升温至1100~1300°C，采用氮气排空氧化炉内空气， 在氮气保护下，将SiC衬底放入石英舟缓慢推入氧化炉管道恒温区中，在纯干氧气氛中将 SiC衬底氧化90~120min，形成一层厚度为25~35nm的SiOJ莫；
[0020] (b)氧化完成后，保持氧化炉温度不变，并向氧化炉管道中通入氮气，对SiC进行 退火处理，退火时间控制在10~30min ;
[0021] (c)退火完成后，在氮气保护下将氧化炉降温至300°C以下，再进行自然冷却，室 温下缓慢拖出石英舟取出SiC。
[0022] 步骤4、热蒸发Al电极，具体包括以下子步骤：
[0023] (a)将步骤3中子步骤（c)制得表面热氧化生长SiOJ莫的SiC，正面用光刻胶保 护住，采用稀释的氢氟酸溶液刻蚀掉SiC背面SiOJ莫，并用丙酮溶液去掉正面的光刻胶。
[0024] (b)利用金属掩模板通过阻抗加热蒸发形成背面欧姆接触Al电极，在氮气保护 下升温至400~450°C，退火10~30min ;
[0025] (c)利用金属掩模板通过阻抗加热蒸发形成正面Al栅电极，在氮气保护下升温至 400~450°C，退火10~30min，冷却至室温完成SiC MOS电容器件制作。
[0026] 本发明有益效果是：一种降低SiCMOS界面态密度的表面预处理方法，包括以下步 骤：步骤1、采用公知的RCA方法清洗、烘干SiC表面，步骤2、采用氢氮混合等离子体对氧化 前的SiC表面进行处理，步骤3、热氧化生长SiOJ莫，步骤4、热蒸发Al电极。与已有技术 相比，本发明采用ECR微波等离子体系统产生的低能高活化的低温氢氮混合等离子体对氧 化前的SiC表面进行预处理，不仅实现了低温工艺，避免了常规等离子体给SiC表面带来的 损伤，而且实现了氢和氮钝化效果的结合，氢和氮的比例更加可控，有效地去除SiC表面的 杂质离子和残留的碳，使表面平整化，表面的氢和氮抑制了氧化过程中缺陷的产生，显著降 低SiCMOS界面态密度。另外，ECR微波等离子体系统中配备了 RHEED原位监测系统，可提 供SiC表面微结构信息，特别适用于SiC表面态钝化过程的监控与机理研究。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明方法步骤流程图。
[0028] 图2是采用ECR微波氢氮混合等离子体对SiC处理前后的表面微结构图。
[0029] 图中：（a)是处理前SiC表面微结构图。
[0030] (b)是处理后2min的SiC表面微结构图。
[0031] (c)是处理后4min的SiC表面微结构图。
[0032] (d)是处理后6min的SiC表面微结构图。
[0033] (e)是处理后8min的SiC表面微结构图。
[0034] (f)是处理后IOmin的SiC表面微结构图。
[0035] 图3是SiOJ莫的电流密度一场强特性曲线图。
[0036] 图中：(a)是未采用本发明方法得到的SiOJ莫的电流密度一场强特性曲线图。
[0037] (b)是采用本发明方法对SiC表面处理Smin后得到的SiOJ莫的电流密度一场强 特性曲线图。
[0038] 图4是SiCMOS界面态密度随能量的分布图。
[0039] 图中：(a)是未采用本发明方法得到的SiCMOS界面态密度随能量的分布图。
[0040] (b)是采用本发明方法对SiC表面处理8min后得到的SiCMOS界面态密度随能量 的分布图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0042] 实施例1
[0043] 如图1所示，一种降低SiCMOS界面态密度的表面预处理方法，包括以下步骤：
[0044] 步骤1、采用公知的RCA方法清洗、烘干SiC表面，具体包括以下子步骤：
[0045] (a)将SiC放于烧杯中，采用去离子水加超声清洗数次至无明显异物；
[0046] (b)采用浓硫酸清洗，加热至80°C后煮lOmin，随后浸泡30min，加入双氧水再浸泡 30min，去离子水冲洗表面数遍；
[0047] (c)采用去离子水、Η202、ΝΗ40Η混合溶液清洗，然后再用缓冲氢氟酸溶液清洗，最后 用去离子水冲洗SiC表面数遍；
[0048] (d)采用去离子水、H202、HCl混合溶液清洗，然后再用缓冲氢氟酸溶液清洗，最后 用去离子水冲洗SiC表面数遍；