堆垛柵介質層的SiC MOS電容及制造方法
【專利說明】八1203/1_33003/3丨02堆垛柵介質層的SiC MOS電容及制造方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種SiC MOS電容及其制造方法，尤其涉及一種Al203/LaSc03/Si0^垛柵介質層的SiC MOS電容及其制造方法。
【背景技術】
[0002]隨著微電子技術和電力電子技術的不斷發展，實際應用對器件在高溫、高功率、高頻等條件下工作的性能要求越來越高，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在這些方面的應用已出現瓶頸。碳化硅(SiC)材料，作為第三代寬禁帶半導體材料的典型代表之一，其禁帶寬度大、臨界擊穿電場高，且具有高熱導率、高電子飽和速率及高的抗輻照等性能，成為制造高溫、高功率、高頻、及抗輻照器件的主要半導體材料之一，因此目前對于SiC材料、器件和工藝等方面的研宄成為微電子技術領域的熱點之一。
[0003]SiC材料可以通過熱氧化的方法在SiC襯底上直接生長高質量的3丨02介質層，因此，Si02/SiC MOS器件成為目前SiC器件研宄及應用的主要方向，比如SiC MOSFET, IGBT等。但是，Si02/SiC MOS器件目前存在以下缺點:首先，與Si材料相比SiC表面通過干氧氧化形成3102的速度相當的慢，增加了工藝成本，同時S12的厚度不能生長得太厚。其次，SiC熱氧化后留下的大量C簇會增加氧化層及界面陷阱，使得Si02/SiC的界面陷阱密度通常比Si02/Si的界面陷阱密度高1-2個數量級，高的界面陷阱密度會大大降低載流子的迀移率，導致導通電阻增大，功率損耗增加。目前，業界科研學者通過采用SiC表面氮化預處理，氮氧化物氧化，N源或H源退火處理等工藝和方法，Si02/SiC的界面質量及整體特性有了一定的提升，不過與Si02/Si界面質量相比任有不小的差距。
[0004]另外，對于Si02/SiC MOS 器件，根據高斯定理(kSiCESiC= k MideEMide)，當 SiC(k=9.6-10)達到其臨界擊穿電場(_3MV/cm)時，S12 (k = 3.9)介質層中的電場將達到7.4-7.7MV/cm，如此高的電場將嚴重降低氧化層的可靠性。因此，采用高k材料代替5102作為柵介質層，研宄高K材料在SiC MOS器件的應用和研宄尤為重要。目前Al203、Hf02、AlN和ZrO2等高K材料在SiC MOS有了一定的研宄，不過高k介質直接取代S1 2使得介質與SiC襯底的界面態密度較大，氧化層陷阱密度和漏電流也較大。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提供了一種
[0006]么1203/1^5(:03/5102堆垛柵介質層的SiCMOS電容及其制造方法，以降低界面態密度和邊界陷阱密度，增加MOS溝道迀移率，減小柵漏電流，并進一步提高介質層的耐壓能力，提高SiC MOS電容的質量和增強其可靠性。
[0007]為了實現上述目的，本發明提供了一種Al203/LaSc03/Si02堆垛柵介質層的SiCMOS電容，所述堆垛介質層的SiC MOS電容包括:SiC襯底、SiC外延層、堆垛柵介質層和正負電極；
[0008]所述SiC襯底上設有SiC外延層；
[0009]所述堆垛柵介質層包括下層Sit)#渡層、LaScO3層和Al 203覆蓋層；所述3;[(:外延層上設有下層S12過渡層，所述下層S12過渡層上設有所述LaScOjl，所述LaScO3層上設有Al2O3覆蓋層；
[0010]所述正負電極分別與Al2O3覆蓋層的表面和SiC襯底的背面連接。
[0011]所述SiC襯底為重摻雜的SiC襯底層，所述SiC外延層為輕摻雜的SiC外延層
[0012]進一步的，所述SiC外延層厚度為5-100 μπι，摻雜濃度為IX 1015-5X 1016cm_3。
[0013]進一步的，所述下層S12S渡層的厚度為l_30nm。
[0014]進一步的，所述LaScO3層的厚度為5nm-100nmo
[0015]進一步的，所述Al2O3覆蓋層的厚度為l-30nmo
[0016]為了實現上述目的，本發明提供了一種么1203/1^5(:03/5102堆垛柵介質層的SiCMOS電容的制造方法，所述方法包括:
[0017]步驟1，在SiC襯底上生長厚度為5-100 μ m輕摻雜的SiC外延層，摻雜濃度為lX1015-5X1016cnT3
[0018]步驟2，將SiC襯底的上SiC外延層進行清洗處理，接著在溫度為1175±5°C的條件下，10% N20:90%隊的混合氣體中生長厚度為lnm-30nm的下層氮化S12過渡層；
[0019]步驟3，將所生長的S12S渡層在Ar氣環境中快速退火處理和在Ar氣環境中冷卻處理；
[0020]步驟4，利用原子層淀積(ALD)的方法，在退火和冷卻處理后的下層S12S渡層上淀積一層厚度為5nm-100nm的1^5(:03層；
[0021]步驟5，利用原子層淀積的方法，在LaScO3層上淀積一層厚度為l_30nm的Al 203覆蓋層；
[0022]步驟6，利用磁控濺射的方法在Al2O3覆蓋層表面濺射金屬Ni作為正電極，在所述SiC襯底的背面濺射金屬Ni作為負電極，然后在N2氣環境中快速退火處理。
[0023]進一步的，所述步驟3中在Ar氣環境中快速退火，具體為，退火溫度為1000±5°C，退火時間為5min，在Ar氣環境中退火。
[0024]進一步的，所述步驟3中在Ar氣環境中冷卻，具體為，按照5°C /min的速率在Ar氣環境中冷卻。
[0025]進一步的，所述步驟4中淀積一層厚度為5nm-100nm的LaSc(\g，具體為淀積溫度為200°C _400°C，淀積時間為20min-6h，淀積一層厚度為5nm_100nm的LaScOjl。
[0026]進一步的，所述步驟5中淀積一層厚度為l_30nm的Al2O3覆蓋層，具體為淀積溫度為200°C _400°C，淀積時間為5min-2h，淀積一層厚度為l_30nm的Al2O3覆蓋層。
[0027]本發明具有如下優點:
[0028]1、本發明采用的柵介質材料LaScO3,其介電常數可以高達30左右，熱穩定性好，結晶溫度在900°C以上，因而增加了柵介質的臨界擊穿電場，提升了電容的擊穿特性，提高了器件可靠性。
[0029]2、本發明采用的下層S12S渡層增加了柵介質與SiC襯底的勢皇高度，能大大降低SiC襯底中的電子經柵介質隧穿至柵電極的幾率，從而減小柵漏電流，提升了可靠性。同時，采用氮化工藝生長的該S12S渡層，降低了柵介質與SiC的界面態密度和邊界陷阱密度，增加了溝道迀移率，提高了器件性能。
[0030]3、本發明采用的Al2O3覆蓋層降低了 High k柵介質中的陷阱電子隧穿至柵電極的幾率，并且，該Al2O3覆蓋層也降低了柵電極中電子隧穿至SiC襯底中的幾率。同時，Al 203覆蓋層能避免LaScO3因為吸濕和暴露在空氣中分別形成低介電常數的碳氫化合物和碳酸鹽，從而減小柵漏電流，提高了 MOS電容的質量和可靠性。
【附圖說明】
[0031]圖1是本發明么1203/1^5(:03/5丨02堆垛柵介質層的SiC MOS電容的結構示意圖；
[0032]圖2是本發明么1203/1^5(:03/5丨02堆垛柵介質層的SiC MOS電容的制造流程圖。
[0033]圖3是本發明么1203/1^5(:03/5102堆垛柵介質層的SiC MOS電容的制造方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0034]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。
[0035]圖1為本發明么1203/1^5(:03/5丨02堆垛柵介質層的SiC MOS電容的示意圖，如圖所示，本發明包括:SiC襯底1、SiC外延層10、堆垛柵介質層2和正負電極3。
[0036]SiC襯底I上設有SiC外延層10 ；
[0037]堆垛柵介質層2包括下層S12過渡層21、LaSc0 3層22和Al 203覆蓋層23 ；SiC外延層10上設有下層S12過渡層21，下層S1 2過渡層21上設有LaScO 3層22，LaScO 3層22上設有Al2O3覆蓋層23 ;
[0038]正電極31、負電極32分別與Al2O3覆蓋層23的表面和SiC襯底I的背面連接。
[0039]具體的，SiC襯底層為重摻雜SiC襯底層，SiC外延層為輕摻的SiC外延層。
[0040]具體的，3扣外延層厚度為5-10(^111，摻雜濃度為1\1015-5\1016011-3。下層S12過渡層的厚度為l_30nm，1^5。03層的厚度為5nm-100nm，Al 203覆蓋層的厚度為l_30nmo
[0041]由下層S12S渡層、LaScO 3層和Al 203覆蓋層組成的柵介質層是一個堆垛柵介質層，以降低界面態密度和邊界陷阱密度，增加MOS溝道迀移率，減小柵漏電流，并進一步提高介質層的耐壓能力，提高MOS的質量和可靠性。
[0042]圖2為本發明么1203/1^5(:03/5102堆垛柵介質層的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:
[0043]步驟1，在SiC襯底上生長厚度為5-100 μ m輕摻雜的SiC外延層，摻雜濃度為lX1015-5X1016cnT3
[0044]步驟2，將SiC襯底的上SiC外延層進行清洗處理，接著在溫度為1175±5°C的條件下，10% N20:90%隊的混合氣體中生長厚度為lnm-30nm的下層氮化S12過渡層；
[0045]步驟3，將所生長的下層S12S渡層在Ar氣環境中快速退火處理和在Ar氣環境中冷卻處理；
[0046]步驟4，利用原子層淀積(ALD)的方法，在退火和冷卻處理后的下層S12S渡層上淀積一層厚度為5nm-100nm的1^5(:03層；
[0047]步驟5，利用原子層淀積的方法，在LaScO3層上淀積一層厚度為l_30nm的Al 203覆蓋層；
[0048]步驟6，利用磁控濺射的方法在Al2O3覆蓋層表面濺射金屬Ni作為正電極，在所述SiC襯底的背面濺射金屬Ni作為負電極，然后在N2氣環境中快速退火處理。
[0049]本發明么1203/1^5(:03/5102堆垛柵介質層的SiC MOS電容的制造方法的實施示例I包括如下步驟:
[0050]步驟101，在N型重摻雜SiC襯底上生長N型輕摻雜的SiC外延層。
[0051 ] 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，在溫度1570°C條件下，生長一層厚度為8 μ m，摻雜濃度為3 X 115CnT3的N型SiC外延層。
[0052]步驟102，對所生長的N型SiC外延層進行預處理。
[0053]102.1，用去離子水對N型SiC外延層進行超聲清洗；
[0054]102.2，用濃度為80%硫酸對外延層延片進行清洗，煮1min后，浸泡30min ；
[0055]102.3，用去離子水清洗SiC外延層數遍；
[0056]102.4，用比例為5:1:1的H20、H2O2及鹽酸組成的混合液，將SiC外延片在溫度為80°C的混合液中浸泡5min，用HF (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。
[0057]步驟103，在SiC外延層上生長氮化S12S渡層。
[0058]將預處理后的N型SiC外延片置于氧化爐中，在溫度為1175±5°C的條件下，10%N20:90%隊的混合氣體中生長厚度為6nm的下層氮化S1 2過渡層；
[0059]步驟104，對所生長的S12S渡層進行退火和冷卻處理。
[0060]104.1，將生長了 S12S渡層的SiC外延片置于Ar氣環境中退火，退火溫度為1000±5°C，退火時間為5min ；
[0061]104.2，將退火后的生長了 S12S渡層的SiC外延片置于Ar氣環境中退火，冷卻速率 5°C /min ；
[0062]步驟1