一种栅氧化层的制备方法及MOSFET功率器件技术

本发明专利技术提供了一种栅氧化层的制备方法及MOSFET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；对碳化硅外延片依次进行高温干氧氧化和磷气氛下退火，在光滑的钝化表面上形成栅氧化层。与现有技术相比，本发明专利技术提供的一种栅氧化层的制备方法及MOSFET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。

Preparation method of gate oxide and MOSFET power device

The present invention provides a method for preparing a gate oxide layer and a MOSFET power device. The preparation method includes sacrificial oxidation of a silicon carbide epitaxial piece with a first conductive type, a sacrificial oxidation layer on the upper surface of the epitaxial layer, corrosion of the sacrificial oxide layer, until the sacrifice of the epitaxial layer is completely removed. The upper surface of the epitaxial layer after the removal of the sacrificial oxide layer was treated by high temperature surface treatment to form a smooth passivation surface, and the silicon carbide epitaxial sheet was followed by high temperature dry oxygen oxidation and phosphorous atmosphere annealing in turn, and the gate oxide layer was formed on the smooth passivation surface. Compared with the existing technology, the invention provides a preparation method of the gate oxide layer and a MOSFET power device, which can reduce the interface defects caused by impurities and / or surface lattice defects at the SiC/SiO2 interface.

【技术实现步骤摘要】
一种栅氧化层的制备方法及MOSFET功率器件
本专利技术涉及半导体器件
，具体涉及一种栅氧化层的制备方法及MOSFET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MOSFET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MOSFET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。然而，碳化硅功率MOSFET器件中由于栅介质(SiO2)/沟道(SiC)的界面质量问题：SiO2/SiC界面处通常存在者高密度的界面态，导致碳化硅MOSFET功率器件的性能、稳定性和可靠性都受到不同程度的影响。通常认为，该问题的出现是由于氧化过程中产生的C的残余，而C残余通常以C悬挂键和C团簇的形式存在。因此，在氧化过程中，如何减少C残余的出现以及在氧化后如何使C悬挂键和C团簇消失或者钝化是提高SiO2/SiC界面质量和碳化硅MOSFET功率器件的性能、稳定性和可靠性的关键。200610126666.7号中国专利中公开了通过在氢气或潮湿气氛中进行退火处理，改善栅介质层和沟道区界面的悬挂键终端，提高沟道迁移率的方法，然而这种处理方法的不足之处是可能会造成栅极接触不必要的氧化。
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栅氧化层的制备方法及MOSFET功率器件。第一方面，本专利技术中一种栅氧化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；对所述碳化硅外延片依次进行高温干氧-湿氧-干氧氧化和氮化退火，在所述光滑的钝化表面上形成栅氧化层。第二方面，本专利技术中一种MOSFET功率器件的技术方案是：所述MOSFET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；栅氧化层，其设置在所述光滑的钝化表面上；其中：所述栅氧化层为对碳化硅外延片依次进行高温干氧-湿氧-干氧氧化和氮化退火之后形成的栅氧化层。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栅氧化层的制备方法，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；对碳化硅外延片进行高温干氧-湿氧-干氧氧化可以在碳化硅外延片上形成致密可靠的SiO2氧化膜；对碳化硅外延片进行磷气氛下退火可以有助于分解或者钝化因C残余形成的C悬挂键和C团簇，减少SiC/SiO2界面处的界面缺陷；2、本专利技术提供的一种MOSFET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；栅氧化层通过对碳化硅外延片依次进行高温干氧氧化，及磷气氛下退火之后形成的，高温干氧-湿氧-干氧氧化可以在碳化硅外延片上形成致密可靠的SiO2氧化膜，同时磷气氛下退火可以有助于分解或者钝化因C残余形成的C悬挂键和C团簇，减少SiC/SiO2界面处的界面缺陷。附图说明图1：本专利技术实施例中一种栅氧化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栅氧化层示意图；图7：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8：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9：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10：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11：本专利技术实施例中另一种碳化硅外延片的栅氧化层示意图；图12：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13：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14：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15：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16：本专利技术实施例中再一种碳化硅外延片的栅氧化层示意图；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；141：栅氧化层；201：n型碳化硅衬底；202：n型碳化硅外延层；203：n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；301：半绝缘碳化硅衬底；302：n型碳化硅外延层；310：n型碳化硅外延片；312：n型源极接触区；313：p型基极接触区；321：牺牲氧化层；331：钝化表面；341：栅氧化层。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面分别结合附图，对本专利技术实施例提供的一种栅氧化层的制备方法进行说明。本实施例中可以按照下述步骤制备栅氧化层，具体为：步骤S101：对具有第一导电类型的碳化硅外延片进行高温牺牲氧化，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种栅氧化层的制备方法，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；对所述碳化硅外延片依次进行高温干氧‑湿氧‑干氧氧化和氮化退火，在所述光滑的钝化表面上形成栅氧化层。

【技术特征摘要】
1.一种栅氧化层的制备方法，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；对所述碳化硅外延片依次进行高温干氧-湿氧-干氧氧化和氮化退火，在所述光滑的钝化表面上形成栅氧化层。2.如权利要求1所述的一种栅氧化层的制备方法，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所述的一种栅氧化层的制备方法，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所述的一种栅氧化层的制备方法，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所述的一种栅氧化层的制备方法，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所述的一种栅氧化层的制备方法，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所述的一种栅氧化层的制备方法，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所述的一种栅氧化层的制备方法，其特征在于，所述对碳化硅外延片进行高温干氧-湿氧-干氧氧化包括：采用箱式炉或管式炉依次对碳化硅外延片进行高温干氧氧化、高温湿氧氧化和高温干氧氧化；其中：所述高温干氧氧化和高温湿氧氧化的氧化时间之比为1：100～1：1；所述对碳化硅外延片进行高温干氧氧化包括：在氧气O2或笑气N2O环境下对碳化硅外延片进行高温干氧氧化；其中：所述高温干氧氧化的氧化温度为1200～1500℃，氧气O2和笑气N2O的纯度为5N～6N，氧气O2和笑气N2O的流量为0.1～10slm；所述对碳化硅外延片进行高温湿氧氧化包括：在水蒸气H2O环境下对碳化硅外延片进行高温湿氧氧化；其中：所述高温湿氧氧化的氧化温度为1200～1500℃，水蒸气H2O的纯度为5N～6N，水蒸气H2O的流量为0.1～10slm。9.如权利要求1所述的一种栅氧化层的制备方法，其特征在于，所述对高温干氧氧化后的碳化硅外延片进行氮化退火包括：采用箱式炉或管式炉在一氧化氮NO或笑气N2O环境下对碳化硅外延片进行退火；其中：所述一氧化氮NO和笑气N2O的纯度均为6N，流量为0.1～10slm；...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏经华，杨霏，李玲，焦倩倩，吴昊，李永平，田红林，张文婷，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