利用含氯元素的氧化后退火技术改进SiC MOSFET器件性能的方法

技术领域

本发明涉及一种利用含氯元素的氧化后退火技术改进SiC MOSFET器件性能的方法，属于SiC半导体器件制作及可靠性技术领域。

背景技术

SiC的高禁带宽度，高临界电场，高电子饱和漂移速率以及高热导率，使得它有潜力在高温高压大功率领域取代即将到达物理极限的Si材料。但是，热氧化制备SiO

一氧化氮氧化后退火是降低界面陷阱缺陷传统工艺，如西安交通大学刘卫华等人通过在一氧化氮中退火消除了大量界面陷阱[公开号：CN112151384A]。这是因为在退火过程中，氮元素可以与缺陷结构反应，使其能级位置发生变化，从而降低缺陷对SiC MOS器件电学特性的影响。此外，大连理工大学朱巧智博士尝试了氮氢混合等离子体处理显著地降低了界面陷阱密度(博士论文：SiO

在一氧化氮的气氛中进行氧化，也可以提升SiC器件质量，中科院半导体所闫果果等人就利用一氧化氮氧化提高了SiC外延层中少子的寿命[公开号：CN111243941A]。在一氧化氮的气氛下氧化SiC，可以在氧化的过程中抑制缺陷的产生，因此无需氧化后退火工艺就可以获得较高质量的SiC/SiO

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种利用含氯元素的氧化后退火技术改进SiC MOSFET器件性能的方法。本发明是对传统的一氧化氮处理工艺的基础上进行了改进，采用了在含氮元素的气氛下对SiC衬底进行氧化，随后在含氯元素气氛下进行氧化后退火处理，通过氧化工艺将N元素引入SiC/SiO

为了实现上述发明目的，解决现有技术存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种利用含氯元素的氧化后退火技术改进SiC MOSFET器件性能的方法，包括以下步骤：

步骤1、采用RCA工艺对SiC晶片进行清洗，具体包括以下子步骤：

(a)将碳化硅晶片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中，80～150℃清洗10～60min，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述浓硫酸与双氧水的体积比为1:1；

(b)将子步骤(a)中的碳化硅晶片取出置于一号清洗液中，60～90℃清洗1～10min，然后用浓度为0.1％～20％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述一号清洗液是由水、双氧水和氨水按6:1:1～7:2:1体积比组成的混合溶液；

(c)将子步骤(b)中的碳化硅晶片取出置于二号清洗液中，60～90℃清洗1～10min，然后用浓度为0.1％～20％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述二号清洗液是由水、双氧水和盐酸按6:1:1～8:2:1体积比组成的混合溶液；

(d)将子步骤(c)中的碳化硅晶片取出，采用红外灯烘干碳化硅晶片表面；

步骤2、对SiC晶片进行氮氧氧化，将SiC晶片置于氧化炉，NO或N

步骤3、对步骤2处理后的样品在含氯元素气氛下进行氧化后退火处理，具体包括以下四种方式：

(a)高温Cl

(b)ECR氯等离子体氧化后退火，将步骤2处理后的样品放在样品托上，送入等离子体反应腔室内，利用真空泵将反应腔室内的真空度抽至10

(c)高温氢-氯氧化后退火，将步骤2处理后的样品放入氧化炉或退火炉内，在HCl或者H

(d)ECR氢氯二元等离子体氧化后退火：将步骤2处理后的样品放在样品托上，送入等离子体反应腔室内，利用真空泵将反应腔室内的真空度抽至10

步骤4、对步骤3处理后的样品进行涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入形成源区和漏区，镀金刚石层保护注入层，并在Ar或N

步骤5、通过热蒸发或溅射金属Al、Ti、Ni、TiC制作电极，在氮气保护下升温至400～600℃，退火10～50min，冷却至室温完成SiC MOSFET的制作。

本发明有益效果是：一种利用含氯元素的氧化后退火技术改进SiC MOSFET器件性能的方法，包括以下步骤：(1)采用RCA工艺对SiC晶片进行清洗，(2)对SiC晶片进行氮氧氧化，(3)对步骤2处理后的样品在含氯元素气氛下进行氧化后退火处理，(4)对步骤3处理后的样品进行涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入形成源区和漏区，(5)完成SiC MOSFET的制作。与已有技术相比，本发明通过在氧化中引入氮元素，在退火中引入氯元素，既可以有效消除SiC/SiO

附图说明

图1是本发明工艺步骤流程图。

图2是NO氧化后Cl等离子体处理的SiC晶片上SiO

图3是NO氧化后Cl等离子体处理的SiC MOSFET的高低频C-V曲线以及SiC/SiO

图4是NO氧化后Cl等离子体处理的SiC MOSFET在100K下的交替正负应力后的C-V回滞曲线图。

图5为NO氧化后Cl等离子体处理的SiC MOSFET在400K下的交替正负应力后的C-V回滞曲线图。

图6是NO氧化后Cl等离子体处理的SiC MOSFET的I

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种利用含氯元素的氧化后退火技术改进SiC MOSFET器件性能的方法，包括以下步骤：

步骤1、采用RCA工艺对SiC晶片进行清洗，具体包括以下子步骤：

(a)将碳化硅晶片置于浓硫酸与双氧水的混合溶液中，80℃清洗20min，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述浓硫酸与双氧水的体积比为1:1；

(b)将子步骤(a)中的碳化硅晶片取出置于一号清洗液中，80℃清洗10min，然后用浓度为1％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述一号清洗液是由水、双氧水和氨水按6:1:1体积比组成的混合溶液；

(c)将子步骤(b)中的碳化硅晶片取出置于二号清洗液中，80℃清洗10min，然后用浓度为1％的氢氟酸水溶液清洗，再用去离子水淋洗碳化硅晶片表面数遍，所述二号清洗液是由水、双氧水和盐酸按8:2:1体积比组成的混合溶液；

(d)将子步骤(c)中的碳化硅晶片取出，采用红外灯烘干碳化硅晶片表面；

步骤2、对SiC晶片进行氮氧氧化，将SiC晶片置于氧化炉，在NO的气氛中氧化，氧化温度控制在1200℃，氧化时间控制在2h，在SiC晶片上形成一层30nm的SiO

步骤3、对步骤2处理后的样品进行高温Cl

步骤4、对步骤3处理后的样品进行涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入形成源区和漏区，镀金刚石层保护注入层，并在Ar气氛保护下1200℃高温退火30min；

步骤5、通过热蒸发金属Al制作电极，在氮气保护下升温至450℃，退火30min，冷却至室温完成SiC MOSFET的制作。

实施例2

一种利用含氯元素的氧化后退火技术改进SiC MOSFET器件性能的方法，包括以下步骤：

步骤1、采用与实施例1相同的RCA工艺对SiC晶片进行清洗。

步骤2、对SiC晶片进行氮氧氧化，将SiC晶片置于氧化炉，在NO的气氛中氧化，氧化温度控制在1300℃，氧化时间控制在1h，在SiC晶片上形成一层25nm的SiO

步骤3、对步骤2处理后的样品进行ECR氯等离子体氧化后退火，将步骤2处理后的样品放在样品托上，送入等离子体反应腔室内，利用真空泵将反应腔室内的真空度抽至10

步骤4、对步骤3处理后的样品进行涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入形成源区和漏区，镀金刚石层保护注入层，并在Ar气氛保护下1300℃高温退火10min；

步骤5、通过溅射金属Al制作电极，在氮气保护下升温至450℃，退火30min，冷却至室温完成SiC MOSFET的制作。

实施例3

一种利用含氯元素的氧化后退火技术改进SiC MOSFET器件性能的方法，包括以下步骤：

步骤1、采用与实施例1相同的RCA工艺对SiC晶片进行清洗。

步骤2、对SiC晶片进行氮氧氧化，将SiC晶片置于氧化炉，在N

步骤3、对步骤2处理后的样品进行高温氢-氯氧化后退火：将步骤2处理后的样品放入氧化炉或专用退火炉中进行，在H

步骤4、对步骤3处理后的样品进行涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入形成源区和漏区，镀金刚石层保护注入层，并在Ar气氛保护下1200℃高温退火20min；

步骤5、通过热蒸发Ti制作电极，在氮气保护下升温至450℃，退火30min，冷却至室温完成SiC MOSFET的制作。

实施例4

一种利用含氯元素的氧化后退火技术改进SiC MOSFET器件性能的方法，包括以下步骤：

步骤1、采用与实施例1相同的RCA工艺对SiC晶片进行清洗。

步骤2、对SiC晶片进行氮氧氧化，将SiC晶片置于氧化炉，在NO的气氛中氧化，氧化温度控制在1300℃，氧化时间控制在1h，在SiC晶片上形成一层25nm的SiO

步骤3、对步骤2处理后的样品进行ECR氢氯二元等离子体氧化后退火，将步骤2处理后的样品放在样品托上，送入等离子体反应腔室内，利用真空泵将反应腔室内的真空度抽至10

步骤4、对步骤3处理后的样品进行涂胶、光刻、腐蚀、去胶、离子注入形成源区和漏区，镀金刚石层保护注入层，并在Ar气氛保护下1200℃高温退火20min；

步骤5、通过热蒸发Ti制作电极，在氮气保护下升温至450℃，退火30min，冷却至室温完成SiC MOSFET的制作。

实施例5

实测内容1，对处理后的SiO

实施例6

实测内容2，对处理后的SiC/SiO

实施例7

实测内容3，在低温下对制备的SiC MOSFET进行正负应力后C-V测试：在100K的低温下，先对SiC MOSFET栅极施加持续600s的+3MV/cm的电场，随后在栅极施加从+10～-10V的扫描电压，从而获取正应力后的C-V曲线；而后对SiC MOSFET栅极施加持续600s的-3MV/cm的电场，随后在栅极施加从-10～+10V的扫描电压，从而获取负应力后的C-V曲线。通过两条C-V曲线可以获得C-V曲线回滞，从而提取正负应力后的平带电压(V

实施例8

实测内容4，在高温下对制备的SiC MOSFET进行正负应力后C-V测试：在400K的低温下，先对SiC MOSFET栅极施加持续600s的+3MV/cm的电场，随后在栅极施加从+10～-10V的扫描电压，从而获取正应力后的C-V曲线；而后对SiC MOSFET栅极施加持续600s的-3MV/cm的电场，随后在栅极施加从-10～+10V的扫描电压，从而获取负应力后的C-V曲线。通过两条C-V曲线可以获得C-V曲线回滞，从而提取正负应力后的平带电压(V

实施例9

实测内容5，氮氧氧化及含氯元素后退火处理后的SiC MOSFET的转移特性曲线：在栅极施加扫描电压，扫描电压为从0～5V，在源漏极施加0.5V的恒定电压，测试SiC MOSFET源漏两端的电流随栅压变化的曲线，即为转移特性曲线。如图6所示，为氮氧氧化及含氯元素后退火处理后的SiC MOSFET的转移特性曲线图。其中：表1为高温NO氧化后，含氯元素氧化后退火制备的SiC MOSFET样品的击穿场强、界面陷阱密度、低温应力后V

表1

表2为高温N

表2

本发明优点在于：一种利用含氯元素的氧化后退火技术改进SiC MOSFET器件稳定性和可靠性的方法，通过在氧化过程中使用含氮氧化剂，可以有效消除SiC/SiO