基于射频等离子辅助的碳化硅栅氧的制备方法及装置

技术领域

本发明属于半导体制造领域，涉及一种碳化硅栅氧的制备方法及装置，具体涉及一种基于射频等离子辅助的碳化硅栅氧的制备方法及装置。

背景技术

碳化硅作为一种宽禁带半导体材料，相比较于广泛应用的硅半导体材料具有更高的击穿场强、载流子饱和速率、热导率和更宽的禁带宽度，因此碳化硅半导体器件表现出比同类硅半导体器件更高的关断电压、开关频率、更小的阻抗和更优异的耐高温性能，在中高压电力电子领域应用潜力巨大。目前，碳化硅器件已经在成功的应用到了新能源汽车、轨道交通、特高压输电、电力驱动和武器装备大功率电源等领域。近几年随着新能源汽车产业的快速发展，碳化硅功率器件市场呈现出爆发式增长，碳化硅半导体产业吸引了越来越多的关注。

碳化硅是宽禁带半导体中唯一能够通过热氧化法制备二氧化硅隔离层的材料，且碳化硅半导体器件的制备工艺与硅基芯片相似，工艺流程都包括清洗、刻蚀、沉积、离子注入、氧化、退火、钝化隔离和金属化等步骤，因此现有的硅基芯片的制备设备和工艺能够很好的兼容碳化硅器件的制备，这非常有利于碳化硅产业的发展。然而，由于碳化硅中Si-C键的键能非常高，导致碳化硅材料硬度高、化学性质非常稳定，氧化过程变得非常困难，且在氧化过程中容易产生碳残留和氧空位的缺陷，严重影响器件的性能。因此，如何获得高质量栅氧层成为碳化硅器件制备领域的关键技术之一。

目前，用于制备碳化硅栅氧层的方法主要包括干氧氧化法、低温等离子氧化法、微波等离子氧化法，其中，采用干氧氧化方法难以获得均匀致密的高质量氧化层，且在干氧环境中制备的碳化硅栅氧层，通常容易在SiO

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种氧化速率快、栅氧质量高的基于射频等离子辅助的碳化硅栅氧的制备方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于射频等离子辅助的碳化硅栅氧的制备方法，包括以下步骤：

S1、将碳化硅晶片放置到反应腔室的样品台上，抽真空；

S2、往反应腔室中通入氧气与惰性气体的混合气体，加热，使反应腔室内的温度升温至氧化反应所需温度，开启射频电源和在样品台上施加偏压，使混合气体离化形成等离子体气体并吸附到碳化硅晶片表面，碳化硅发生氧化反应，生成氧化层；所述惰性气体的相对原子质量大于硅；

S3、停止通入氧气与惰性气体的混合气体，抽真空；

S4、往反应腔室中通入含氮气体，调节反应腔室内的温度为氮化退火处理所需温度，开启射频电源和在样品台上施加偏压，使含氮气体离化形成氮气等离子体并吸附到碳化硅晶片表面，对碳化硅表面的氧化层进行氮化退火处理，完成对碳化硅栅氧层的制备。

上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，所述碳化硅晶片为碳化硅外延片。

上述的制备方法，进一步改进的，步骤S2中，所述氧气与惰性气体的混合气体中氧气、惰性气体的体积比为5～20∶1；所述氧气的通入流速为0.1slm～1slm。

上述的制备方法，进一步改进的，步骤S2中，所述惰性气体为氩气。

上述的制备方法，进一步改进的，步骤S2中，所述升温的过程包括：以5℃/min～10℃/min的升温速率升温至600℃～800℃，保温10min～30min，以10℃/min～20℃/min的升温速率升温至氧化反应所需温度；所述氧化反应所需温度为1000℃～1700℃；所述混合气体的离化过程中控制所述射频电源的功率为1200W～3500W；所述样品台上施加的偏压为-100V～-300V；所述氧化反应的时间为20min～40min。

上述的制备方法，进一步改进的，步骤S2中，所述混合气体的离化过程中控制所述射频电源的功率为2400W；所述样品台上施加的偏压为-200V。

上述的制备方法，进一步改进的，步骤S4中，所述含氮气体为氮气、一氧化氮、二氧化氮中的至少一种；所述含氮气体的通入流速为0.1slm～0.5slm。

上述的制备方法，进一步改进的，步骤S4中，所述含氮气体的离化过程中控制所述射频电源的功率为1200W～3500W；所述样品台上施加的偏压为-100V～-300V；所述氮化退火处理的温度为1000℃～1700℃；所述氮化退火处理的时间为30min～60min。

上述的制备方法，进一步改进的，步骤S4中，所述含氮气体的离化过程中控制所述射频电源的功率为1800W；所述样品台上施加的偏压为-100V。

作为一个总的技术构思，本发明还提供改了一种基于射频等离子辅助的碳化硅栅氧的制备装置，所述制备装置包括反应腔室，所述反应腔室包括离化腔和反应腔；所述离化腔的外部设有射频等离子体激发器；所述射频等离子体激发器上连接有射频电源；所述反应腔内还设有用于放置碳化硅晶片的样品台，所述样品台上连接有直流电源；所述样品台的周围还设有加热体；所述加热体上连接有加热电源。

上述的制备装置，进一步改进的，所述离化腔上还设有进气通道；所述进气通道的入口与所述样品台相对设置；所述射频等离子体激发器为环绕在所述离化腔的外部表面的射频线圈；所述射频线圈的径向与气体的进气方向平行；所述反应腔上还设有出气通道；所述出气通道的出口位于所述样品台背面。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)针对现有碳化硅栅氧的制备方法中存在的氧化速率偏慢、碳化硅与氧化硅的界面处结构缺陷偏多等不足，以及由此导致不能快速获得高质量栅氧层等缺陷，本发明创造性的提出了一种基于射频等离子辅助的碳化硅栅氧的制备方法，以氧气与惰性气体的混合气体为反应气源，其中惰性气体的相对原子量大于硅，通过离化形成氧等离子体和惰性气体等离子体，旨在同时提高氧和SiC的反应活性，获得更快的栅氧氧化速率，具体来说：在通入氧气与惰性气体的混合气体，并升温至氧化反应所需温度后，开启射频电源和在样品台上施加偏压，使混合气体离化形成等离子体气体，并在电场力的作用下将等离子体气体吸附到碳化硅外延片表面，一方面，离化产生的氧等离子体，可以提高氧与碳化硅的反应活性，另一方面，离化产生的惰性气体等离子体轰击碳化硅材料能够有效破坏材料中的Si-C键，也可以显著提高表面碳化硅的反应活性，降低其与氧的反应势垒，因而表面的碳化硅能够与氧等离子体迅速反应并在材料表面形成一层均匀、致密的氧化层，特别的，若惰性气体的相对原子量小于硅，则难以破坏Si-C键，进而导致SiC的反应活性难以提升；在此基础上，以含氮气体为气源进行氮化退火处理，在此过程中，通过离化产生氮气等离子体，并利用具有更高反应活性的氮气等离子体与栅氧层界面处的悬键反应，可以快速的修复栅氧中的晶格缺陷和界面处的不饱和化学键等结构缺陷，从而获得高质量的碳化硅栅氧层。另外，相比其他激发方式(如微波激发)，本发明中采用射频激发，更有利于实现对惰性气体和氧气的离化，而且无需对现有氧化设备进行较大规模的改动即可完成对碳化硅栅氧层的制备。本发明制备方法，通过同时提高氧和SiC的反应活性，能够在更低工艺温度条件下获得更快的栅氧氧化速率，从而能够在更低能耗条件下快速形成均匀、致密的氧化层，进一步的，在氮化退火过程中通过提高氮的反应活性，能够获得更快的氮化速率，从而可以快速修复SiO

(2)本发明中还提供了一种基于射频等离子辅助的碳化硅栅氧的制备装置，在反应腔室的外部设置射频等离子体激发器，通过施加交流电的方法即可利用射频等离子体激发器将反应腔室内部的反应气体离化为活性较高的等离子体，进而利用直流电源给样品台的施加偏压，通过电场力的作用将等离子吸附到样品表面，以碳化硅外延片为样品时，惰性气体等离子体轰击碳化硅表面，能够降低碳化硅材料中Si-C键的结合强度，提高碳化硅材料的反应活性，降低其与氧的反应势垒，因而在较低的氧化温度下表面的碳化硅能够与氧等离子快速反应并形成均匀、致密的栅氧层，同时在退火过程中，当氮等离子体到达样品表面后，氮等离子体也能够与界面的悬键快速反应，快速修复SiO

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1为本发明实施例中基于射频等离子辅助的碳化硅栅氧的制备装置示意图。

图2为本发明实施例中基于射频等离子辅助的碳化硅栅氧的制备工艺流程图。

图3a～3d为本发明实施例中基于射频等离子辅助的碳化硅栅氧的制备原理图。

图例说明：

1、离化腔；11、进气通道；12、射频等离子体激发器；13、射频电源；2、反应腔；21、样品台；22、直流电源；23、加热体；24、加热电源；25、出气通道。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中，若无特别说明，所采用的原料和仪器均为市售，所采用工艺为常规工艺，所采用设备为常规设备。

实施例

针对碳化硅结构致密、物理化学性能稳定，以及现有碳化硅栅氧的制备方法中存在的工艺条件苛刻、工艺过程复杂、操作困难、氧化速率偏慢、难以快速获得电化学性能优异的高质量栅氧层等缺陷，本发明实施例中提供了一种基于射频等离子辅助的碳化硅栅氧的制备方法及装置，通过同时提高氧和SiC的反应活性，能够在更低工艺温度条件下获得更快的栅氧氧化速率，从而能够在更低能耗条件下快速形成均匀、致密的氧化层，进一步的，在氮化退火过程中通过提高氮的反应活性，能够获得更快的氮化速率，从而可以快速修复SiO

为了更好理解本发明技术方案的创新所在，作为本发明技术方案中的其中一个案例，如图1所示，基于射频等离子辅助的碳化硅栅氧的制备装置，包括反应腔室，反应腔室包括离化腔1和反应腔2，离化腔1的外部设有射频等离子体激发器12，射频等离子体激发器12上连接有射频电源13；反应腔2内还设有用于放置碳化硅晶片的样品台21，样品台21上连接有直流电源22，样品台21的周围还设有加热体23，加热体23上连接有加热电源24。

本实施例的制备装置中，离化腔1上还设有进气通道11，进气通道11的入口与样品台21相对设置。

本实施例的制备装置中，射频等离子体激发器12为环绕在离化腔1的外部表面的射频线圈，射频线圈的径向与气体的进气方向平行。

本实施例的制备装置中，反应腔2上还设有出气通道25，出气通道25的出口位于样品台21背面。

本实施例的制备装置的主要特点是在常规的氧化炉设备中增加了一个射频等离子发生器，设置在反应腔室的外部，利用该射频等离子体发生器可将反应腔室中的反应气体离化为反应活性较高的等离子体，同时在样品台的基座上还设有直流电源，用于增加偏压装置，以便通过电场力的作用将等离子气体吸附到样品表面。本发明制备装置，可制备反应活性较高的等离子体，并能将将这些等离子体快速转移到样品表面，不仅可以提高反应气体对碳化硅的氧化速率、氮化速率，而且能够获得高质量的栅氧层。

为了更好理解本发明技术方案的创新所在，作为本发明技术方案中的其中一个案例，如图2所示，该基于射频等离子辅助的碳化硅栅氧的制备方法，具体是采用上述本实施例中的制备装置制备栅氧层，包括以下步骤：

(1)提供SiC外延衬底片，具体为：8英寸N型SiC外延片，掺杂浓度为9×10

(2)将反应腔室抽真空后，以7℃/min升温速率加热至700℃保温15min，再以10℃/min的升温速率加热至1200℃，在此升温过程中通入气体体积比为10:1的氧气和氩气的混合气体，其中氧气的通入流速为0.5slm，待反应腔达到目标温度后，开启射频等离子激发器，输出功率设置为2000W，在样品台的基座上施加偏置电压，偏置电压设置为-200V，对碳化硅表面进行氧化反应，氧化时间为25min，生成氧化硅层。

(3)氧化反应结束后，关闭等离子激发器和基座偏置电压，将反应腔中的混合气体抽出，然后以10℃/min的升温速率将反应腔的温度提升到1300℃，在升温的过程中以0.2slm的流速向反应腔中通入氮气，达到目标温度后开启射频等离子激发器输出功率设置为1800W，同时给样品台基座施加-100V偏压，退火过程的持续时间为40min。

(4)退火过程结束后关闭设备电源，保持氮气继续通入，待反应腔温度降低到400℃以下时，停止通入氮气直至冷却至室温，即可获得厚度约为51.6nm的栅氧层。

本实施例中，采用上述的制备装置用于制备栅氧层时涉及的制备原理如图3所示。由图3可知，在氧化过程中，通过施加交流电即可利用射频等离子体激发器将反应腔室内部的氧气和氩气离化为活性较高的氧等离子体和氩等离子体，进而通过在样品台上施加偏置电压，利用电场力的作用将氧等离子体和氩等离子体吸附到碳化硅表面，其中氧等离子体与碳化硅反应生成二氧化硅，同时氩等离子体轰击碳化硅表面，能够降低碳化硅材料中Si-C键的结合强度，提高碳化硅材料的反应活性，降低其与氧的反应势垒，从而可以促进氧等离子体与碳化硅快速反应并形成均匀、致密的栅氧层，在退火过程中，通过施加交流电即可利用射频等离子体激发器将反应腔室内部的氮气离化为活性较高的氮等离子体，进而通过在样品台上施加偏置电压，利用电场力的作用将氮等离子体吸附到样品表面，此时氮等离子体与界面的悬键快速反应，快速修复SiO

经测试，与常规微波氧化法相比，本发明实施例中，对碳化硅的氧化速率可以提高2倍，C相关缺陷可以降低80％，碳化硅表面腐蚀坑的形成率可以降低60％。

由上述结果可知，本发明制备方法中，通过离化同时提高氧和SiC的反应活性，能够在更低工艺温度条件下获得更快的栅氧氧化速率，从而能够在更低能耗条件下快速形成均匀、致密的氧化层，进一步的，在氮化退火过程中通过提高氮的反应活性，能够获得更快的氮化速率，从而可以快速修复SiO

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。