堆垛柵介質(zhì)層的SiC MOS電容及制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】八1203/1_33003/3丨02堆垛柵介質(zhì)層的SiC MOS電容及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種SiC MOS電容及其制造方法，尤其涉及一種Al203/LaSc03/Si0^垛柵介質(zhì)層的SiC MOS電容及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用對(duì)器件在高溫、高功率、高頻等條件下工作的性能要求越來(lái)越高，Si代表的第一代半導(dǎo)體材料和以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體材料在這些方面的應(yīng)用已出現(xiàn)瓶頸。碳化硅(SiC)材料，作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表之一，其禁帶寬度大、臨界擊穿電場(chǎng)高，且具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和速率及高的抗輻照等性能，成為制造高溫、高功率、高頻、及抗輻照器件的主要半導(dǎo)體材料之一，因此目前對(duì)于SiC材料、器件和工藝等方面的研宄成為微電子技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。
[0003]SiC材料可以通過(guò)熱氧化的方法在SiC襯底上直接生長(zhǎng)高質(zhì)量的3丨02介質(zhì)層，因此，Si02/SiC MOS器件成為目前SiC器件研宄及應(yīng)用的主要方向，比如SiC MOSFET, IGBT等。但是，Si02/SiC MOS器件目前存在以下缺點(diǎn):首先，與Si材料相比SiC表面通過(guò)干氧氧化形成3102的速度相當(dāng)?shù)穆?，增加了工藝成本，同時(shí)S12的厚度不能生長(zhǎng)得太厚。其次，SiC熱氧化后留下的大量C簇會(huì)增加氧化層及界面陷阱，使得Si02/SiC的界面陷阱密度通常比Si02/Si的界面陷阱密度高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，高的界面陷阱密度會(huì)大大降低載流子的迀移率，導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增大，功率損耗增加。目前，業(yè)界科研學(xué)者通過(guò)采用SiC表面氮化預(yù)處理，氮氧化物氧化，N源或H源退火處理等工藝和方法，Si02/SiC的界面質(zhì)量及整體特性有了一定的提升，不過(guò)與Si02/Si界面質(zhì)量相比任有不小的差距。
[0004]另外，對(duì)于Si02/SiC MOS 器件，根據(jù)高斯定理(kSiCESiC= k MideEMide)，當(dāng) SiC(k=9.6-10)達(dá)到其臨界擊穿電場(chǎng)(_3MV/cm)時(shí)，S12 (k = 3.9)介質(zhì)層中的電場(chǎng)將達(dá)到7.4-7.7MV/cm，如此高的電場(chǎng)將嚴(yán)重降低氧化層的可靠性。因此，采用高k材料代替5102作為柵介質(zhì)層，研宄高K材料在SiC MOS器件的應(yīng)用和研宄尤為重要。目前Al203、Hf02、AlN和ZrO2等高K材料在SiC MOS有了一定的研宄，不過(guò)高k介質(zhì)直接取代S1 2使得介質(zhì)與SiC襯底的界面態(tài)密度較大，氧化層陷阱密度和漏電流也較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提供了一種
[0006]么1203/1^5(:03/5102堆垛柵介質(zhì)層的SiCMOS電容及其制造方法，以降低界面態(tài)密度和邊界陷阱密度，增加MOS溝道迀移率，減小柵漏電流，并進(jìn)一步提高介質(zhì)層的耐壓能力，提高SiC MOS電容的質(zhì)量和增強(qiáng)其可靠性。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種Al203/LaSc03/Si02堆垛柵介質(zhì)層的SiCMOS電容，所述堆垛介質(zhì)層的SiC MOS電容包括:SiC襯底、SiC外延層、堆垛柵介質(zhì)層和正負(fù)電極；
[0008]所述SiC襯底上設(shè)有SiC外延層；
[0009]所述堆垛柵介質(zhì)層包括下層Sit)#渡層、LaScO3層和Al 203覆蓋層；所述3;[(:外延層上設(shè)有下層S12過(guò)渡層，所述下層S12過(guò)渡層上設(shè)有所述LaScOjl，所述LaScO3層上設(shè)有Al2O3覆蓋層；
[0010]所述正負(fù)電極分別與Al2O3覆蓋層的表面和SiC襯底的背面連接。
[0011]所述SiC襯底為重?fù)诫s的SiC襯底層，所述SiC外延層為輕摻雜的SiC外延層
[0012]進(jìn)一步的，所述SiC外延層厚度為5-100 μπι，摻雜濃度為IX 1015-5X 1016cm_3。
[0013]進(jìn)一步的，所述下層S12S渡層的厚度為l_30nm。
[0014]進(jìn)一步的，所述LaScO3層的厚度為5nm-100nmo
[0015]進(jìn)一步的，所述Al2O3覆蓋層的厚度為l-30nmo
[0016]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種么1203/1^5(:03/5102堆垛柵介質(zhì)層的SiCMOS電容的制造方法，所述方法包括:
[0017]步驟1，在SiC襯底上生長(zhǎng)厚度為5-100 μ m輕摻雜的SiC外延層，摻雜濃度為lX1015-5X1016cnT3
[0018]步驟2，將SiC襯底的上SiC外延層進(jìn)行清洗處理，接著在溫度為1175±5°C的條件下，10% N20:90%隊(duì)的混合氣體中生長(zhǎng)厚度為lnm-30nm的下層氮化S12過(guò)渡層；
[0019]步驟3，將所生長(zhǎng)的S12S渡層在Ar氣環(huán)境中快速退火處理和在Ar氣環(huán)境中冷卻處理；
[0020]步驟4，利用原子層淀積(ALD)的方法，在退火和冷卻處理后的下層S12S渡層上淀積一層厚度為5nm-100nm的1^5(:03層；
[0021]步驟5，利用原子層淀積的方法，在LaScO3層上淀積一層厚度為l_30nm的Al 203覆蓋層；
[0022]步驟6，利用磁控濺射的方法在Al2O3覆蓋層表面濺射金屬Ni作為正電極，在所述SiC襯底的背面濺射金屬Ni作為負(fù)電極，然后在N2氣環(huán)境中快速退火處理。
[0023]進(jìn)一步的，所述步驟3中在Ar氣環(huán)境中快速退火，具體為，退火溫度為1000±5°C，退火時(shí)間為5min，在Ar氣環(huán)境中退火。
[0024]進(jìn)一步的，所述步驟3中在Ar氣環(huán)境中冷卻，具體為，按照5°C /min的速率在Ar氣環(huán)境中冷卻。
[0025]進(jìn)一步的，所述步驟4中淀積一層厚度為5nm-100nm的LaSc(\g，具體為淀積溫度為200°C _400°C，淀積時(shí)間為20min-6h，淀積一層厚度為5nm_100nm的LaScOjl。
[0026]進(jìn)一步的，所述步驟5中淀積一層厚度為l_30nm的Al2O3覆蓋層，具體為淀積溫度為200°C _400°C，淀積時(shí)間為5min-2h，淀積一層厚度為l_30nm的Al2O3覆蓋層。
[0027]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0028]1、本發(fā)明采用的柵介質(zhì)材料LaScO3,其介電常數(shù)可以高達(dá)30左右，熱穩(wěn)定性好，結(jié)晶溫度在900°C以上，因而增加了柵介質(zhì)的臨界擊穿電場(chǎng)，提升了電容的擊穿特性，提高了器件可靠性。
[0029]2、本發(fā)明采用的下層S12S渡層增加了柵介質(zhì)與SiC襯底的勢(shì)皇高度，能大大降低SiC襯底中的電子經(jīng)柵介質(zhì)隧穿至柵電極的幾率，從而減小柵漏電流，提升了可靠性。同時(shí)，采用氮化工藝生長(zhǎng)的該S12S渡層，降低了柵介質(zhì)與SiC的界面態(tài)密度和邊界陷阱密度，增加了溝道迀移率，提高了器件性能。
[0030]3、本發(fā)明采用的Al2O3覆蓋層降低了 High k柵介質(zhì)中的陷阱電子隧穿至柵電極的幾率，并且，該Al2O3覆蓋層也降低了柵電極中電子隧穿至SiC襯底中的幾率。同時(shí)，Al 203覆蓋層能避免LaScO3因?yàn)槲鼭窈捅┞对诳諝庵蟹謩e形成低介電常數(shù)的碳?xì)浠衔锖吞妓猁}，從而減小柵漏電流，提高了 MOS電容的質(zhì)量和可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1是本發(fā)明么1203/1^5(:03/5丨02堆垛柵介質(zhì)層的SiC MOS電容的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2是本發(fā)明么1203/1^5(:03/5丨02堆垛柵介質(zhì)層的SiC MOS電容的制造流程圖。
[0033]圖3是本發(fā)明么1203/1^5(:03/5102堆垛柵介質(zhì)層的SiC MOS電容的制造方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0035]圖1為本發(fā)明么1203/1^5(:03/5丨02堆垛柵介質(zhì)層的SiC MOS電容的示意圖，如圖所示，本發(fā)明包括:SiC襯底1、SiC外延層10、堆垛柵介質(zhì)層2和正負(fù)電極3。
[0036]SiC襯底I上設(shè)有SiC外延層10 ；
[0037]堆垛柵介質(zhì)層2包括下層S12過(guò)渡層21、LaSc0 3層22和Al 203覆蓋層23 ；SiC外延層10上設(shè)有下層S12過(guò)渡層21，下層S1 2過(guò)渡層21上設(shè)有LaScO 3層22，LaScO 3層22上設(shè)有Al2O3覆蓋層23 ;
[0038]正電極31、負(fù)電極32分別與Al2O3覆蓋層23的表面和SiC襯底I的背面連接。
[0039]具體的，SiC襯底層為重?fù)诫sSiC襯底層，SiC外延層為輕摻的SiC外延層。
[0040]具體的，3扣外延層厚度為5-10(^111，摻雜濃度為1\1015-5\1016011-3。下層S12過(guò)渡層的厚度為l_30nm，1^5。03層的厚度為5nm-100nm，Al 203覆蓋層的厚度為l_30nmo
[0041]由下層S12S渡層、LaScO 3層和Al 203覆蓋層組成的柵介質(zhì)層是一個(gè)堆垛柵介質(zhì)層，以降低界面態(tài)密度和邊界陷阱密度，增加MOS溝道迀移率，減小柵漏電流，并進(jìn)一步提高介質(zhì)層的耐壓能力，提高M(jìn)OS的質(zhì)量和可靠性。
[0042]圖2為本發(fā)明么1203/1^5(:03/5102堆垛柵介質(zhì)層的SiC MOS電容的制造方法的流程圖，如圖所示，本發(fā)明包括如下步驟:
[0043]步驟1，在SiC襯底上生長(zhǎng)厚度為5-100 μ m輕摻雜的SiC外延層，摻雜濃度為lX1015-5X1016cnT3
[0044]步驟2，將SiC襯底的上SiC外延層進(jìn)行清洗處理，接著在溫度為1175±5°C的條件下，10% N20:90%隊(duì)的混合氣體中生長(zhǎng)厚度為lnm-30nm的下層氮化S12過(guò)渡層；
[0045]步驟3，將所生長(zhǎng)的下層S12S渡層在Ar氣環(huán)境中快速退火處理和在Ar氣環(huán)境中冷卻處理；
[0046]步驟4，利用原子層淀積(ALD)的方法，在退火和冷卻處理后的下層S12S渡層上淀積一層厚度為5nm-100nm的1^5(:03層；
[0047]步驟5，利用原子層淀積的方法，在LaScO3層上淀積一層厚度為l_30nm的Al 203覆蓋層；
[0048]步驟6，利用磁控濺射的方法在Al2O3覆蓋層表面濺射金屬Ni作為正電極，在所述SiC襯底的背面濺射金屬Ni作為負(fù)電極，然后在N2氣環(huán)境中快速退火處理。
[0049]本發(fā)明么1203/1^5(:03/5102堆垛柵介質(zhì)層的SiC MOS電容的制造方法的實(shí)施示例I包括如下步驟:
[0050]步驟101，在N型重?fù)诫sSiC襯底上生長(zhǎng)N型輕摻雜的SiC外延層。
[0051 ] 將厚度為380 μ m，摻雜濃度為5 X 1018cm_3的N型SiC襯底置于SiC外延生長(zhǎng)爐中，在溫度1570°C條件下，生長(zhǎng)一層厚度為8 μ m，摻雜濃度為3 X 115CnT3的N型SiC外延層。
[0052]步驟102，對(duì)所生長(zhǎng)的N型SiC外延層進(jìn)行預(yù)處理。
[0053]102.1，用去離子水對(duì)N型SiC外延層進(jìn)行超聲清洗；
[0054]102.2，用濃度為80%硫酸對(duì)外延層延片進(jìn)行清洗，煮1min后，浸泡30min ；
[0055]102.3，用去離子水清洗SiC外延層數(shù)遍；
[0056]102.4，用比例為5:1:1的H20、H2O2及鹽酸組成的混合液，將SiC外延片在溫度為80°C的混合液中浸泡5min，用HF (氫氟酸)溶液清洗，再用去離子水清洗數(shù)遍，最后用紅外燈烘干。
[0057]步驟103，在SiC外延層上生長(zhǎng)氮化S12S渡層。
[0058]將預(yù)處理后的N型SiC外延片置于氧化爐中，在溫度為1175±5°C的條件下，10%N20:90%隊(duì)的混合氣體中生長(zhǎng)厚度為6nm的下層氮化S1 2過(guò)渡層；
[0059]步驟104，對(duì)所生長(zhǎng)的S12S渡層進(jìn)行退火和冷卻處理。
[0060]104.1，將生長(zhǎng)了 S12S渡層的SiC外延片置于Ar氣環(huán)境中退火，退火溫度為1000±5°C，退火時(shí)間為5min ；
[0061]104.2，將退火后的生長(zhǎng)了 S12S渡層的SiC外延片置于Ar氣環(huán)境中退火，冷卻速率 5°C /min ；
[0062]步驟1