一种用于碳化硅衬底表面制备氧化层的方法技术

本公开属于半导体材料领域技术领域的一种用于碳化硅衬底表面制备氧化层的方法

【技术实现步骤摘要】
一种用于碳化硅衬底表面制备氧化层的方法


[0001]本公开属于半导体材料
，尤其涉及一种用于碳化硅衬底表面制备氧化层的方法
。

技术介绍

[0002]功率电子器件已经朝着更高效率，更高功率密度的高质量发展的方向推进
。
硅基功率器件如
600V
以下的硅基场效应晶体管仍主导着整个市场
。
然而硅基功率器件已逐渐接近性能极限，如硅基
IGBT
器件的阻塞电压小于
6.5kV
并且实际运行温度低于
175
摄氏度
。
碳化硅是
IV
–
IV
族化合物具有独特的物理化学特性
。
碳化硅作为第三代半导体，相较于硅而言具有更宽的带隙，更高的热导率，更强大的击穿电场以及由于其是
IV
–
IV
族化合物具有高的化学稳定性
。
[0003]以碳化硅功率器件如
MOSFET
需在其表面生长一层高质量的二氧化硅氧化层
。
在碳化硅基底表面形成二氧化硅氧化层的化学方程式表述为
SiC+2O2＝
SiO2+CO2。
目前在常见的氧化方式包括干氧氧化，湿氧氧化和氧等离子体氧化
。
干氧氧化法是利用干燥的氧气作为气氛，生长二氧化硅氧化层的过程中，由于导致碳化硅单晶在生长过程中不稳定，容易产生大量的氧空位，进而造成孪晶
、
镶嵌结构/>、
螺旋位错等缺陷
。
湿氧氧化法相较于干氧氧化具有更快的氧化速率，其利用的氧化气氛是纯净的氧气结合纯净的水汽，但所生长出的氧化层薄膜结构不固定，容易引入在表面氧化层引入杂质
。
氧等离子体氧化通常是利用高频电场使得氧气分子电离，将所形成的氧离子加速注入碳化硅表面进行氧化反应
。
但单纯利用氧等离子体形成氧化层所需的生长环境较为苛刻，成本难以控制
。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本公开提出了一种用于碳化硅衬底表面制备氧化层的方法，包括以下步骤：
[0005]1)
准备碳化硅衬底材料；优选为碳化硅基片；
[0006]2)
将碳化硅衬底材料进行洁净处理；
[0007]3)
采用氧等离子体刻蚀机，利用氧气首次轰击碳化硅衬底材料表面；利用等离子体首次轰击碳化硅会致使表面层的化学键破裂，使其表面更易与氧气进行反应进而提高表面氧化致密度；
[0008]4)
干氧氧化；优选在高温管式炉中进行；
[0009]5)
采用氧等离子体刻蚀机，利用氧气二次轰击碳化硅衬底材料表面形成的二氧化硅层，进而填充干氧氧化形成的氧空位，形成密度更大氧化层，完成后处理过程，即得
。
[0010]在一些优选地实施方案中，所述步骤
3)
中，首次轰击的氧等离子体功率强度为5‑
100W
；优选为5～
15W
；更优选为
10W
；时间为
10s
‑
200s。
[0011]在一些优选地实施方案中，所述步骤
5)
中，二次轰击的氧等离子体功率强度为
10
‑
100W
；优选为
10
～
50W
；更优选为
30W
；时间为
30
‑
200s。
[0037]如图1和图2所示，一种用于碳化硅衬底表面制备氧化层的方法，包括以下步骤：
[0038]1)
准备碳化硅基片作为碳化硅衬底材料；其中，碳化硅衬底材料采用
N
型掺杂的
4H
‑
碳化硅基片，表面晶向为
<0001>
，电阻率范围从
0.015ohm*cm
到
0.028ohm*cm
，直径约
100mm
，厚度约
350
μ
m。
[0039]2)
将碳化硅衬底材料进行洁净处理；具体步骤包括：
[0040]碳化硅衬底材料依次至于分析级丙酮
、99.5
％无水乙醇
、
去离子水中超声；超声频率为
40
赫兹；采用每种溶剂各超声为
5min
；超声温度控制在
27℃。
[0041]3)
采用氧等离子体刻蚀机，氧等离子体功率强度为
10W
，利用氧气首次轰击碳化硅衬底材料表面；
[0042]4)
干氧氧化过程如下：
[0043]a)
将步骤
3)
得到的碳化硅衬底材料置于高温管式炉中；
[0044]b)
洗气：通入氮气进行洗气3次，以排除残余气体的影响；
[0045]c)
升温：控制升温速率为
5℃/min
，加热到
1050℃
；
[0046]d)
氧化：通入氧气进行氧化，氧化时间为3小时，氧化完成后，停止通入氧气；
[0047]e)
二次升温：控制升温速率为
5℃/min
，二次升温到
1100℃
；
[0048]f)
退火：通入氧气，退火
0.5h
；
[0049]g)
降温：控制降温速率为
5℃/min
，降到室温
25℃
，取样
。
[0050]5)
采用氧等离子体刻蚀机，控制二次轰击的氧等离子体功率强度为
30W
，利用氧气二次轰击碳化硅衬底材料表面，即得
。
[0051]6)X
射线能谱仪
(EDS)
是扫描电镜中的重要组成部分，它的主要作用是能够实现样品选定微区中元素信息的快速分析
。
从
EDS
能谱图中能够直观看到主要的其样品表面厚度所含不同元素的定量比
。
我们将所得到的氧化后的碳化硅基片进行
EDS
图谱表征，如图3所示
。
从该图中可以看到表面所有的
Si
‑
C
键已全部被打开因而都与氧气发生氧化，碳含量为0而表面的氧元素含量高达
42.5
％
。
[0052]7)
为了进一步确认氧等离子体后处理过程能够使干氧氧化的氧空位减少，提高其氧化致密度，我们将所得到的氧化后的碳化硅基片进行电容测试，如图4所示
。
从图4中可以明显看出干氧氧化后的电容相较于仅有干氧氧化的有明显提升，佐证了我们把氧等离子体后处理作为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于碳化硅衬底表面制备氧化层的方法，包括以下步骤：
1)
准备碳化硅衬底材料；
2)
将碳化硅衬底材料进行洁净处理；
3)
采用氧等离子体刻蚀机，利用氧气首次轰击碳化硅衬底材料表面；
4)
干氧氧化；将步骤
3)
得到的碳化硅衬底在高温管式炉中进行氧化，得到二氧化硅层；
5)
采用氧等离子体刻蚀机，利用氧气二次轰击碳化硅衬底材料表面形成的二氧化硅层，进而填充干氧氧化形成的氧空位，形成氧化层，完成后处理过程，即得
。2.
根据权利要求1所述的一种用于碳化硅衬底表面制备氧化层的方法，其中，所述步骤
3)
中，首次轰击的氧等离子体功率强度为5‑
100W
；时间为
10s
‑
200s。3.
根据权利要求1或2所述的一种用于碳化硅衬底表面制备氧化层的方法，其中，所述步骤
3)
中，首次轰击的氧等离子体功率强度为5～
15W
；优选为
10W
；时间为
10s
‑
200s。4.
根据权利要求1所述的一种用于碳化硅衬底表面制备氧化层的方法，其中，所述步骤
5)
中，二次轰击的氧等离子体功率强度为
10
‑
100W
；优选为
10
～
50W
；更优选为
30W
；时间为
30
‑
200s。5.
根据权利要求1或4所述的一种用于碳化硅衬底表面制备氧化层的方法，其中，所述步骤
5)
中，二次轰击的氧等离子体功率强度为
10
～
50W
；优选为
30W
；时间为
30
‑
200s。6.
根据权利要求1所述的一种用于碳化硅衬底表面制备氧化层的方法，其中，所述步骤
4)
干氧氧化过程如下：
a)
将步骤
3)
得到的碳化硅衬底材料置于高温管式炉中；
b)
洗气：通入惰性气体排除残余气体；
c)
升温：加热到
950
‑
11...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘学，倪凯鹏，李培刚，周利，曹子怡，田然，
申请(专利权)人：合肥安芯睿创半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：