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/SiO

To improve the method of 4H SiC MOSFET inversion layer mobility with nitrogen and boron

The invention discloses a method for improving nitrogen and boron 4H SiC MOSFET inversion layer mobility, which belongs to the technical field of microelectronics. The steps are as follows: A, using ion implantation technology pentavalence nitrogen implanted into the 4H SiC epitaxial layer surface; B, the wet oxidation process of forming a gate oxide layer; C, the diffusion process of trivalent boron implanted into the epitaxial layer and the oxide layer interface; diffusion diffusion process temperature is 950 DEG C, time 1.5 2.5 hours, to ensure that the boron doping agent in the drive thermal power can penetrate the gate oxide layer at 4H SiC/SiO2 interface; boron diffusion process after annealing under the protection of inert gas. This method can greatly reduce the 4H SiC/SiO2 interface state density, improve the anti type 4H SiC MOSFET layer mobility, threshold voltage and stability of 4H SiC MOSFET.

【技术实现步骤摘要】
用氮和硼改善4H-SiCMOSFET反型层迁移率的方法母案申请号：申请号：2015106288411，申请日：2015年9月28日，专利名称：用氮和硼改善4H-SiCMOSFET反型层迁移率的方法，申请人：安徽工业大学。
本专利技术属于微电子
，涉及半导体器件，涉及减小4H-SiC/SiO2界面态密度、提高4H-SiCMOSFET反型层迁移率、稳定4H-SiCMOSFET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-SiCMOSFET反型层迁移率，具体的是用氮和硼改善4H-SiCMOSFET反型层迁移率的方法。
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：(1)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SiO2绝缘层的半导体材料，且形成的SiO2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-SiCn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-SiCMOSFET发展的一个突出问题是器件的反型层迁移率很低、导通电阻很高，未经任何钝化处理的4H-SiCMOSFET的迁移率低于10cm2/Vs，不到4H-SiC体迁移率的1％。目前绝大多数观点认为这是由于在SiC/SiO2界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迁移率。因而在4H-SiCMOSFET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SiC/SiO2界面态密度，以期取得好的器件特性。在由SaritDhar等人于2010年在IEEETransactionsonElectronDevices上第57卷发表的《AStudyonPre-OxidationNitrogenImplantationfortheImprovementofChannelMobilityin4H-SiCMOSFETs》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/SiO2界面态密度、提高4H-SiCMOSFET反型层迁移率的方法，并且指出随着SiC/SiO2界面氮浓度的增加，界面态密度减小，反型层迁移率增加，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DaiOkamoto等人于2014年在IEEETransactionsonElectronDevices上第35卷发表的《ImprovedChannelMobilityin4H-SiCMOSFETsbyBoronPassivation》(用硼钝化提高4H-SiCMOSFET反型层迁移率)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/SiO2界面态密度、提高4H-SiCMOSFET反型层迁移率的方法，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/SiO2界面，这会延长硼扩散的时间、影响4H-SiC/SiO2界面处的硼浓度，从而延长整个4H-SiCMOSFET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-SiCMOSFET器件的反型层迁移率低的问题，提出用氮和硼改善4H-SiCMOSFET反型层迁移率的方法。该方法不但能够大幅提高4H-SiCMOSFET反型层的迁移率，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-SiCMOSFET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-SiCMOSFET的漏极和源极的接触区域；所述的4H-SiCMOSFET为DiMOS结构；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℃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℃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2×1019-1×1020cm-3，深度范围为10-20nm。优选地，步骤E中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氧化层到达4H-SiC/SiO2界面。优选地，湿氧氧化的温度范围为930-970℃，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/SiO2界面的峰值浓度范围为2×1020-6×1020cm-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/SiO2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n沟道4H-SiCMOSFET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SiC/SiO2界面，降低由于SiC/SiO2粗糙界面对迁移率的影响，提高反型层的迁移率；2)起反掺杂作用的氮，会减小n沟道增强型4H-SiCMOSFET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-SiCMOSFET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迁移率，减小界面态密度；另一方面硼扩散工艺中的高温，相当于对湿氧氧化层进行退火处理，能部分消除湿氧条件下引入的各种电本文档来自技高网...

【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；所述的4H‑SiC MOSFET为DiMOS结构；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】
1.用氮和硼改善4H-SiCMOSFET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-SiCMOSFET的漏极和源极的接触区域；所述的4H-SiCMOSFET为DiMOS结构；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。2.根据权利要求1所述的用氮和硼改善4H-SiCMOSFET反型层迁移率的方法，其特征在于，所述的离子注入工艺是在4H-SiC外延层(12)表面进行的室温下多能量的离子注入。3.根据权利要求1所述的用氮和硼改善4H-SiCMOSFET反型层迁移率的方法，其特征在于，步骤C是在惰性气体的保护下进行1500℃高温退火，以此来激活注入的氮离子。4.根据权利要求3所述的用氮和硼改善4H-SiCMOSFET反型层迁移率的方法，其特征在于，高温激活后的氮离子在4H-SiC外延层(12)中的形状呈高斯分布，峰值浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兵，卢琨，陈鹏，章家岩，冯旭刚，周郁明，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34