本發(fā)明涉及一種介質(zhì)層薄膜，尤其是涉及一種用于sic基mos器件的柵介質(zhì)薄膜的設(shè)計(jì)及其制造工藝。

背景技術(shù)：

碳化硅(sic)是一種優(yōu)異性能的寬禁帶半導(dǎo)體，不但具有禁帶寬、熱導(dǎo)率高、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、飽和電子漂移速率高等特點(diǎn)，而且還具有極好的物理及化學(xué)穩(wěn)定性、極強(qiáng)的抗輻照能力和機(jī)械強(qiáng)度等。因此，sic可用于研制高溫、大功率、高頻功率器件。

盡管如此，sic基mos功率器件在柵介質(zhì)層的可靠性、電子遷移率等方面遇到了較大挑戰(zhàn)，其中主要的原因是，熱氧化sic襯底而形成的sio2層與sic襯底之間有較多的界面態(tài)，界面態(tài)對(duì)載流子的散射導(dǎo)致mos器件溝道的載流子遷移率比sic體材料低一個(gè)數(shù)量級(jí)，這就需要尋找新的方法生長(zhǎng)sio2薄膜，以降低界面態(tài)密度，提高4h-sic基mosfet器件的電子遷移率及可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于，針對(duì)目前sic基mos器件的柵介質(zhì)層存在界面態(tài)密度高和載流子遷移率低等缺點(diǎn)，提供一種主要用于sic基mos器件的降低sio2/sic界面態(tài)密度的sio2薄膜及其制備方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是從界面態(tài)密度和穩(wěn)定性等方面綜合考慮，選用sixny(x、y為化學(xué)計(jì)量比)和sio2兩種材料組合形成柵介質(zhì)薄膜，以提高sic基mos器件的溝道載流子遷移率和可靠性。

本發(fā)明所述的用于sic基mos器件的柵介質(zhì)層薄膜設(shè)有n型4h-sic襯底，在n型4h-sic襯底上從下到上依次生長(zhǎng)以下兩種柵氧薄膜組合：(1)sixny/sio2和(2)sio2，以降低界面態(tài)密度，提高sic基mos器件的溝道載流子遷移率、抗擊穿能力和穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種制備sic基mos器件柵介質(zhì)薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟：

a.對(duì)sic襯底進(jìn)行清洗；

b.通過(guò)化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積在所述sic襯底上沉積si薄膜；

c.通過(guò)低溫氧化和/或氧氣退火的方法，將所述si薄膜氧化為sio2薄膜；

d.對(duì)通過(guò)所述b和c步驟生成的sio2柵介質(zhì)層進(jìn)行退火并冷卻；

e.在所述sio2柵介質(zhì)層濺射或蒸鍍金屬電極，形成mos器件結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明還提供另外一種制備sic基mos器件柵介質(zhì)薄膜的方法，其特征在于，包括以下步驟：

a.對(duì)sic襯底進(jìn)行清洗；

b.通過(guò)化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積在所述sic襯底上沉積sixny薄膜；

c.通過(guò)化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積在所述sixny薄膜上沉積si薄膜；

d.通過(guò)低溫氧化和/或氧氣退火的方法，將所述si薄膜氧化為sio2薄膜；

e.對(duì)通過(guò)所述b～d步驟生成的sixny/sio2柵介質(zhì)層進(jìn)行退火并冷卻；

f.在所述sixny/sio2柵介質(zhì)層濺射或蒸鍍金屬電極，形成mos器件結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選生成的sixny薄膜的厚度范圍為1～10nm。

優(yōu)選氣相沉積sixny薄膜的工藝溫度范圍為500℃～1000℃。

優(yōu)選生成的si薄膜的厚度范圍為1～50nm。

優(yōu)選低溫氧化和氧氣退火的工藝溫度范圍為500℃～1000℃，生成的sio2薄膜的厚度范圍為1～100nm。

優(yōu)選退火并冷卻工藝中的退火為氧化氮和/或氬氣退火，退火的工藝溫度范圍為500℃～1400℃。

本發(fā)明中sixny/sio2和sio2兩種柵介質(zhì)層的有益效果如下：

(1)通過(guò)sixny在sic表面鈍化，可以減少sio2/sic界面的c團(tuán)簇和懸掛鍵，進(jìn)而可以降低sic基mosfet器件介質(zhì)層與碳化硅間的界面態(tài)密度，從而降低對(duì)載流子輸運(yùn)的散射，提高載流子遷移率。

(2)由于si在500℃-1000℃范圍內(nèi)即可氧化形成sio2，與sic熱氧化的溫度相比較低，因此在較低溫度下氧化si生長(zhǎng)的sio2薄膜可以抑制sio2/sic的界面態(tài)形成，從而降低對(duì)載流子輸運(yùn)的散射，提高載流子遷移率。

附圖說(shuō)明

圖1(a)是本發(fā)明的sixny/sio2和sio2兩種介質(zhì)層薄膜生長(zhǎng)與mos器件制備過(guò)程的流程圖。

圖1(b)是本發(fā)明的sixny/sio2和sio2兩種介質(zhì)層薄膜生長(zhǎng)與mos器件制備過(guò)程的示意圖。

圖2是實(shí)施例一涉及的制備sic基mos器件柵介質(zhì)薄膜的方法的流程圖。

圖3是實(shí)施例二涉及的制備sic基mos器件柵介質(zhì)薄膜的方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

圖1(a)是本發(fā)明的sixny/sio2和sio2兩種介質(zhì)層薄膜生長(zhǎng)與mos器件制備過(guò)程的流程圖。圖1(b)是本發(fā)明的sixny/sio2和sio2兩種介質(zhì)層薄膜生長(zhǎng)與mos器件制備過(guò)程的示意圖。以下參照?qǐng)D1(a)和圖1(b)詳細(xì)說(shuō)明。

(1)清洗sic襯底。

a.依次用甲苯、丙酮和乙醇超聲清洗至少一遍，再用去離子水沖洗。

b.將沖洗后的襯底放入氫氟酸內(nèi)浸泡至少1min。

c.將浸泡氫氟酸后的襯底放入濃硫酸煮至少10min。

d.將煮過(guò)濃硫酸的襯底依次用一號(hào)液和二號(hào)液煮至少5min，再用去離子水沖洗干凈后用氮?dú)獯蹈纱?。一?hào)液為氨水、過(guò)氧化氫和去離子水的混合液，按體積比氨水︰過(guò)氧化氫︰去離子水＝1︰2︰5，二號(hào)液為鹽酸、過(guò)氧化氫和去離子水的混合液，按體積比鹽酸︰過(guò)氧化氫︰去離子水＝1︰2︰5。

(2)利用化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積將sixny薄膜11生長(zhǎng)到清洗后的sic襯底10上。sixny薄膜的厚度范圍為1～10nm，氣相沉積sixny薄膜的工藝溫度范圍為：500℃～1000℃。

也可以不進(jìn)行此步驟，直接進(jìn)行以下步驟(3),即不沉積sixny薄膜，直接在sic襯底10上沉積si薄膜。

(3)通過(guò)化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積在sixny薄膜11上(或直接在sic襯底10上)沉積一層si薄膜11’。si薄膜的厚度范圍為1～50nm。

(4)通過(guò)低溫氧化和/或氧氣退火的方法，將si薄膜氧化為sio2薄膜12。sio2薄膜的厚度范圍為1～100nm，低溫氧化和/或氧氣退火的工藝溫度范圍為500℃～1000℃。

通過(guò)步驟(3)和(4)完成sixny/sio2和sio2兩種柵介質(zhì)層的生長(zhǎng)。

(5)對(duì)所述兩種柵介質(zhì)層進(jìn)行氧化氮和/或氬氣退火然后冷卻。氧化氮和/或氬氣退火的工藝溫度范圍為500℃～1400℃。

(6)在所述兩種柵介質(zhì)層濺射或蒸鍍金屬電極13，形成mos器件結(jié)構(gòu)。

sixny/sio2和sio2兩種柵介質(zhì)層的作用分別如下：sixny作為底層薄膜在襯底sic上淀積是因?yàn)閟ixny層可以有效去除sic表面的懸掛鍵，可以有效降低界面態(tài)密度。sixny層的生長(zhǎng)一是考慮sic在空氣中容易氧化成siox薄膜，通過(guò)生長(zhǎng)sixny薄膜可以起到預(yù)先鈍化的作用，避免siox薄膜的形成；二是考慮sic與sio2之間在高溫下容易出現(xiàn)相互反應(yīng)生成si-o-c薄膜，通過(guò)生長(zhǎng)sixny薄膜可以起到隔離的作用。這樣既保證了介質(zhì)層與sic界面態(tài)的降低，又保證了器件柵介質(zhì)層的穩(wěn)定性。sio2層具有高穩(wěn)定性，又起到了抗輻射和抗玷污的作用，同時(shí)，由于它具有硬度大和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因此將其作為柵介質(zhì)層的外層，起到了至關(guān)重要的作用。

以下為具體的實(shí)施例。

實(shí)施例一

圖2是實(shí)施例一涉及的制備sic基mos器件柵介質(zhì)薄膜的方法的流程圖，本實(shí)施例涉及的是sixny/sio2柵介質(zhì)層。

首先，執(zhí)行s101步驟，清洗sic襯底。本實(shí)施例中采用4h-sic襯底樣品，對(duì)該4h-sic襯底樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗。

a.依次用甲苯、丙酮和乙醇超聲清洗三遍，再用去離子水沖洗。

b.將沖洗后的襯底放入稀釋的氫氟酸(按體積比氟化氫:去離子水＝1:3)內(nèi)浸泡1min。

c.將浸泡氫氟酸后的襯底放入濃硫酸煮10min。

d.將煮過(guò)濃硫酸的襯底依次用一號(hào)液和二號(hào)液煮15min，再用去離子水沖洗干凈后用氮?dú)獯蹈纱?。一?hào)液為氨水、過(guò)氧化氫和去離子水的混合液，按體積比氨水︰過(guò)氧化氫︰去離子水＝1︰2︰5，二號(hào)液為鹽酸、過(guò)氧化氫和去離子水的混合液，按體積比鹽酸︰過(guò)氧化氫︰去離子水＝1︰2︰5。

接著，執(zhí)行s102步驟，利用化學(xué)氣相沉積將sixny薄膜生長(zhǎng)到清洗后的sic襯底上，生長(zhǎng)的sixny薄膜的厚度為10nm。

然后，執(zhí)行s103步驟，通過(guò)化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積在sixny薄膜上沉積一層si薄膜，si薄膜的厚度為25nm。

然后，執(zhí)行s104步驟，通過(guò)低溫氧化的方法，將si薄膜氧化為sio2薄膜。這里，低溫氧化的工藝溫度為900℃，sio2薄膜的厚度為50nm。

通過(guò)以上的步驟s103和s104完成sixny/sio2柵介質(zhì)層的生長(zhǎng)。

然后，執(zhí)行s105步驟，對(duì)以上的sixny/sio2柵介質(zhì)層進(jìn)行氧化氮退火然后冷卻。氧化氮退火的工藝溫度為1200℃。

最后，執(zhí)行s106步驟，在sixny/sio2柵介質(zhì)層濺射或蒸鍍金屬電極，形成mos器件結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例二

圖3是實(shí)施例二涉及的制備sic基mos器件柵介質(zhì)薄膜的方法的流程圖，本實(shí)施例涉及的是sio2柵介質(zhì)層。

首先，執(zhí)行s201步驟，清洗sic襯底。本實(shí)施例中采用4h-sic襯底樣品，對(duì)該4h-sic襯底樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)清洗。

a.依次用甲苯、丙酮和乙醇超聲清洗三遍，再用去離子水沖洗。

b.將沖洗后的襯底放入稀釋的氫氟酸(按體積比氟化氫:去離子水＝1:3)內(nèi)浸泡1min。

c.將浸泡氫氟酸后的襯底放入濃硫酸煮10min。

d.將煮過(guò)濃硫酸的襯底依次用一號(hào)液和二號(hào)液煮15min，再用去離子水沖洗干凈后用氮?dú)獯蹈纱?。一?hào)液為氨水、過(guò)氧化氫和去離子水的混合液，按體積比氨水︰過(guò)氧化氫︰去離子水＝1︰2︰5，二號(hào)液為鹽酸、過(guò)氧化氫和去離子水的混合液，按體積比鹽酸︰過(guò)氧化氫︰去離子水＝1︰2︰5。

接著，執(zhí)行s202步驟，通過(guò)化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積在sic襯底上沉積一層si薄膜。si薄膜的厚度為25nm。

然后，執(zhí)行s203步驟，通過(guò)低溫氧化的方法，將si薄膜氧化為sio2薄膜。這里，低溫氧化的工藝溫度為900℃，sio2薄膜的厚度為50nm。

通過(guò)以上的步驟s202和s203完成sio2柵介質(zhì)層的生長(zhǎng)。

然后，執(zhí)行s204步驟，對(duì)以上的sio2柵介質(zhì)層進(jìn)行氧化氮退火然后冷卻。氧化氮退火的工藝溫度為1200℃。

最后，執(zhí)行s205步驟，在sio2柵介質(zhì)層濺射或蒸鍍金屬電極，形成mos器件結(jié)構(gòu)。

以上記載了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是本發(fā)明的精神和范圍不限于這里所公開(kāi)的具體內(nèi)容。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)而做出更多的實(shí)施方式和應(yīng)用，這些實(shí)施方式和應(yīng)用都在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。本發(fā)明的精神和范圍不由具體實(shí)施例來(lái)限定，而由權(quán)利要求來(lái)限定。