用氮和硼改善4H‑SiC MOSFET反型层迁移率的方法技术

本发明专利技术公开了用氮和硼改善4H‑SiC MOSFET反型层迁移率的方法，属于微电子技术领域。步骤如下：A、采用离子注入工艺将五价元素氮植入到4H‑SiC外延层表面；B、采用湿氧氧化工艺形成栅氧化层；C、采用扩散工艺将三价元素硼植入到外延层与氧化层的界面；扩散工艺的扩散温度为950℃，时间为1.5‑2.5小时，确保硼掺杂剂在热动力的驱使下能穿透栅氧化层到达4H‑SiC/SiO2界面；硼扩散工艺后，在惰性气体的保护下退火。该方法能大大减小4H‑SiC/SiO2的界面态密度、提高4H‑SiC MOSFET的反型层迁移率，同时稳定4H‑SiC MOSFET的阈值电压。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，涉及半导体器件，涉及减小4H-SiC/Si02W面态密 度、提高4H-SiC MOSFET反型层迀移率、稳定4H-SiC MOSFET阈值电压的方法。特别地，本 专利技术是采用引入五价元素和三价元素的方法来改善4H-SiC MOSFET反型层迀移率，具体的 是用氮和硼改善4H-SiC MOSFET反型层迀移率的方法。
技术介绍
长期以来，硅（Si)材料一直在半导体领域占据着主导地位，并应用于高温、高频 电路当中。但随着技术的进步和应用领域的扩展，在一些要求苛刻的领域如航空航天、军 工、石油勘探、核工业和通讯等，由于其超大功率、高温高频以及强辐射的环境条件，传统的 硅（Si)和砷化镓（GaAs)半导体材料出于自身结构和特性等原因，越来越显得"力不从心"。 相比于传统的半导体材料，4H碳化硅（4H-SiC)具有以下几个优势：⑴化学性质 稳定，可以通过热氧化生成优质的绝缘层；（2)电子饱和速度高，使得SiC器件的导通损耗 相当低；（3)热导率是Si的3倍，临界击穿电场是Si的10倍，不仅提高了器件的散热特性， 而且使得SiC器件的耐压容量、工作频率和电流密度都得到了较大提高。更为重要的是，在 第三代宽禁带半导体材料中，SiC是唯一能通过热氧化生长SiO 2绝缘层的半导体材料，且 形成的3102质量和在Si上形成的SiO2无任何差别，质地紧密且缺陷少，因而能和当今主流 的Si工艺线相兼容。这些特性使4H-SiC材料用于制造诸如MOSFET那样的功率器件来说 是Si的理想替代物，4H-SiC η沟道增强型MOSFET对于应用在高压、高频、高温环境下是非 常适合的。 目前，困扰4H-SiC MOSFET发展的一个突出问题是器件的反型层迀移率很低、导通 电阻很高，未经任何钝化处理的4H-SiC MOSFET的迀移率低于10cm2/V s，不到4H-SiC体 迀移率的1%。目前绝大多数观点认为这是由于在SiCVSiO2W面存在很高的缺陷密度造成 的，在器件工作过程中，缺陷捕获了大量的自由载流子，降低了器件的电流密度，并且，这些 被捕获的载流子作为库仑散射中心，进一步阻碍沟道载流子的运动，降低了器件的反型层 迀移率。因而在4H-SiC MOSFET的研究过程中，大量的努力和不同的实验方法被开发用来 降低SiCVSiO2界面态密度，以期取得好的器件特性。 在由 Sarit Dhar 等人于 2〇10 年在 IEEE Transactions on Electron Devices 上第 57 卷发表的《A Study on Pre-Oxidation Nitrogen Implantation for the Improvement of Channel Mobility in 4H_SiC MOSFETs》文章中，公开了通过在 P 型 4H-SiC衬底上采用氮离子注入减小SiC/Si02界面态密度、提高4H-SiC MOSFET反型层迀 移率的方法，并且指出随着SiCVSiO2界面氮浓度的增加，界面态密度减小，反型层迀移率增 加，其不足之处在于，器件的阈值电压不断减小、甚至出现负值的现象，这无法在实际应用 中使用，不具备实际使用价值，所以本领域的技术人员根本不会使用该技术生产器件。 在由 Dai Okamoto 等人于 2014 年在 IEEE Transactions on Electron Devices 上 第35卷发表的《Improved Channel Mobility in 4H_SiC MOSFETs by Boron Passivation》 (用硼钝化提高4H-SiC MOSFET反型层迀移率）文章中，公开了先使用干氧氧化技术生成 氧化层，然后在P型衬底上通过硼钝化工艺减小SiC/Si02界面态密度、提高4H-SiC MOSFET 反型层迀移率的方法，其不足之处在于，1)先使用干氧氧化技术形成的氧化层质地致密， 这会阻碍硼钝化工艺中硼扩散，延长硼扩散的时间；2)硼钝化的过程中也在形成氧化层， 相当于干氧氧化，进一步地阻碍硼扩散到4H-SiC/Si0 2界面，这会延长硼扩散的时间、影响 4H-SiC/Si02W面处的硼浓度，从而延长整个4H-SiC MOSFET的制作时间，导致器件生产效 率低。
技术实现思路
1.要解决的技术问题 针对现有技术中4H-SiC MOSFET器件的反型层迀移率低的问题，提出用氮和硼改 善4H-SiC MOSFET反型层迀移率的方法。该方法不但能够大幅提高4H-SiC MOSFET反型层 的迀移率，而且能够使器件的阈值电压也稳定在合适的范围之内。 2.技术方案 用氮和硼改善4H-SiC MOSFET反型层迀移率的方法，其步骤如下： A、采用离子注入工艺在4H-SiC晶片上形成4H-SiC MOSFET的漏极和源极的接触 区域； B、采用离子注入工艺将五价元素氮植入到4H_SiC外延层表面； C、利用1500°C高温的方式对注入的氮进行激活； D、采用湿氧氧化工艺形成氧化层； E、采用扩散工艺将三价元素硼植入到外延层与氧化层的界面； F、在4H_SiC晶片上镀上金属层，并采用剥离工艺形成金属电极，随后用快速退火 的方法形成性能良好的欧姆接触。 优选地，所述的离子注入工艺是在4H_SiC外延层表面进行的室温下多能量的离 子注入。 优选地，步骤C是在惰性气体的保护下进行1500°C高温退火，以此来激活注入的 氮离子。 优选地，高温激活后的氮离子在4H_SiC外延层中的形状呈高斯分布，峰值浓度范 围为2\10 19-1父102°〇113，深度范围为10-2011111。 优选地，步骤E中扩散工艺的扩散温度为950°C，时间为1. 5-2. 5小时，确保硼掺杂 剂在热动力的驱使下能穿透氧化层到达4H-SiC/Si02界面。 优选地，湿氧氧化的温度范围为930-970°C，氧化时间范围为1. 5-2小时，生长的 氧化层的厚度范围为38-45nm。 优选地，硼掺杂剂由氮化硼和三氧化二硼按照4:1的重量比例组成，经扩散后的 硼原子在4H-SiC/SiO#面的峰值浓度范围为2X 10 2°-6X 102°cm 3,在4H-SiC外延层中的 深度范围为10_20nm。 优选地，硼扩散工艺后，在惰性气体的保护下退火。 优选地，惰性气体为氩气。 3.有益效果 相比现有技术，本专利技术具有如下优点： 1)将氮离子植入到4H_SiC/Si02的界面，植入的氮，一方面，能钝化4H_SiC外延层 表面的悬挂键、减小界面态密度；另一方面，对于η沟道4H-SiC MOSFET的P型外延层而言， 注入的氮是反掺杂，能使器件工作时形成的反型层远离SiCVSiO2界面，降低由于SiC/SiO 2 粗糙界面对迀移率的影响，提高反型层的迀移率； 2)起反掺杂作用的氮，会减小η沟道增强型4H-SiC MOSFET的阈值电压，这不利于 器件的应用，引入的三价元素硼，能抵消由于引入的五价元素氮对4H-SiC MOSFET阈值电压 的影响，器件的阈值电压会稳定在合适的范围之内，因而器件能正常工作； 3)硼扩散，一方面提高了反型层的迀移当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
用氮和硼改善4H‑SiC MOSFET反型层迁移率的方法，其步骤如下：A、采用离子注入工艺在4H‑SiC晶片上形成4H‑SiC MOSFET的漏极和源极的接触区域；B、采用离子注入工艺将五价元素氮植入到4H‑SiC外延层(12)表面；C、利用1500℃高温的方式对注入的氮进行激活；D、采用湿氧氧化工艺形成氧化层(11)；E、采用扩散工艺将三价元素硼植入到外延层(12)与氧化层(11)的界面；F、在4H‑SiC晶片上镀上金属层，并采用剥离工艺形成金属电极，随后用快速退火的方法形成性能良好的欧姆接触。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周郁明，李勇杰，刘航志，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34