SiC MOS電容及制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種SiCMOS電容及制造方法。所述SiC?MOS電容包括：SiC襯底、柵介質層和正負電極；所述SiC襯底層上設有SiC外延層；所述柵介質層包括上層SiO2過渡層、LaxAl1-xO層和下層SiO2過渡層；所述SiC外延層上設有所述下層SiO2過渡層，所述下層SiO2過渡層上設有所述LaxAl1-xO層，所述LaxAl1-xO層上設有上層SiO2過渡層；所述正負電極分別與上層SiO2過渡層的表面和SiC襯底的背面連接；所述SiC襯底層為N型重摻雜SiC襯底層，所述SiC外延層為N型輕摻的SiC外延層。本發明可以減小柵漏電流，改善了器件的耐壓能力，提高了器件的可靠性。
【專利說明】SiC MOS電容及制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種SiC MOS電容及制造方法，尤其涉及一種S12ZlaxAlhCVS12復合柵介質的SiCMOS電容及制造方法。
【背景技術】
[0002]SiC材料作為第三代半導體的典型代表，以其優良的物理化學特性成為制作高溫、高功率、高頻及高抗輻照器件的理想材料。SiC材料與以Si代表的第一代半導體材料和以GaAs為代表的第二代半導體材料相比具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、熱導率高等優點，因此目前對于SiC材料和器件、工藝的研發成為微電子技術研究領域的熱點。與其它的寬禁帶半導體相比，SiC材料的一個顯著的優點就是可以通過熱氧的方法在其表面直接生成S12,這就意味著SiC材料是制作大功率金屬-氧化層半導體場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Trans istor, M0SFET)及絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bi polar Transistor, IGBT)等 Si02/SiC 金屬氧化物半導體(MetalOxide Semiconductor, M0S)器件的理想材料。
[0003]由于SiC材料的臨界擊穿電場很高，約為3X106V/cm，因而在器件反向阻斷的條件下，當SiC內部的電場達到該臨界值之后S12中的電場最大值就達到了約7.5X106V/cm,如此高的電場強度會導致器件的可靠性變的很糟糕。因此，目前研究采用何種新工藝手段來改善Si02/SiC界面特性，降低界面態密度，并提高柵介質承受電場的能力成為了一個SiC器件研究中備受關注的領域。
[0004]目前，改善Si02/SiC 界面特性的主要的手段是對Si02/SiC界面進行氮化處理，既采用在NO或N2O的環境中對S12層進行退火處理或者利用N+離子注入的方法對Si02/SiC界面進行氮化。采用高k介質材料，如用HfO2, Al2O3代替S12層作為MOS器件介質材料，這種方法雖然在一定程度改善了介質層的耐壓能力，但是該工藝不能有效的降低器件的界面態密度，并且高k材料引入的陷阱導致柵漏電流過大，由于柵漏電流限制了柵介質承受較高的電場。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是針對現有技術的缺陷，提供一種SiCMOS電容及制造方法，可以降低界面態密度，減小柵漏電流，并同時改善介質層的耐壓能力，提高柵介質的可靠性。
[0006]為實現上述目的，本發明提供了一種SiCMOS電容，所述SiC MOS電容包括:SiC襯底、柵介質層和正負電極；
[0007]所述SiC襯底層上設有SiC外延層；
[0008]所述柵介質層包括上層S12過渡層、LaxAlhO層和下層S12過渡層；所述SiC外延層上設有所述下層S12過渡層，所述下層S12過渡層上設有所述LaxAlhO層，所述LaxAl1^O層上設有上層S12過渡層；
[0009]所述正負電極分別與上層S12過渡層的表面和SiC襯底的背面連接；[0010]所述SiC襯底層為N型重摻雜SiC襯底層，所述SiC外延層為N型輕摻的SiC外延層。
[0011]進一步的，所述SiC外延層厚度為10-100 μ m，摻雜濃度為I X 1015_5X 1015cm_3。
[0012]進一步的，所述上層S12過渡層和下層S12過渡層的厚度分別為l_15nm。
[0013]進一步的，所述LaxAVxO層的厚度為10nm_30nm。
[0014]一種SiC MOS電容的制造方法，其特征在于，所述方法包括:
[0015]步驟1，將SiC襯底上的N型SiC外延層進行清洗處理，在溫度為1050±5°C的條件下，干氧氧化一層厚度為lnm-15nm的S12作為下層S12過渡層；
[0016]步驟2，對氧化后N型SiC外延層，依次完成在Ar氣環境中退火、在濕氧環境中濕氧氧化退火和在Ar氣環境中冷卻處理；
[0017]步驟3，利用原子層淀積的方法，在退火和冷卻處理后的SiC外延層上淀積一層厚度為10nm-30nm的柵介質LaxAVxO層；
[0018]步驟4,利用原子層淀積的方法,在柵介質LaxAlhO層上淀積一層厚度為l_15nm的S12，再在溫度為750±5°C的N2氣環境中退火8min作為上層S12過渡層；
[0019]步驟5，利用磁控濺射的方法在所述上層S12過渡層表面濺射金屬Al作為正電極，在所述SiC外延層的背面濺射金屬Al作為負電極，再在溫度為400±5°C的Ar氣環境中退火30min。
[0020]進一步的，所述步驟2中在Ar氣環境中退火，具體為，退火溫度為1050 ± 5°C，退火時間為30min,在Ar氣環境中退火。
[0021]進一步的，所述步驟2中在濕氧環境中濕氧氧化退火，具體為，退火溫度為950 ± 5 °C，退火時間為Ih，在濕氧環境中濕氧氧化退火。
[0022]進一步的，所述步驟2中在Ar氣環境中冷卻冷處理，具體為，按照3°C /min的速率在Ar氣環境中冷卻冷處理。
[0023]進一步的,所述步驟3中淀積一層厚度為15nm30nm的柵介質LaxAlhO層,具體為，淀積溫度為200°C -300°C，淀積時間為lh-2h，淀積一層厚度為15nm30nm的柵介質LaxAVxO層。
[0024]進一步的，所述步驟4中淀積一層厚度為l_15nm的S12,具體為，淀積溫度為2000C _500°C，淀積時間為15min-60min，淀積一層厚度為l_15nm的Si02。
[0025]本發明可以減小柵漏電流，改善了器件的耐壓能力，提高了器件的可靠性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明SiC MOS電容的示意圖；
[0027]圖2為本發明SiC MOS電容的制造方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0028]下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
[0029]圖1為本發明SiC MOS電容的示意圖，如圖所示，本發明包括:SiC襯底1、柵介質層2以及正負電極3。
[0030]具體的，SiC襯底層I上設有SiC延層10 ；[0031]柵介質層2包括上層S12過渡層21、LaxAlpxO層20和下層S12過渡層22 ；SiC外延層10上設有下層S12過渡層22，下層S12過渡層22上設有LaxAl^O層20，LaxAl^O層20上設有上層S12過渡層21。
[0032]正負電極3分別與上層S12過渡層21的表面和SiC襯底I的背面連接。例如SiC襯底的背面和上層S12的過渡層的表面濺射金屬Al，厚度為200nm，分別作為該電容的正負電極。
[0033]進一步的，Si C襯底層為N型重摻雜SiC襯底層，SiC外延層為N型輕摻的SiC外延層。
[0034]具體的，SiC外延層厚度為10-100 μ m，摻雜濃度為I X 1015_5 X 1015cnT3。上層S12過渡層和下層S12過渡層的厚度分別為l-15nm。LaxAl^xO層的厚度為10nm_30nm。
[0035]由上層S12過渡層、LaxAlhO層和下層S12過渡層組成的柵介質層是一個復合柵介質層結構，以降低柵介質層與SiC界面的界面態密度，減小柵介質層漏電流，改善柵介質層的耐壓能力，提高器件的可靠性。
[0036]圖2為本發明SiC MOS電容的制造方法的流程圖，如圖所示，本發明包括如下步驟:
[0037]步驟1，將SiC襯底上的N型SiC外延層進行清洗處理，在溫度為1050±5°C的條件下，干氧氧化一層厚度為lnm-15nm的S12作為下層S12過渡層；
[0038]步驟2，對氧化后N型SiC外延層，依次完成在Ar氣環境中退火、在濕氧環境中濕氧氧化退火和在Ar氣環境中冷卻處理；
[0039]步驟3，利用原子層淀積的方法，在退火和冷卻處理后的SiC外延層上淀積一層厚度為10nm-30nm的柵介質LaxAVxO層；
[0040]步驟4,利用原子層淀積的方法,在柵介質LaxAlhO層上淀積一層厚度為l_15nm的S12，再在溫度為750±5°C的N2氣環境中退火8min作為上層S12過渡層；
[0041]步驟5，利用磁控濺射的方法在上層S12過渡層表面濺射金屬Al作為正電極，在SiC外延層的背面濺射金屬Al作為負電極，再在溫度為400±5°C的Ar氣環境中退火30mino
[0042]本發明SiC MOS電容的制造方法的實施例1包括如下步驟:
[0043]步驟101，生長N型SiC外延層。
[0044]將厚度為380 μ m,摻雜濃度為5 X 1018cm_3的N型SiC襯底置于SiC外延生長爐中，生長溫度1570°C，生長一層厚度為10 μ m,摻雜濃度為5 X 115CnT3的N型SiC外延層。
[0045]步驟102，對所生長的N型SiC外延層進行預處理。
[0046]102.1，用去離子水對N型SiC外延層進行超聲清洗；
[0047]102.2，用濃渡為80%硫酸對SiC外延層進行清洗，煮1min后，浸泡30min ；
[0048]102.3，用去離子水清洗SiC外延層數遍；
[0049]102.4，用比例為5:1:1的H20、H2O2及鹽酸組成的混合液，將SiC外延層在溫度為80°C的混合液中浸泡5min，用氫氟酸溶液清洗，再用去離子水清洗數遍，最后用紅外燈烘干。
[0050]步驟103，干氧氧化S12層。
[0051]將預處理后的N型SiC外延層置于氧化爐中，氧化溫度為1050±5°C，在干氧氛圍中氧化一層厚度為Inm的S12，形成下層S12過渡層。
[0052]步驟104，退火及冷卻處理。
[0053]104.1，將氧化后的N型SiC外延層置于在Ar氣氛圍中退火，退火溫度為1050 ± 5 °C，退火時間為30min ；
[0054]104.2，將退火后的SiC外延層置于濕氧氛圍中進行濕氧氧化退火，退火溫度為950±5°C，退火時間為Ih ；
[0055]104.3，將退火后的SiC外延層置于Ar氣氛圍中以3°C /min的速率冷卻。
[0056]步驟105,淀積柵介質材料LaxAlpxO層。
[0057]在冷卻處理后的SiC外延層上采用原子層淀積的方法淀積一層30nm厚的LaxAlhO,淀積溫度為300°C，淀積時間為2h，形成LaxAVxO層。
[0058]步驟106,淀積上層S12過渡層及退火。
[0059]106.1,采用原子層淀積的方法在柵介質LaxAlhO淀積一層1nm厚的S12,淀積溫度為200°C，淀積時間為Ih;
[0060]106.2，將淀積后的SiC外延層在隊氛圍中退火，退火溫度為750±5°C，退火時間為 8min。
[0061]步驟107,派射金屬Al電極及退火。
[0062]107.1，在退火后的SiC外延層上，利用磁控濺射的方法在上層S12過渡層表面濺射金屬Al作為正電極,在SiC外延層的背面派射金屬Al作為負電極；
[0063]107.2,將派射電極后的SiC外延層置于溫度為400±5°C的Ar氣環境中退火30min，完成整個電容的制作。
[0064]本發明SiC MOS電容的制造方法的實施例2包括如下步驟:
[0065]步驟201，生長N型SiC外延層。
[0066]將厚度為380 μ m,摻雜濃度為5 X 1018cm_3的N型SiC襯底材料置于SiC外延生長爐中，生長溫度1570°C，生長一層厚度為50 μ m,摻雜濃度為2 X 115CnT3的N型SiC外延層。
[0067]步驟202，對所生長的N型SiC外延層進行預處理。
[0068]202.1，用去離子水對N型SiC外延層進行超聲清洗；
[0069]202.2，用濃渡為80%硫酸對SiC外延層進行清洗，煮1min后，浸泡30min ；
[0070]202.3，用去離子水清洗SiC外延層數遍；
[0071]202.4，用比例為5:1:1的H20、H2O2及鹽酸組成的混合液，將所述的SiC外延層在溫度為80°C的混合液中浸泡5min，用氫氟酸溶液清洗，再用去離子水清洗數遍，最后用紅外燈烘干。
[0072]步驟203，干氧氧化S12層。
[0073]將預處理后的N型SiC外延層置于氧化爐中，氧化溫度為1050±5°C，在干氧氛圍中氧化一層厚度為8nm的S12，形成下層S12過渡層。
[0074]步驟204，退火及冷卻處理。
[0075]204.1，將氧化后的N型SiC外延層置于在Ar氣氛圍中退火，退火溫度為1050 ± 5 °C，退火時間為30min ；
[0076]204.2，將退火后的SiC外延層置于濕氧氛圍中進行濕氧氧化退火，退火溫度為950±5°C，退火時間為Ih ；[0077]204.3，將退火后的SiC外延層置于Ar氣氛圍中以3°C /min的速率冷卻。
[0078]步驟205，淀積柵介質材料LaxAlpxO層。
[0079]在冷卻處理后的SiC外延層上采用原子層淀積的方法淀積一層20nm厚的LaxAVxO,淀積溫度為250°C，淀積時間為1.5h，形成LaxAVxO層。
[0080]步驟206,淀積上層S12過渡層及退火。
[0081]206.1,采用原子層淀積的方法在柵介質LaxAlhO淀積一層8nm厚的S12,淀積溫度為200°C，淀積時間為40min ；
[0082]206.2，將淀積后的SiC外延層在隊氛圍中退火，退火溫度為750±5°C，退火時間為 8min。
[0083]步驟207，濺射Al電極及退火。
[0084]207.1，在退火后的SiC外延層上，利用磁控濺射的方法在上層S12過渡層表面濺射金屬Al作為正電極,在SiC外延層的背面派射金屬Al作為負電極；
[0085]207.2,將派射電極后的SiC外延層置于溫度為400±5°C的Ar氣環境中退火30min，完成整個電容的制作。
[0086]本發明SiC MOS電容的制造方法的實施例3包括如下步驟:
[0087]步驟301，N型SiC外延層生長。
[0088]將厚度為380 μ m摻雜濃度為5 X 118CnT3的N型SiC襯底片置于SiC外延爐生長中，生長溫度1600°C，生長一層厚度為100 μ m,摻雜濃度為I X 115CnT3的N型SiC外延層。
[0089]步驟302，對所生長的N型SiC外延層進行預處理。
[0090]302.1，用去離子水對N型SiC外延層進行超聲清洗；
[0091]302.2，用濃渡為80%硫酸對SiC外延層進行清洗，煮1min后，浸泡30min ；
[0092]302.3，用去離子水清洗SiC外延層數遍；
[0093]302.4，比例為5: I: I的H20、H2O2及鹽酸組成的混合液，將所述的SiC外延層在溫度為80°C混合液中浸泡5min，用氫氟酸溶液清洗，再用去離子水清洗數遍，最后用紅外燈烘干。
[0094]步驟303，干氧氧化S12層。
[0095]將預處理后的N型SiC外延層置于氧化爐中，氧化溫度為1050±5°C，在干氧氛圍中氧化一層厚度為15nm的S12,形成下層S12過渡層。
[0096]步驟304，退火及冷卻處理。
[0097]303.1，將氧化后的N型SiC外延層置于在Ar氣氛圍中退火，退火溫度為1050 ± 5 °C，退火時間為30min ；
[0098]303.2，將退火后的SiC外延層置于濕氧氛圍中濕氧氧化退火，退火溫度為950±5°C，退火時間為Ih ；
[0099]303.3，將退火后的SiC外延層置于Ar氣氛圍中以3°C /min的速率冷卻。
[0100]步驟305,淀積柵介質材料LaxAlhO層。
[0101]在冷卻處理后的SiC外延層上采用原子層淀積的方法淀積一層1nm厚的LaxAlhO,淀積溫度為200°C，淀積時間為lh，形成LaxAVxO層。
[0102]步驟306,淀積上層S12過渡層及退火。
[0103]306.1,采用原子層淀積的方法在柵介質LaxAlhO淀積一層15nm厚的S12,淀積溫度為300°C，淀積時間為Ih ;
[0104]306.2，將淀積后的SiC外延層在N2氛圍中退火，退火溫度為750±5°C，退火時間為 8min。
[0105]步驟307，濺射Al電極及退火。
[0106]307.1，在退火后的SiC外延層上，利用磁控濺射的方法在上層S12過渡層表面濺射金屬Al作為正電極,在SiC外延層的背面派射金屬Al作為負電極；
[0107]307.2，將濺射電極后的SiC外延層置于溫度為400 ± 5 °C的Ar氣環境中退火30min，完成整個電容的制作。
[0108]本發明具有如下優點:
[0109]I)本發明由于采用柵介質材料LaxAlhO的介電常數大于25，結晶溫度約為1000°C，熱穩定性好，從而提高了該介質層的最大臨界電場，改善了器件的耐壓能力，提高了器件的可靠性；
[0110]2)本發明由于采用濕氧氧化退火工藝，該退火工藝過程中存在離化的氫離子可以有效地鈍化SiC外延層與柵介質界面和近界面處存在的C簇，起到進一步降低界面態密度的作用；
[0111]3)本發明采用上下兩層S12S渡層，S12的禁帶寬度為8.9eV，Si02/SiC有較大的勢壘高度，所以，下層S12過渡層大大的阻礙了 SiC外延層中的電子經柵介質隧穿至柵電極，從而減小柵漏電流。Hi ghk柵介質相比于熱氧化形成的S12有大量的陷阱，陷阱輔助隧穿同樣會增加柵漏電流，上層S12過渡層阻礙了 Highk柵介質陷阱中的電子隧穿至柵電極，并且，該S12過渡層阻礙了柵電極中電子隧穿至SiC外延層，從而減小柵漏電流，提高了器件的可靠性。
[0112]以上所述的【具體實施方式】，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的【具體實施方式】而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種SiC MOS電容，其特征在于，所述SiC MOS電容包括:SiC襯底、柵介質層和正負電極； 所述SiC襯底層上設有SiC外延層； 所述柵介質層包括上層S12過渡層、LaxAVxO層和下層S12過渡層；所述SiC外延層上設有所述下層S12過渡層，所述下層S12過渡層上設有所述LaxAlhO層，所述LaxAlhO層上設有上層S12過渡層； 所述正負電極分別與上層S12過渡層的表面和SiC襯底的背面連接； 所述SiC襯底層為N型重摻雜SiC襯底層，所述SiC外延層為N型輕摻的SiC外延層。
2.根據權利要求1所述的SiCMOS電容，其特征在于，所述SiC外延層厚度為10-100 μ m,摻雜濃度為 I X 1015-5 X 1015cnT3。
3.根據權利要求1所述的SiCMOS電容，其特征在于，所述上層S12過渡層和下層S12過渡層的厚度分別為l_15nm。
4.根據權利要求1所述的SiCMOS電容，其特征在于，所述LaxAlhO層的厚度為10nm_30nmo
5.—種SiCMOS電容的制造方法，其特征在于，所述方法包括: 步驟1，將SiC襯底上的N型SiC外延層進行清洗處理，在溫度為1050 ± 5°C的條件下，干氧氧化一層厚度為lnm-15nm的S12作為下層S12過渡層； 步驟2，對氧化后N型SiC外延層，依次完成在Ar氣環境中退火、在濕氧環境中濕氧氧化退火和在Ar氣環境中冷卻處理； 步驟3，利用原子層淀積的方法，在退火和冷卻處理后的SiC外延層上淀積一層厚度為10nm-30nm的柵介質LaxAU層； 步驟4，利用原子層淀積的方法，在柵介質LaxAlhO層上淀積一層厚度為l_15nm的S12，再在溫度為750±5°〇的隊氣環境中退火8min作為上層S12過渡層； 步驟5，利用磁控濺射的方法在所述上層S12過渡層表面濺射金屬Al作為正電極，在所述SiC外延層的背面濺射金屬Al作為負電極，再在溫度為400±5°C的Ar氣環境中退火30mino
6.根據權利要求5所述的SiCMOS電容的制造方法，其特征在于，所述步驟2中在Ar氣環境中退火，具體為，退火溫度為1050±5°C，退火時間為30min，在Ar氣環境中退火。
7.根據權利要求5所述的SiCMOS電容的制造方法，其特征在于，所述步驟2中在濕氧環境中濕氧氧化退火，具體為，退火溫度為950±5°C，退火時間為lh，在濕氧環境中濕氧氧化退火。
8.根據權利要求5所述的SiCMOS電容的制造方法，其特征在于，所述步驟2中在Ar氣環境中冷卻冷處理，具體為，按照3°C /min的速率在Ar氣環境中冷卻冷處理。
9.根據權利要求5所述的SiCMOS電容的制造方法，其特征在于，所述步驟3中淀積一層厚度為15nm30nm的柵介質LaxAlhO層，具體為，淀積溫度為200°C _300°C，淀積時間為lh-2h,淀積一層厚度為15nm30nm的柵介質LaxAVxO層。
10.根據權利要求5所述的SiCMOS電容的制造方法，其特征在于，所述步驟4中淀積一層厚度為l_15nm的S12，具體為，淀積溫度為200°C -500°C，淀積時間為15min_60min，淀積一層厚度為l_15nm的S12。
【文檔編號】H01L21/02GK104037239SQ201410293411
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月26日 優先權日:2014年6月26日
【發明者】賈仁需, 閆宏麗, 宋慶文, 湯曉燕, 張玉明 申請人:西安電子科技大學