一種碳化矽表面氧化膜的製備方法與流程

2023-05-24 08:40:57 3

本發明涉及一種半導體材料的處理方法，具體涉及一種碳化矽表面氧化膜的製備方法。

背景技術：

碳化矽材料具有寬帶隙，高擊穿場強，高熱導率，高飽和電子遷移速率，極好的物理化學穩定性等特性，適用於高溫，高頻，大功率和極端環境下工作。碳化矽是唯一可以通過熱氧化生成SiO2介質層的寬帶隙半導體，使得碳化矽尤其適合製備各種MOS結構器件。

然而，由於C的存在使得碳化矽的氧化機理較矽複雜的多，而且碳化矽/二氧化矽的界面態密度也遠高於矽/二氧化矽界面，使得SiC MOSFET器件性能嚴重退化。研究表明C殘留是造成碳化矽/二氧化矽高界面態的原因之一，因此，需要提供一種技術方案來降低C殘留對界面態的影響，提高氧化膜質量、獲得更好的碳化矽/二氧化矽界面和提高SiC MOSFET器件性能。

技術實現要素：

本發明的目的是提供了一種碳化矽表面氧化膜的製備方法，通過在氧化膜形成前對碳化矽樣品表面進行鈍化處理，以提高氧化膜質量，獲得更好的碳化矽/二氧化矽界面。

為了實現上述目的，本發明採取以下技術方案：

一種碳化矽表面氧化膜的製備方法，所述方法包括如下步驟：

1)清洗包括襯底(11)和外延薄膜(12)的碳化矽材料(10)；

2)對所述外延薄膜(12)的上表面進行氧等離子體處理；

3)高溫下氫氣預處理步驟2)所得樣品(13)；

4)氧化步驟3)所得樣品(14)，得氧化膜(15)。

所述的碳化矽表面氧化膜的製備方法的第一優選技術方案，所述碳化矽材料(10)為n型或p型的4H-SiC或6H-SiC，所述外延薄膜(12)的厚度為0.1μm-500μm，其摻雜濃度為1×1013-1×1021cm-3。

所述的碳化矽表面氧化膜的製備方法的第二優選技術方案，所述清洗的方法為RCA標準清洗法等本技術領域人員熟知的各種清洗方法。

所述的碳化矽表面氧化膜的製備方法的第三優選技術方案，所述氧等離子體處理為本技術領域熟知的多種實現方法之一或任意組合，處理功率為10-3～105W，氣體流量為10-3～105sccm，處理時間為10-2～105min。

所述的碳化矽表面氧化膜的製備方法的第四優選技術方案，所述高溫下氫氣預處理的設備為箱式爐或管式爐。

所述的碳化矽表面氧化膜的製備方法的第五優選技術方案，所述高溫下氫氣預處理中對溫度和流速的分布進行預定，所述溫度和/或流速為恆定分布或可變分布。

所述的碳化矽表面氧化膜的製備方法的第六優選技術方案，所述可變分布為單階梯或多階梯分布。

所述的碳化矽表面氧化膜的製備方法的第七優選技術方案，所述溫度分布梯度為30～2500℃，所述梯度上的維持時間為0.1～100000min，所述溫度變化速率為0.1℃/min～2000℃/min。

所述的碳化矽表面氧化膜的製備方法的第八優選技術方案，所述流速為10-3sccm～105sccm。

所述的碳化矽表面氧化膜的製備方法的第九優選技術方案，所述氧化的方法為幹氧、溼氧或N2O中高溫氧化等。

與最接近的現有技術比，本發明具有如下有益效果：

1)本發明中氧化前的等離子體表面處理是通過清潔樣品表面和鈍化表面懸掛鍵，提高氧化薄膜質量，達到減小氧化膜與碳化矽界面的界面態密度；

2)本發明所用氣體無毒害，無刺激性，不需要尾氣處理裝置；

3)本發明的工藝簡單、省時，適用於大規模的工業生產。

附圖說明

圖1：本發明方法的流程圖；

圖2：本發明的氧等離子體處理的示意圖；

圖3：本發明的高溫下氫氣預處理的示意圖；

圖4：本發明的氧化處理的示意圖；

其中：10碳化矽材料；11襯底；12外延薄膜；13氧等離子體處理所得樣品；14高溫下氫氣預處理所得樣品；15氧化膜；16氧化處理所得樣品。

具體實施方式

為了更好的理解本發明的技術方案，下面結合附圖對本發明示例性的實施例進行描述。為了清楚和簡要起見，實際的實施例並不局限於說明書中所描述的這些技術特徵。然而，應該理解的是，在改進任何一個所述實際實施例的過程中，多個具體實施例的決定必須是能夠實現改進人員的特定目標，例如，遵從行業相關和商業相關的限制，所述限制隨著實施例的不同而變化。而且，應該理解的是，前述改進的效果即使是非常複雜和耗時的，但是這對於知曉本發明益處的本領域技術人員來說仍然是常規技術手段。

實施例1

一種碳化矽表面氧化膜的製備方法，所述方法包括如下步驟：

1)清洗碳化矽材料10，該碳化矽材料10包括襯底11和外延薄膜12，所述碳化矽材料10中的襯底11為n型4H-SiC，厚度約為380μm，n型摻雜雜質為氮(N)，摻雜濃度約為5×1018cm-3；所述碳化矽材料10中的外延薄膜12為n型4H-SiC，厚度約為12μm，n型摻雜雜質為氮(N)，摻雜濃度約為8×1015cm-3；

採用RCA標準清洗法對碳化矽材料10進行清洗，具體清洗步驟如下：

(1)配製氫氟酸溶液(HF:H2O＝1:10)；

(2)樣品支架清洗、吹乾待用；

(3)取碳化矽樣品10放於支架上，按照順序放好；

(4)配3#液(硫酸：H2O2＝3:1)，硫酸最後加，同時另一容器煮水；

(5)用3#液煮洗，15min，加熱至250℃，拎起支架稍涼片刻；

(6)將支架放到熱水中，衝水；

(7)配製1#液(氨水：H2O2：H2O＝1:1:5-1:1:7)，前兩者倒入熱水中，加熱75～85℃，時間10～20min(利用絡合作用去除重金屬雜質)，取出樣品支架，放入1#液，15min，取出放到熱水中，衝水；

(8)配製2#液(HCl：H2O2：H2O＝1:1:5)前兩者倒入熱水中；

(9)取出矽片，放入2#液，15min，取出放熱水中，衝水；

(10)10％的氫氟酸時間5～10s，去除碳化矽樣品10表面氧化層；

(11)去離子水衝洗時間20min。

2)於外延薄膜12的上表面進行氧等離子體處理得到樣品13，如圖2所示，處理功率為300W，O2流量為300sccm，處理時間為5min。

3)對樣品13進行高溫下氫氣(H2)預處理，預先通入H2，H2流速為4000sccm，以10℃/min的升溫速率從室溫升高到800℃，維持時間為180min，以10℃/min的降溫速率降至室溫，獲得樣品14，如圖3所示。

4)對樣品14進行常規氧化，所用氧化爐為管式氧化爐，以10℃/min的升溫速率從室溫升高到1100℃，通入N2O氣體，氣體流量為4SLM，繼續以10℃/min的升溫速率升高到1300℃，維持3小時，停止通入N2O，關掉氧化爐電源，降溫至室溫取出樣品16，測得氧化薄膜15的厚度約50nm。

實施例2

一種碳化矽表面氧化膜的製備方法，所述方法包括如下步驟：

1)清洗碳化矽材料10，該碳化矽材料10包括襯底11和外延薄膜12，所述碳化矽材料10中的襯底11為n型4H-SiC，厚度約為300μm，n型摻雜雜質為氮(N)，摻雜濃度約為5×1020cm-3；所述碳化矽材料10中的外延薄膜12為n型4H-SiC，厚度約為15μm，n型摻雜雜質為氮(N)，摻雜濃度約為8×1018cm-3；

採用RCA標準清洗法對碳化矽材料10進行清洗，具體清洗步驟如下：

(1)配製氫氟酸溶液(HF:H2O＝1:10)；

(2)樣品支架清洗、吹乾待用；

(3)取碳化矽樣品10放於支架上，按照順序放好；

(4)配3#液(硫酸：H2O2＝3:1)，硫酸最後加，同時另一容器煮水；

(5)用3#液煮洗，15min，加熱至250℃，拎起支架稍涼片刻；

(6)將支架放到熱水中，衝水；

(7)配製1#液(氨水：H2O2：H2O＝1:1:5-1:1:7)，前兩者倒入熱水中，加熱75～85℃，時間10～20min(利用絡合作用去除重金屬雜質)，取出樣品支架，放入1#液，15min，取出放到熱水中，衝水；

(8)配製2#液(HCl：H2O2：H2O＝1:1:5)前兩者倒入熱水中；

(9)取出矽片，放入2#液，15min，取出放熱水中，衝水；

(10)10％的氫氟酸時間5～10s，去除碳化矽樣品10表面氧化層；

(11)去離子水衝洗時間20min。

2)於外延薄膜12的上表面進行氧等離子體處理得到樣品13，如圖2所示，處理功率為500W，O2流量為300sccm，處理時間為3min。

3)對樣品13進行高溫下氫氣(H2)預處理，預先通入H2，H2流速為4000sccm，以10℃/min的升溫速率從室溫升高到900℃，維持時間為120min，以10℃/min的降溫速率降至室溫，獲得樣品14，如圖3所示。

4)對樣品14進行常規氧化，所用氧化爐為管式氧化爐，以10℃/min的升溫速率從室溫升高到1100℃，通入N2O氣體，氣體流量為4SLM，繼續以10℃/min的升溫速率升高到1300℃，維持3小時，停止通入N2O，關掉氧化爐電源，降溫至室溫取出樣品16，測得氧化薄膜15的厚度約50nm。

實施例3

一種碳化矽表面氧化膜的製備方法，所述方法包括如下步驟：

1)清洗碳化矽材料10，該碳化矽材料10包括襯底11和外延薄膜12，所述碳化矽材料10中的襯底11為n型6H-SiC，厚度約為450μm，n型摻雜雜質為氮(N)，摻雜濃度約為5×1018cm-3；所述碳化矽材料10中的外延薄膜12為n型6H-SiC，厚度約為15μm，n型摻雜雜質為氮(N)，摻雜濃度約為8×1015cm-3；

採用RCA標準清洗法對碳化矽材料10進行清洗，具體清洗步驟如下：

(1)配製氫氟酸溶液(HF:H2O＝1:10)；

(2)樣品支架清洗、吹乾待用；

(3)取碳化矽樣品10放於支架上，按照順序放好；

(4)配3#液(硫酸：H2O2＝3:1)，硫酸最後加，同時另一容器煮水；

(5)用3#液煮洗，15min，加熱至250℃，拎起支架稍涼片刻；

(6)將支架放到熱水中，衝水；

(7)配製1#液(氨水：H2O2：H2O＝1:1:5-1:1:7)，前兩者倒入熱水中，加熱75～85℃，時間10～20min(利用絡合作用去除重金屬雜質)，取出樣品支架，放入1#液，15min，取出放到熱水中，衝水；

(8)配製2#液(HCl：H2O2：H2O＝1:1:5)前兩者倒入熱水中；

(9)取出矽片，放入2#液，15min，取出放熱水中，衝水；

(10)10％的氫氟酸時間5～10s，去除碳化矽樣品10表面氧化層；

(11)去離子水衝洗時間20min。

2)於外延薄膜12的上表面進行氧等離子體處理得到樣品13，如圖2所示，處理功率為350W，O2流量為300sccm，處理時間為5min。

3)對樣品13進行高溫下氫氣(H2)預處理，預先通入氫氣(H2)，H2流速為5000sccm，以10℃/min的升溫速率從室溫升高到900℃，維持時間為150min，以10℃/min的降溫速率降至室溫，獲得樣品14，如圖3所示。

4)對樣品14進行常規氧化，所用氧化爐為管式氧化爐，以10℃/min的升溫速率從室溫升高到1100℃，通入N2O氣體，氣體流量為4SLM，繼續以10℃/min的升溫速率升高到 1300℃，維持3小時，停止通入N2O，關掉氧化爐電源，降溫至室溫取出樣品16，測得氧化薄膜15的厚度約50nm。

至此已經結合優選實施例對本發明進行了描述。應該理解，本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以進行各種其他的改變、替換和添加。因此，本發明的範圍不局限於上述特定實施例，而應由所附權利要求所限定。