一种高k栅介质层的制备方法及碳化硅MOS功率器件技术

本发明专利技术提供了一种高k栅介质层的制备方法及碳化硅MOS功率器件，所述制备方法包括对具有第一导电类型的碳化硅外延片进行高温牺牲氧化，在其外延层的上表面形成牺牲氧化层；对牺牲氧化层进行腐蚀，直至完全去除外延层上的牺牲氧化层；对去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理，形成光滑的钝化表面；在光滑的钝化表面上依次淀积Al2O3介质覆层、LaxHfyO介质层和Al2O3介质覆层，并对Al2O3介质覆层、LaxHfyO介质层和Al2O3介质覆层构成的叠层结构进行退火，形成高k栅介质层。与现有技术相比，本发明专利技术提供的一种高k栅介质层的制备方法及碳化硅MOS功率器件，能够减少SiC/SiO2界面处的因杂质和/或表面晶格缺陷造成的界面缺陷，提高栅介质层的耐压能力。

Preparation of a high k gate dielectric layer and silicon carbide MOS power device

The invention provides a preparation method of a high k gate dielectric layer and a silicon carbide MOS power device. The preparation method includes sacrificing oxidation layer at high temperature for a silicon carbide epitaxial piece with the first conductive type, forming a sacrificial oxide layer on the upper surface of the epitaxial layer, corroding the sacrificial oxide layer, until the epitaxial layer is completely removed. The upper surface of the epitaxial layer after the removal of the sacrificial oxide layer is treated by high temperature surface treatment to form a smooth passivation surface, and the Al2O3 medium coating, the LaxHfyO medium layer and the Al2O3 medium cladding are sequentially deposited on the smooth passivation surface, and the coating layer of the Al2O3 medium, the LaxHfyO medium layer and the Al2O3 medium coating are formed. The laminated structure is annealed to form a high k gate dielectric layer. Compared with the existing technology, the invention provides a high k gate dielectric layer preparation method and the silicon carbide MOS power device, which can reduce the interface defects caused by impurities and / or surface lattice defects at the SiC/SiO2 interface, and improve the pressure resistance of the gate dielectric layer.

【技术实现步骤摘要】
一种高k栅介质层的制备方法及碳化硅MOS功率器件
本专利技术涉及半导体器件
，具体涉及一种高k栅介质层的制备方法及碳化硅MOS功率器件。
技术介绍
碳化硅半导体材料具有较宽的禁带宽度(3.2eV)、较高的击穿电场强度(2.2MV/cm)、较高的高饱和电子迁移速率(2.0×107cm/s)、较高的高热导率(5.0W/cmK)、极好的物理化学稳定性等特性，适合于作为大功率、高电压、高工作温度、高工作频率功率半导体器件的制造材料，而由于碳化硅在化合物半导体材料中是唯一具有通过氧化生成致密SiO2介质层的能力，这使得碳化硅工艺与常规CMOS工艺具有更高的工艺兼容性和成熟性，也使得碳化硅MOS功率器件制造具有更成熟的制造工艺。金属氧化物半导体场效应晶体管是一种广泛使用的一类功率器件，将控制信号提供给栅电极，该栅电极通过插入的绝缘体将半导体表面分开，绝缘体可以为二氧化硅(SiO2)。通过多数载流子的传输进行电流传导，而不需要在双极型晶体管工作时使用少数载流子注入。同时，碳化硅MOS功率器件能够提供非常大的安全工作区，并且多个单元结构能够并行使用。但是碳化硅还存在下述缺陷：1、氧化碳化硅生成SiO2氧化过程中，会出现以悬挂键和团簇的形式存在的碳残余，导致SiC/SiO2的界面处存在较高密度的界面态。2、碳化硅的晶格具有各向异性特性，其氧化速率存在着较强的各向异性，导致不同晶面的氧化层存在厚度不均匀的问题；3、SiO2的介电材料的介电常数KOX值仅有3.9，使得SiC/SiO2界面电场强度分布中SiO2侧会出现较高电场强度，从而限制碳化硅高击穿电场强度。
技术实现思路
为了满足克服现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种高k栅介质层的制备方法及碳化硅MOS功率器件。第一方面，本专利技术中一种高k栅介质层的制备方法的技术方案是：所述制备方法包括：对具有第一导电类型的碳化硅外延片进行高温牺牲氧化，在其外延层的上表面形成牺牲氧化层；对所述牺牲氧化层进行腐蚀，直至完全去除所述外延层上的牺牲氧化层；对所述去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理，形成光滑的钝化表面；在所述光滑的钝化表面上依次淀积Al2O3介质覆层、LaxHfyO介质层和Al2O3介质覆层，并对所述Al2O3介质覆层、LaxHfyO介质层和Al2O3介质覆层构成的叠层结构进行退火，形成高k栅介质层。第二方面，本专利技术中一种碳化硅MOS功率器件的技术方案是：所述碳化硅MOS功率器件包括：碳化硅外延片，其包括同时具有第一导电类型的碳化硅衬底和外延层，所述外延层设置在碳化硅衬底的正面；其中：所述外延层的上表面为对去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理之后形成的光滑的钝化表面；高k栅介质层，其设置在所述光滑的钝化表面上，所述高k栅介质层包括叠层布置的Al2O3介质覆层、LaxHfyO介质层和Al2O3介质覆层。与最接近的现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术提供的一种高k栅介质层的制备方法，对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化形成牺牲氧化层后，将牺牲氧化层完全腐蚀去除，可以消除碳化硅外延片表面和近表面的晶格损伤和有机、金属和非金属沾污，有助于减少碳化硅外延片氧化层内的杂质含量，及SiC/SiO2界面处的因杂质和/或表面晶格缺陷造成的界面缺陷(界面态)；对碳化硅外延片进行高温表面化处理有助于减少SiC/SiO2界面处因表面粗糙度造成的界面缺陷(界面态)，提高载流子沟道迁移率；在光滑的钝化表面上淀积高k栅介质层，而LaxHfyO的k值范围为17～25，禁带宽度为6～7eV，Al2O3的k值范围为9～10，禁带宽度为8.7～8.8eV，使得高k栅介质层具有较高的k值和禁带宽度，可以提高栅介质层的耐压能力；2、本专利技术提供的一种碳化硅MOS功率器件，碳化硅外延片的外延层具有光滑的钝化表面，该钝化表面通过对去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理之后形成的，去除牺牲氧化层可以消除碳化硅外延片表面和近表面的晶格损伤和有机、金属和非金属沾污，有助于减少碳化硅外延片氧化层内的杂质含量，及SiC/SiO2界面处的因杂质和/或表面晶格缺陷造成的界面缺陷(界面态)，同时高温表面化处理有助于减少SiC/SiO2界面处因表面粗糙度造成的界面缺陷(界面态)，提高载流子沟道迁移率；LaxHfyO的k值范围为17～25，禁带宽度为6～7eV，Al2O3的k值范围为9～10，禁带宽度为8.7～8.8eV，使得高k栅介质层具有较高的k值和禁带宽度，可以提高栅介质层的耐压能力。附图说明图1：本专利技术实施例中一种高k栅介质层的制备方法实施流程图；图2：本专利技术实施例中一种碳化硅外延片的结构示意图；图3：本专利技术实施例中一种碳化硅外延片的阱区、源极接触区和基极接触区示意图；图4：本专利技术实施例中一种碳化硅外延片的牺牲氧化层示意图；图5：本专利技术实施例中一种碳化硅外延片的钝化表面示意图；图6：本专利技术实施例中一种碳化硅外延片的高k栅介质层示意图；图7：图6所示高k栅介质层退火之前的结构示意图；图8：图6所示高k栅介质层退火之后的结构示意图；图9：本专利技术实施例中另一种碳化硅外延片的结构示意图；图10：本专利技术实施例中另一种碳化硅外延片的基极接触区和沟槽区示意图；图11：本专利技术实施例中另一种碳化硅外延片的牺牲氧化层示意图；图12：本专利技术实施例中另一种碳化硅外延片的钝化表面示意图；图13：本专利技术实施例中另一种碳化硅外延片的高k栅介质层示意图；图14：图13所示高k栅介质层退火之前的结构示意图；图15：图13所示高k栅介质层退火之后的结构示意图；图16：本专利技术实施例中再一种碳化硅外延片的结构示意图；图17：本专利技术实施例中再一种碳化硅外延片的阱区、源极接触区和基极接触区示意图；图18：本专利技术实施例中再一种碳化硅外延片的牺牲氧化层示意图；图19：本专利技术实施例中再一种碳化硅外延片的钝化表面示意图；图20：本专利技术实施例中再一种碳化硅外延片的高k栅介质层示意图；图21：图20所示高k栅介质层退火之前的结构示意图；图22：图20所示高k栅介质层退火之前的结构示意图；其中，101：n型碳化硅衬底；102：n型碳化硅外延层；110：n型碳化硅外延片；111：p型阱区；112：n型源极接触区；113：p型基极接触区；121：牺牲氧化层；131：钝化表面；140：退火之前的高k栅介质层；141：退火之前的Al2O3介质覆层；150：退火之前的LaxHfyO介质层；151：La2O3纳米层；152：HfO2纳米层；160：退火之后的高k介质层；161：退火之后的Al2O3介质覆层；162：退火之后的LaxHfyO介质层；高k栅介质层201：n型碳化硅衬底；202：n型碳化硅外延层；203：p型碳化硅外延层；204：n型碳化硅外延层；210：n型碳化硅外延片；211：p型基极接触区；212：沟槽区；221：牺牲氧化层；231：钝化表面；240：退火之前的高k栅介质层；241：退火之前的Al2O3介质覆层；250：退火之前的LaxHfyO介质层；251：La2O3纳米层；252：HfO2纳米层；260：退火之后的高k介质层；261：退火之后的Al2O3介质覆层；262：退火之后的LaxHfyO介质层；301：半绝缘碳化硅衬底；302本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：对具有第一导电类型的碳化硅外延片进行高温牺牲氧化，在其外延层的上表面形成牺牲氧化层；对所述牺牲氧化层进行腐蚀，直至完全去除所述外延层上的牺牲氧化层；对所述去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理，形成光滑的钝化表面；在所述光滑的钝化表面上依次淀积Al2O3介质覆层、LaxHfyO介质层和Al2O3介质覆层，并对所述Al2O3介质覆层、LaxHfyO介质层和Al2O3介质覆层构成的叠层结构进行退火，形成高k栅介质层。

【技术特征摘要】
1.一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：对具有第一导电类型的碳化硅外延片进行高温牺牲氧化，在其外延层的上表面形成牺牲氧化层；对所述牺牲氧化层进行腐蚀，直至完全去除所述外延层上的牺牲氧化层；对所述去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理，形成光滑的钝化表面；在所述光滑的钝化表面上依次淀积Al2O3介质覆层、LaxHfyO介质层和Al2O3介质覆层，并对所述Al2O3介质覆层、LaxHfyO介质层和Al2O3介质覆层构成的叠层结构进行退火，形成高k栅介质层。2.如权利要求1所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化之前包括：在所述碳化硅外延片的正面形成具有第一导电类型的外延层；对所述碳化硅外延片清洗后，向所述外延层注入离子形成阱区；向所述阱区注入离子分别形成源极接触区和基极接触区；对注入离子后的碳化硅外延片依次进行退火和清洗。3.如权利要求1所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化之前包括：按照由下到上的顺序在所述碳化硅外延片的正面依次形成具有第一导电类型的第一外延层、具有第二导电类型的第二外延层和具有第一导电类型的第三外延层；对所述碳化硅外延片清洗后，向所述第三外延层注入离子形成基极接触区；对注入离子后的碳化硅外延片依次进行退火、沟槽刻蚀和清洗；其中：所述沟槽刻蚀包括对所述第一外延层、第二外延层和第三外延层进行刻蚀，形成沟槽区；所述沟槽区贯穿所述第一外延层和第二外延层，且其深度小于所述第一外延层、第二外延层和第三外延层的结深之和。4.如权利要求2或3所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对碳化硅外延片清洗包括：对所述碳化硅外延片依次进行Piranha工艺清洗、RCA工艺清洗和DHF工艺清洗。5.如权利要求1所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化包括：采用箱式炉或管式炉在氧气O2环境下对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化；其中：所述高温牺牲氧化的氧化温度为1200～1500℃，氧化时间为10～30min，氧气O2的纯度为6N，氧气O2的流量为0.1～10slm。6.如权利要求1所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对牺牲氧化层进行腐蚀包括：在常温下采用湿法腐蚀对牺牲氧化层进行腐蚀；其中：所述湿法腐蚀的腐蚀溶液为浓度为BOE腐蚀液或1～50％的DHF溶液。7.如权利要求1所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对外延层的上表面进行高温表面化处理包括：采用箱式炉或管式炉在氯化氢气体HCL环境下对外延层的上表面进行高温表面化处理；其中：所述高温表面化处理的温度为1000～2000℃，时间为0.1～4h，氯化氢气体HCL的纯度为6N，氯化氢气体HCL的流量为0.1～10slm。8.如权利要求1所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述淀积Al2O3介质覆层包括：采用ALD原子层沉积法在所述光滑的钝化表面或所述LaxHfyO介质层上淀积Al2O3介质覆层；其中：所述ALD原子层沉积法的反应前驱体为三甲基铝TMA，氧化剂前驱体为臭氧O3，温度范围为100～35℃；所述淀积LaxHfyO介质层包括：采用ALD原子层沉积法在所述Al2O3介质覆层上交替淀积La2O3纳米层和HfO2纳米层；其中：所述淀积La2O3纳米层的反应前驱体为La(iPrCp)3，氧化剂前驱体为臭氧O3，温度范围为200～400℃；所述淀积HfO2纳米层的反应前驱体为La2O3，氧化剂前驱体为臭氧O3，温度范围为200～400℃。9.如权利要求1所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对Al2O3介质覆层、LaxHfyO介质层和Al2O3介质覆层构成的叠层结构进行退火包括：采用快速热退设备，并在氮气N2、氩气Ar或笑气N2O的环境下对所述叠层结构进行退火；其中：退火温度为800～1200℃，退火时间为10～6...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏经华，杨霏，李玲，刘瑞，吴昊，钮应喜，田红林，王嘉铭，李嘉琳，
申请(专利权)人：全球能源互联网研究院，国家电网公司，国网江苏省电力公司，
类型：发明
国别省市：北京,11