專利名稱：碳化硅半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用碳化硅半導(dǎo)體襯底形成為諸如MOSFET(絕緣柵金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、雙極晶體管或二級(jí)管等器件的碳化硅半導(dǎo)體器件，以及該器件的制造方法。
背景技術(shù)：
據(jù)報(bào)導(dǎo)，利用碳化硅(SiC)半導(dǎo)體襯底制造的高擊穿電壓功率器件具有顯著降低該器件的導(dǎo)通電阻的可能性。在最近幾年中，在1.2至1.7kV級(jí)別的SiC的MOSFET中獲得了小于10mΩcm2的低導(dǎo)通電阻。這低于相同擊穿電壓級(jí)別的硅(Si)的IGBT的導(dǎo)通電阻。然而，目前，盡管可降低導(dǎo)通電阻，但僅可降低到仍不充分的程度，并具有進(jìn)一步降低的可能性。下文中實(shí)現(xiàn)的與諸如Si的IGBT和Si的MOSFET等器件相比進(jìn)一步減小的成本和降低的導(dǎo)通電阻可允許期望作為部分反相器的大部分Si的IGBT由SiC的MOSFET取代的充分可能性。
利用SiC半導(dǎo)體襯底可顯著減小器件的導(dǎo)通電阻的原因如下。即，SiC半導(dǎo)體襯底的高絕緣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度允許將高電阻漂移層設(shè)置為較薄或者使漂移層中的摻雜量較高以實(shí)現(xiàn)同一高擊穿電壓。與Si半導(dǎo)體襯底(下文中有時(shí)被縮寫以簡(jiǎn)稱為Si)的漂移層電阻相比，這可將SiC半導(dǎo)體襯底的漂移層的電阻降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)或更多。
然而，在利用SiC襯底的MOS器件中，在構(gòu)成其導(dǎo)通電阻的電阻部件中，漂移層的電阻部件具有的比率由于之前解釋的原因而變得相對(duì)較小。因此，其它部件，即控制電流轉(zhuǎn)換的MOS溝道區(qū)的電阻部件(稱為溝道電阻)、高雜質(zhì)濃度半導(dǎo)體襯底的電阻部件、以及其它的甚至是與電極的接觸電阻的部件的比率相反變得具有不可忽略的大小。具體地，由于目前SiO2/SiC界面(“a/b界面”的表達(dá)方法表示在a和b之間的界面。下文同樣適用)處的狀態(tài)不如SiO2/Si界面處的狀態(tài)良好，因此與在SiO2/Si界面處的MOS溝道遷移率相比，在SiO2/SiC界面處的MOS溝道遷移率易于變小一個(gè)數(shù)量級(jí)(SiO2的符號(hào)僅表示SiO2層、SiO2膜和SiO2材料中的任一種。下文同樣適用)。結(jié)果，SiC半導(dǎo)體襯底的溝道電阻通常變得大于Si半導(dǎo)體襯底的溝道電阻，導(dǎo)致溝道電阻與總導(dǎo)通電阻之比進(jìn)一步變大以至于很顯著。實(shí)際上，在目前報(bào)導(dǎo)的許多SiC的MOSFET中，導(dǎo)通電阻的30％至50％的部分由溝道電阻部件占據(jù)。因此，在SiC的MOSFET中，在降低導(dǎo)通電阻方面，溝道電阻的降低成為比Si的MOSFET中的溝道電阻降低更重要的問題。
使SiO2/SiC界面處的MOS溝道遷移率小于在SiO2/Si界面處的MOS溝道遷移率的原因解釋為由于在SiO2/SiC界面處的高密度界面態(tài)的存在。作為高密度界面態(tài)的存在的原因，懷疑在SiO2/SiC界面的周圍存在低價(jià)氧化物或碳簇。低價(jià)氧化物是其中SiC未完全氧化的化合物，其中存在諸如Si-O鍵、C-O鍵和Si-O鍵等鍵作為混合物。碳簇是處于具有類似于石墨的鍵的微細(xì)的碳顆粒分散在SiO2中的狀態(tài)的混合物。類似于Si，碳化硅可通過熱氧化來形成SiO2。然而，與Si不同，SiC中存在C。因此，認(rèn)為產(chǎn)生了以上的低價(jià)氧化物或碳簇。
在最近幾年中，進(jìn)行了通過沉積形成CVD-SiO2(通過化學(xué)氣相沉積形成的SiO2)以受到熱處理來代替通過熱氧化形成的SiO2的嘗試。然而，對(duì)于通過沉積形成以獲得良好的MOS界面特性的CVD-SiO2，氧化氣氛中的熱處理仍是必要的。然而，在氧化氣氛中實(shí)現(xiàn)熱處理也會(huì)從其上沉積有SiO2的界面開始逐漸氧化SiC。界面處的SiO2的膜厚通過在氧化氣氛中的熱處理增加同樣極大地影響了MOS溝道遷移率。據(jù)報(bào)導(dǎo)，通過氧化氣氛中的熱處理在界面處新形成的SiO2在膜厚太薄或太厚時(shí)會(huì)降低MOS溝道遷移率(參見Kawano等人的Extended Abstracts(2005年第52次春季會(huì)議)1a-YK-9；日本應(yīng)用物理協(xié)會(huì)和相關(guān)協(xié)會(huì))。盡管在該文獻(xiàn)中未公開，但認(rèn)為原因如下。除非熱處理是在氧化氣氛中進(jìn)行的，否則SiC和CVD-SiO2之間的鍵(最初很弱)會(huì)由于弱鍵而產(chǎn)生界面態(tài)以導(dǎo)致MOS溝道遷移率降低。此外，SiC的過度熱氧化導(dǎo)致如在形成熱氧化膜的情況下那樣低價(jià)氧化物或碳簇在MOS界面處增加。這導(dǎo)致界面態(tài)密度的增加，致使降低MOS溝道遷移率。
關(guān)于SiC和CVD-SiO2之間的界面，可假設(shè)僅碳簇可通過在非氧化氣氛中進(jìn)行熱處理來去除，這移動(dòng)了碳簇以便被去除。然而，據(jù)另外的報(bào)導(dǎo)，實(shí)際上在非氧化氣氛中即使通過加熱也幾乎無法使碳原子移動(dòng)到SiO2中，且氧化氣氛中碳的氧化是將碳原子移入SiO2中的必要條件(參見O H Krafcsik等人的Materials ScienceForum第353-356(2001)卷，第659-662頁)。然而，在這種情況下，氧化氣氛導(dǎo)致SiC的表面上的熱氧化同時(shí)進(jìn)行，這產(chǎn)生具有新進(jìn)入其中的碳原子的SiO2。結(jié)果，不可能完全去除碳。
然而，關(guān)于低價(jià)氧化物，它不能在沒有氧化還原反應(yīng)的情況下自然去除。因此，通過形成SiO2/Si界面的當(dāng)前方法，不可能在SiO2和SiC之間形成適當(dāng)?shù)逆I并去除由于SiC中的C彼此相容而產(chǎn)生的低價(jià)氧化物或碳簇。因此，認(rèn)為易于使界面態(tài)密度增加。由于這些原因，據(jù)前面所述在SiO2/SiC處的MOS溝道遷移率的提高很難。這導(dǎo)致了目前的狀況，其中降低溝道電阻(總導(dǎo)通電阻的最大分量)的困難使得難以進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻。打破目前的狀況以進(jìn)一步減低導(dǎo)通電阻是利用SiC半導(dǎo)體襯底來提供高擊穿電壓功率半導(dǎo)體器件中的大問題。
鑒于上述原因作出了本發(fā)明。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種碳化硅半導(dǎo)體器件及該器件的制造方法，其中抑制了在包括二氧化硅作為主要成分的氧化絕緣膜和碳化硅半導(dǎo)體襯底之間的界面處低價(jià)氧化物和碳簇的產(chǎn)生，降低了界面態(tài)密度以提高溝道遷移率來允許降低導(dǎo)通電阻。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明的目的可通過提供一種碳化硅半導(dǎo)體器件的制造方法來實(shí)現(xiàn)，該方法包括在碳化硅半導(dǎo)體襯底上形成包含氧化硅作為主要成分的氧化物層的過程，其中該過程包括以下步驟在碳化硅半導(dǎo)體襯底的表面上形成一氧化硅層；之后在非氧化氣氛中將氧化硅層的溫度升高到使氧化硅成為不含晶體的液化態(tài)的溫度；以及之后將氧化硅層快速冷卻到等于或小于緩慢冷卻溫度的溫度，以形成包含氧化硅作為主要成分的氧化物層。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，較佳地提供了根據(jù)第一方面的碳化硅半導(dǎo)體器件的制造方法，其中使氧化硅成為不含晶體的液化態(tài)的溫度是1730℃或更高，且緩慢冷卻溫度是使處于非晶態(tài)的SiO2基本不產(chǎn)生SiO2晶體的溫度。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，較佳地提供了根據(jù)第二方面的碳化硅半導(dǎo)體器件的制造方法，其中緩慢冷卻溫度是1140℃。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，本發(fā)明的目的可通過提供一種碳化硅半導(dǎo)體器件的制造方法來實(shí)現(xiàn)，該方法包括在碳化硅半導(dǎo)體襯底上形成包含氧化硅作為主要成分的氧化物層的過程，其中該過程包括以下步驟在碳化硅半導(dǎo)體襯底的表面上形成一氧化硅層；之后在非氧化氣氛中在提供氣態(tài)硅的情況下將氧化硅層加熱到1250℃至1450℃之間的溫度；以及將氧化物層快速冷卻到等于或小于1140℃的溫度，以形成包含氧化硅作為主要成分的氧化物層。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，較佳地提供了根據(jù)第四方面的碳化硅半導(dǎo)體器件的制造方法，其中氣態(tài)硅主要由氫化硅產(chǎn)生。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，根據(jù)第五方面的碳化硅半導(dǎo)體器件的制造方法是其中氫化硅是硅烷的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第七方面，將碳化硅半導(dǎo)體器件適當(dāng)制造成具有在碳化硅半導(dǎo)體襯底的表面上設(shè)有金屬電極的結(jié)構(gòu)，且在該襯底的表面與金屬電極之間保持有根據(jù)第一至第六方面中的的任一方面的包含氧化硅作為主要成分的氧化物層。
根據(jù)本發(fā)明的第八方面，較佳地提供了根據(jù)第七方面的碳化硅半導(dǎo)體器件，其中全部金屬電極和一MOSFET的MOS柵結(jié)構(gòu)被設(shè)置在碳化硅半導(dǎo)體襯底的主表面之一上。
根據(jù)本發(fā)明的第九方面，也可提供根據(jù)第七方面的碳化硅半導(dǎo)體器件，其中金屬電極被設(shè)置在主表面中的每一個(gè)上，以提供從碳化硅半導(dǎo)體襯底的主表面之一到另一個(gè)主表面的電流路徑，且MOS柵結(jié)構(gòu)被設(shè)置在主表面的任一個(gè)上。
根據(jù)本發(fā)明的第十方面，較佳地提供了根據(jù)第八或第九方面的碳化硅半導(dǎo)體器件，其中MOS柵結(jié)構(gòu)是溝槽MOS柵結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的第十一方面，適當(dāng)?shù)靥峁┝艘环N碳化硅半導(dǎo)體器件，其中一溝槽MOS柵結(jié)構(gòu)被設(shè)置在碳化硅半導(dǎo)體襯底的主表面之一上，且溝槽MOS柵結(jié)構(gòu)的溝槽中的氧化物層是根據(jù)第一至第十三方面中的任一方面的包含氧化硅作為主要成分的氧化物層。
根據(jù)本發(fā)明的概念，提供了一種半導(dǎo)體的制造方法作為包括在非氧化氣氛中在SiC半導(dǎo)體襯底上形成包含氧化硅作為主要成分的氧化物層并使氧化物層(下文中包含SiO2作為主要成分的氧化物層簡(jiǎn)稱為氧化物層)中的碳雜質(zhì)在SiC半導(dǎo)體襯底的表面上的SiC的外延生長(zhǎng)中消耗的過程步驟的方法。對(duì)于包含使氧化物層中的碳雜質(zhì)在SiC的外延生長(zhǎng)中消耗的過程步驟的特定制造方法，有兩種方法。第一種方法是包括在將氧化物層快速冷卻到1140℃以使其固化之前升高將SiC半導(dǎo)體襯底的表面上的氧化硅層的溫度以使該氧化物層成為不含SiO2晶體的液化態(tài)的步驟的方法。第二種方法是包括在諸如Si、Si的氧化物(限于不氧化SiC的氧化物)、氫化硅或這些材料的混和之類的硅供給氣體的氣氛中將氧化硅層加熱到范圍在1250℃(在該溫度下SiO2中的Si的擴(kuò)散率變得十分有效)至1450℃(該溫度下SiO2的蒸氣壓變高)之間的溫度然后將氧化物層快速冷卻到1140℃或更低的步驟的方法。
一般而言，形成于半導(dǎo)體襯底上的SiO2是非晶態(tài)。因此，關(guān)于第一種方法中的液化態(tài)，不能嚴(yán)格的區(qū)分所形成的SiO2的固相和液相。因此，也可認(rèn)為SiO2的液化態(tài)被定義為其中SiC半導(dǎo)體襯底的溫度變得高于形成于襯底之上的氧化物層的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的狀態(tài)(包括其中SiC半導(dǎo)體襯底的溫度變得等于或大于氧化硅晶體的熔點(diǎn)的狀態(tài))。然而，因?yàn)镾iO2的晶體易于在等于或高于氧化物層的玻璃轉(zhuǎn)變溫度的溫度處形成，因此在本發(fā)明中，將液化態(tài)稱為高于SiO2晶體的熔點(diǎn)的溫度下的狀態(tài)。熔點(diǎn)是1730℃，因此，氧化物層的液化態(tài)在本發(fā)明中稱為高于1730℃的狀態(tài)。本發(fā)明中固化態(tài)是其中SiC半導(dǎo)體襯底上的氧化物層的溫度變得離開液化態(tài)溫度而低于導(dǎo)致玻璃轉(zhuǎn)變的溫度(包括玻璃轉(zhuǎn)變溫度)的狀態(tài)。隨著氧化物層變?yōu)橐夯瘧B(tài)，在與氧化物接觸的SiC半導(dǎo)體襯底的界面處，氧化物中的碳雜質(zhì)通過以下反應(yīng)去除SiO2+3C→SiC+2CO。
在該化學(xué)方程式中，箭頭右側(cè)通過反應(yīng)形成的SiC在與氧化物接觸的SiC表面上的外延生長(zhǎng)中消耗，且所形成的CO在氧化物中擴(kuò)散以消散為氣相?？烧J(rèn)為存在于氧化物/SiC界面處的低價(jià)氧化物通過取決于其成分將低價(jià)氧化物分離成諸如SiC、SiO2、C和CO等組分來處理。對(duì)于組分，過量的C可通過以上反應(yīng)去除。
僅通過在沒有氧化物變?yōu)橐夯瘧B(tài)的這一低溫處進(jìn)行的熱處理，不能去除氧化物/SiC界面處的氧化物和低價(jià)氧化物中的碳雜質(zhì)(除第二種方法外)。關(guān)于形成的能量，該化學(xué)方程式的反應(yīng)似乎在溫度變?yōu)橹辽?100℃至1200℃以上才進(jìn)行(包含在氧化物中的非晶相提供不充分的熱力學(xué)數(shù)據(jù)以使得溫度是不確定的)。然而，在玻璃轉(zhuǎn)變溫度以下，SiO2的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被凍結(jié)的，這可能阻止反應(yīng)的實(shí)際進(jìn)行。
成為液化態(tài)前的氧化物層可通過任何方法來形成。它可通過如前的熱氧化來形成，或通過諸如熱CVD和等離子體CVD等沉積來形成。此外，可通過多種方法在層中形成氧化物層。此外，氧化物層不必形成于一層中，而是可形成為SiO2的細(xì)微粒堆，因?yàn)槎言谖⒘６逊e后通過進(jìn)行的熱處理而變得密集。然而，當(dāng)通過根據(jù)本發(fā)明的方法形成的氧化物層用作MOSFET的柵絕緣膜時(shí)，有必要進(jìn)行控制使得厚度約在40至100nm數(shù)量級(jí)的膜以良好的可重復(fù)性形成。因此，較佳地是利用例如類似于熱氧化法的可精確地控制具有良好可重復(fù)性的氧化物的摩爾數(shù)量(不是膜厚)的SiO2形成方法。
公知的是為了實(shí)現(xiàn)純SiO2的理想的液化態(tài)，必須將溫度升高到1730℃或更高。這是因?yàn)榭稍诔合滦纬傻腟iO2晶體中的某一些以晶體形成存在，且其熔點(diǎn)高達(dá)1730℃(以高溫方石英的形式)。已知長(zhǎng)時(shí)間保持在低于SiO2晶體熔點(diǎn)的中間溫度處的SiO2導(dǎo)致SiO2的微晶在軟化的非晶SiO2中沉積。在1150℃處用于SiC的熱氧化的高純度石英玻璃的反應(yīng)管(SiO2作為成分)逐漸變得發(fā)白，且沉積的微晶中的每一個(gè)都生長(zhǎng)成具有大于光波長(zhǎng)的長(zhǎng)度或直徑。然而，當(dāng)從加熱到1730℃或更高的狀態(tài)冷卻SiO2時(shí)，必須快速冷卻SiO2以免長(zhǎng)時(shí)間保持在微晶易于沉積的溫度范圍中。即使SiO2被快速冷卻，半導(dǎo)體元件中使用的SiO2也很薄，使得由于快速冷卻引起的SiO2內(nèi)部的熱應(yīng)變本身不會(huì)導(dǎo)致很大的問題。對(duì)于應(yīng)變，由于SiO2和SiC半導(dǎo)體襯底之間的熱膨脹系數(shù)中的不同引起的應(yīng)變相反卻會(huì)導(dǎo)致問題。此外，要求SiO2對(duì)絕緣擊穿有高的耐久性，使得SiO2中微晶的沉積必須被抑制到最小的可能程度。這是因?yàn)槲⒕У某练e導(dǎo)致SiO2容易被由SiO2和SiO2的非晶態(tài)矩陣區(qū)之間的介電系數(shù)上的不同導(dǎo)致的電場(chǎng)集中以及在有某種晶體形式的微晶的情況下由壓電效應(yīng)引起的應(yīng)變導(dǎo)致的應(yīng)力電擊穿。從這一觀點(diǎn)來看，較佳的是首先將SiO2快速冷卻到其緩慢冷卻溫度(對(duì)于石英玻璃為1140℃)并且之后緩慢冷卻同時(shí)釋放由于粘性流動(dòng)狀態(tài)中的應(yīng)變引起的應(yīng)力。當(dāng)由于任何原因冷卻不能在中間溫度停止時(shí)，稍后必須在約1070至1140℃的溫度下再次進(jìn)行熱處理。當(dāng)然，這種熱處理必須在非氧化氣氛中進(jìn)行。
在1732℃處SiO2的蒸氣壓是10Torr。據(jù)說即使在成為液化態(tài)之前SiO2也具有某種程度的蒸氣壓。因此，在簡(jiǎn)單的惰性氣流中，預(yù)先形成的SiO2由于蒸發(fā)損失。為了避免這種情況，較佳地將SiO2的蒸發(fā)源沉積在氣流的上游側(cè)，并將其溫度保持為與所形成的SiO2相同，以便使具有飽和的蒸氣壓的SiO2存在于SiC半導(dǎo)體襯底上的SiO2的一部分中的氣相中。在常壓下，SiO2半導(dǎo)體襯底自身既不被熔化的也不被升華，也不以除B(硼)原子外的雜質(zhì)原子(N、P、Al等)的擴(kuò)散系數(shù)分解，這些雜志原子是為控制傳導(dǎo)類型而摻雜的，它們即使在1800℃也小到實(shí)際可忽略的程度。因此，將SiC加熱到該溫度本身是沒有問題的。然而，在這一溫度下進(jìn)行熱處理時(shí)，對(duì)熱處理系統(tǒng)有限制。例如，SiO2的熱處理通常在高純度石英玻璃的反應(yīng)管中進(jìn)行。然而，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，SiO2的熱處理必須通過將SiO2加熱到石英玻璃的軟化點(diǎn)(約是1650℃)以上的溫度來進(jìn)行。這使得采用石英玻璃的反應(yīng)管變得不可能。作為抵抗高于以上溫度的溫度的材料，通常采用氧化鋁。然而，氧化鋁包括進(jìn)入熱處理的SiO2中的很多金屬雜質(zhì)。特別地，諸如變?yōu)镾iO2中的移動(dòng)離子的Na原子之類的金屬雜質(zhì)員司不利地影響半導(dǎo)體器件的特性。因此，正如熟知的，將氧化鋁應(yīng)用于半導(dǎo)體制造系統(tǒng)導(dǎo)致在當(dāng)前的Si工藝中要嚴(yán)格避免的嚴(yán)重問題。在將離子注入到SiC襯底中后進(jìn)行的退火過程中，類似于根據(jù)本發(fā)明方法，有時(shí)需要1700℃至1800℃下的熱處理。此時(shí)使用的主要的電流熱處理系統(tǒng)是一種其中石墨基的感受器保持在將受到感應(yīng)加熱的石英管中的絕熱體上的系統(tǒng)。由于感受器具有大的熱容量且保持在絕熱體上，這一系統(tǒng)具有造成緩慢的冷卻速度的問題。對(duì)于離子注入后的退火過程，同樣開發(fā)了電子轟擊退火系統(tǒng)(M.Shibagaki等人的Materials Science Forum第483-485卷(2005)第609-612頁)。在該文獻(xiàn)中介紹的系統(tǒng)中，從1730℃冷卻到1000℃所需的時(shí)間僅是幾分鐘。盡管目前一般不使用這一系統(tǒng)，但可以說該系統(tǒng)在有效地執(zhí)行本發(fā)明的方面是較佳的。
為了降低熱處理溫度，通過采取利用所謂的PSG(磷硅酸鹽玻璃)或BPSG(硼磷硅酸鹽玻璃)的示例，例如向SiO2添加磷或硼同樣是可能的。然而，與利用PSG或BPSG的情況不同，磷或硼從相對(duì)低的溫度揮發(fā)(盡管認(rèn)為P2O5的熔點(diǎn)約為560到580℃，但P2O5的升華從約350℃開始。認(rèn)為B2O3具有約450到480℃的熔點(diǎn)以及約1500℃的沸點(diǎn)。)，使得難以保持添加的磷或硼的成分。與進(jìn)行純SiO2的熱處理的情況一樣，需要找出諸如在氣流的上游側(cè)沉積具有期望成分的蒸發(fā)源并進(jìn)行快速熱處理和冷卻等的某些方式。盡管有諸如以上的困難，但向SiO2添加磷或硼具有降低SiO2的軟化點(diǎn)的值以使其熱膨脹系數(shù)接近SiC的值的特征。這提供了減小所形成的氧化物絕緣體膜中的應(yīng)變的優(yōu)點(diǎn)。
在使氧化物中的碳雜質(zhì)在非氧化氣氛中的SiC半導(dǎo)體襯底的表面上的SiC的外延生長(zhǎng)中消耗第二種方法的特定方式中，在Si、Si的氧化物(限于不氧化SiC的氧化物)、氫化硅或這些材料的混和的氣氛中加熱氧化物。以這種加熱，存在于氧化物/SiC界面附近的氧化物中的碳雜質(zhì)可通過在SiC半導(dǎo)體襯底上的外延生長(zhǎng)中消耗和通過在氧化物中的擴(kuò)散到達(dá)界面的Si來去除。與第一種方法中一樣，在氧化物/SiC界面處的低價(jià)氧化物可通過取決于其成分將該低價(jià)氧化物分離成諸如SiC、SiO2、C和CO等組分來處理，其中過量的C，如氧化物中的碳雜質(zhì)，可通過在SiC半導(dǎo)體襯底上的外延生長(zhǎng)中消耗和通過在氧化物中的擴(kuò)散到達(dá)界面的Si來去除。
根據(jù)本發(fā)明，氧化物在不氧化SiC的氣氛中形成。這允許去除碳雜質(zhì)和低價(jià)氧化物而不在氧化物中再產(chǎn)生碳雜質(zhì)且不在氧化物/SiC界面處再產(chǎn)生低價(jià)氧化物。通過根據(jù)本發(fā)明的第一種方法，通過使SiO2成為不含結(jié)晶材料的液化態(tài)，由以上化學(xué)方程式表達(dá)的反應(yīng)被激活以允許碳雜質(zhì)和低價(jià)氧化物的有效去除。
通過根據(jù)本發(fā)明的第二種方法，在氧化物中擴(kuò)散的Si迫使碳雜質(zhì)和低價(jià)氧化物被消耗。此外，與第一種方法中一樣，第二種方法具有不需要這種不尋常的高溫以使SiO2成為不含結(jié)晶材料的液化態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。此外，當(dāng)應(yīng)用于形成包括SiO2作為主要成分的氧化物層以填充SiC襯底或其一部分的主表面上的雕刻部分的情況時(shí)，第一種方法還具有如以下解釋的效果。即，即使氧化物層首先填充SiC襯底上的雕刻部分，且在其間留有某些余隙，但在固化前液化的氧化物層可最后填充雕刻部分而不產(chǎn)生余隙。這可簡(jiǎn)化SiO2的產(chǎn)生過程。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的示例5的橫向MOSFET的主要部分的橫截面圖。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的示例6的橫向MOSFET的主要部分的橫截面圖。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的示例7的溝槽MOSFET的主要部分的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
示例1在示例1中，將說明根據(jù)本發(fā)明的n型SiC-MOS電容器的制造方法。傳導(dǎo)類型的改變?cè)试S以與以下說明的示例1相同的方式來制造p型SiC-MOS電容器。此外，通過利用公知的方法形成諸如源、漏電極和柵電極之類的部件，可容易地制造諸如n溝道或p溝道MOSFET之類的器件。
首先，準(zhǔn)備一氧化鋁舟皿。從該舟皿的上游，設(shè)置SiC假襯底(不必是單晶)，其上沉積了5mm厚的SiO2。假襯底試樣對(duì)氣流的寬度取為至少比后面描述的最初要處理的SiC襯底試樣的寬度(直徑50.8mm)寬，例如為55mm的正方形。從舟皿的下游，設(shè)置SiC襯底樣品用于制造根據(jù)本發(fā)明的n型SiC-MOS電容器。
在示例1中，對(duì)于用于形成根據(jù)本發(fā)明的n型SiC-MOS電容器的SiC襯底的試樣，準(zhǔn)備具有50.8mm直徑的n型4H-SiC(0001)si、(0001)c平面8°傾斜襯底(電阻率是0.01至0.02Ωcm)以及15mm見正的n型4H-SiC(1120)同軸平面襯底。在如此準(zhǔn)備的襯底試樣的每一個(gè)上，將n型SiC外延層(1×1016cm-3的施主濃度)設(shè)置成約為2μm的厚度，其上進(jìn)一步形成具有40至100nm厚度的SiO2。如此形成的襯底用作試樣。對(duì)于形成SiO2的方法，可采用諸如在干燥氣氛中的熱氧化、在潮濕氣氛中的熱氧化、以TEOS(原硅酸四乙酯)和O2用作源氣體的等離子體CVD、以SiO4或SiH2Cl2和N2O用作源氣體(所謂的HTO)的熱CVD以及以SiH4和O2用作源氣體(所謂的LTO)的熱CVD等方法。這里，晶面的方向、電阻率、雜質(zhì)濃度、SiC襯底試樣的厚度和尺寸以及SiC襯底試樣上的SiO2的膜厚是示例性的，它們未必限于此。
用于通過利用具有形成于其上的SiO2的SiC襯底試樣來形成根據(jù)本發(fā)明的n型SiC-MOS電容器的熱處理系統(tǒng)具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中使氧化鋁的反應(yīng)管穿過以熱絕緣體圍繞的圓柱形電阻線加熱區(qū)。除反應(yīng)管由允許溫度上升到1800℃的氧化鋁形成外，該結(jié)構(gòu)類似于一般在Si襯底的晶片處理中所使用的氧化爐和擴(kuò)散爐。然而，反應(yīng)管的兩端由凸緣密封，使得沒有空氣(尤其是氧氣)混入其中。SiC襯底試樣被安裝在氧化鋁舟皿中并插入到反應(yīng)管中。為了裝載和卸載舟皿，采用氧化鋁桿。氧化鋁桿由設(shè)置在反應(yīng)管的端部的開口處O環(huán)密封，使得沒有空氣可混入反應(yīng)管。例如，當(dāng)使高純度Ar(可以是諸如He等另一惰性氣體)在大氣壓下以0.1slm流動(dòng)時(shí)，反應(yīng)管的中心處的加熱部分的溫度升高到指定的溫度(1740℃)。在這期間，帶有安裝在其上的SiC襯底試樣的氧化鋁舟皿被固定同時(shí)在反應(yīng)管的下游的低溫部分(加熱部分的外部)預(yù)熱。此時(shí)的溫度大約是600℃或更低。
當(dāng)反應(yīng)管的加熱部分的溫度變?yōu)橹付囟葧r(shí)，將舟皿插入到加熱部分，并立即將Ar流速降低到0.01slm。這是因?yàn)楫?dāng)溫度高時(shí)SiO2的高的蒸氣壓導(dǎo)致設(shè)置在上游的所有的SiO2蒸發(fā)，除非降低Ar流率。在舟皿的溫度上升到接近指定溫度后，在該溫度下再固定舟皿5分鐘以使形成于SiC襯底試樣的表面上的SiO2成為熔化狀態(tài)。然后，隨著Ar流率增加到0.1slm，立即將舟皿取出到低溫部分以快速冷卻。當(dāng)舟皿被冷卻時(shí)，加熱部分的設(shè)置溫度降低到1140℃。當(dāng)加熱部分的溫度變?yōu)?140℃時(shí)，再次將舟皿插入加熱部分以在1140℃保持15分鐘。在該情況下，沒必要控制Ar流率。其后，以5℃/分鐘的速率將溫度降低到600℃。當(dāng)溫度變?yōu)?00℃時(shí)，舟皿從反應(yīng)管返回下游的低溫部分，以自然冷卻直到允許取出舟皿的溫度。由此，形成了根據(jù)本發(fā)明的經(jīng)熱處理的SiC襯底試樣。關(guān)于如此熱處理的SiC襯底試樣和沒有熱處理的SiC襯底試樣，將Al膜通過濺射沉積在SiC襯底試樣中的每一種的SiO2上。然后使沉積的Al膜通過濕法蝕刻進(jìn)行圖案化，由此形成MOS電容器。
通過進(jìn)行以下分析，在受到該熱處理的SiC襯底試樣和沒有受到熱處理的用于比較的SiC襯底試樣之間進(jìn)行比較。進(jìn)行比較以確定由于碳引起的低價(jià)氧化物和碳簇被去除的程度，以及通過進(jìn)行熱處理根據(jù)本發(fā)明的n型SiC-MOS電容器的SiO2/SiC界面處的界面態(tài)密度降低到什么程度。
該分析通過在TEM(透射電子顯微鏡)下的橫截面觀察和以EELS(電子能量損失光譜學(xué))的成分分析來進(jìn)行。結(jié)果，得到以下內(nèi)容。
在具有通過干法氧化和濕法氧化形成的SiO2、但沒有受到熱處理的用于比較的SiC襯底試樣中，在SiO2/SiC界面處觀察到有Si原子、C原子和O原子(低價(jià)氧化物)存在的區(qū)域，而在靠近界面的SiO2側(cè)觀察到碳的沉積。
在具有利用TEOS形成的SiO2、但沒有受到熱處理的用于比較的SiC襯底試樣中，在整個(gè)SiO2上觀察到碳的混合，但沒發(fā)現(xiàn)低價(jià)氧化物。
此外，在具有以HTO和LTO形成的SiO2、但沒有受到熱處理的用于比較的SiC襯底試樣中，沒有辨別出C(碳)的混合以及低價(jià)氧化物。以上結(jié)果與一般公知的事實(shí)大致相同。
然而，在根據(jù)本發(fā)明的在1740℃下熱處理的SiC襯底試樣中，在利用形成SiO2的方法中的任一種的情況下不管形成SiO2的方法本身是什么都沒有辨別出C(碳)的混合以及低價(jià)氧化物。然而，從整個(gè)SiO2中，檢測(cè)到Na和過渡金屬。認(rèn)為它們是由于氧化鋁舟皿和反應(yīng)管的使用而引起的金屬雜質(zhì)。為了比較，對(duì)通過未包含在本發(fā)明中的方法準(zhǔn)備的用于比較的SiC襯底試樣進(jìn)行觀察，其中僅熱處理溫度從根據(jù)本發(fā)明的熱處理方法中的溫度變?yōu)檩^低的1290℃和1440℃。結(jié)果相當(dāng)類似于關(guān)于沒有受到熱處理的用于比較的SiC襯底試樣的結(jié)果。即，在其中觀察到碳的混合和低價(jià)氧化物的沒有受到熱處理的用于比較的SiC襯底試樣中，即使襯底試樣在1290℃下受到熱處理也觀察到碳的混合和低價(jià)氧化物。然而，差別在于碳的混合和低價(jià)氧化物的量比襯底試樣沒有受到熱處理時(shí)觀察到量低。此外，在1440℃下受到熱處理的襯底試樣的不同之處在于碳的混合和低價(jià)氧化物被進(jìn)一步降低。然而，在其中同樣觀察到SiO2微晶的局部沉積。這導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度的劣化。因此，在該溫度下進(jìn)行的熱處理不包括在根據(jù)本發(fā)明的制造方法中。
接下來，測(cè)量關(guān)于通過根據(jù)本發(fā)明的制造方法形成的MOS電容器和通過除根據(jù)本發(fā)明的制造方法外的制造方法形成的MOS電容器的電流與電壓特性。獲得了其中熱處理溫度在被快速降低以使電容器快速冷卻前被保持在使得SiO2成為熔化狀態(tài)的1740℃的根據(jù)本發(fā)明的MOS電容器，且其絕緣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度約是10到11MV/cm。然而，在其中使熱處理溫度在被快速降低以使電容器快速冷卻前保持在1440℃(在該溫度下SiO2沒有變成熔化狀態(tài))的MOS電容器中，其絕緣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是低至5到8MV/cm(或更低)。認(rèn)為這是由于如前面解釋的微晶的沉積引起的。在其中將熱處理溫度取為更低的1290℃的MOS電容器中，對(duì)具有熱氧化物膜(通過干法氧化和濕法氧化中的任一種形成)的電容器其絕緣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)8至10MV/cm。然而，對(duì)于具有通過CVD形成的沉積的熱氧化膜的電容器，不管沉積方法是什么，其絕緣擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度低至3到7MV/cm。認(rèn)為沉積的氧化物膜在很多情況下具有由SiC半導(dǎo)體襯底施加到其上的拉應(yīng)力，且僅通過在非氧化氣氛中的短時(shí)間熱處理該應(yīng)力被保留而沒有被足夠地釋放，以使得可獲得足夠的絕緣強(qiáng)度。
在關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的示例1的受到熱處理的MOS電容器的電容與電壓特性的測(cè)量中，不管熱處理溫度如何都觀察到由于諸如Na離子之類的移動(dòng)離子而引起的滯后現(xiàn)象。在其它方面，獲得了良好的特性，且通過Terman方法獲得的界面態(tài)密度低于Terman方法的最小可檢測(cè)值(認(rèn)為約是1012cm-3)。認(rèn)為界面態(tài)由諸如Na離子之類的移動(dòng)離子中和。
正如前面所解釋的，當(dāng)利用氧化鋁的反應(yīng)管進(jìn)行熱處理時(shí)，可認(rèn)為作為由于氧化鋁引起的金屬雜質(zhì)的中和作用的結(jié)果，不利的界面態(tài)可變得良好。因此，認(rèn)為良好的界面態(tài)不一定是由根據(jù)本發(fā)明的熱處理的效果帶來的。然而，可以認(rèn)為高的絕緣強(qiáng)度顯然可通過將結(jié)晶SiO2加熱到超過其熔化點(diǎn)來獲得。此外，從以上解釋的分析的結(jié)果中很顯然，可在SiO2/SiC界面中去除碳簇和低價(jià)氧化物。
示例2在示例2中，同樣將解釋根據(jù)本發(fā)明的n型SiC-MOS電容器的制造方法。與示例1中一樣，SiC襯底的傳導(dǎo)類型的修改當(dāng)然允許形成p型MOS電容器和n溝道或p溝道MOSFET。在下文中，尤其強(qiáng)調(diào)與示例1的差別來進(jìn)行解釋。
在示例2中，將石英玻璃的雙管用于熱處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有其中使冷卻水在雙管的外管和內(nèi)管之間流動(dòng)的結(jié)構(gòu)。將根據(jù)本發(fā)明的具有形成于其上的SiO2的SiC襯底試樣和假試樣安裝在涂覆有多晶SiC的高純度石墨感受器上。該感受器設(shè)置在石英玻璃的感受器支架上，且其間放置有高純度多孔石墨的厚墊，使得感受器不與石英玻璃的雙管直接接觸。感受器支架設(shè)置在雙管的內(nèi)管中。在該熱處理系統(tǒng)中，存在在升高的溫度下加熱的石墨感受器在感受器與雙管直接接觸時(shí)導(dǎo)致蒸汽爆炸的危險(xiǎn)。這是因?yàn)楦惺芷髟O(shè)置石英玻璃的感受器支架上且其間放置有石墨墊。石墨感受器的加熱通過在大氣壓下向纏繞在雙管上的線圈輸入高頻電流而在高純Ar氣(可以是諸如He之類的另一種惰性氣體)中感應(yīng)加熱來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槭惺芷骶哂凶銐蛐〉臒崛萘?，所以以足夠大的電功率快速升高或降低溫度是可能的。?duì)于寬度和長(zhǎng)度約是幾厘米且厚度約是1cm的石墨感受器，約30kW的高頻功率可通過選擇適當(dāng)?shù)念l率在3分鐘內(nèi)將感受器的溫度從室溫升高到1750℃。溫度降低的特征在于從1750℃到1140℃的溫度降低可在3分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)。熱處理曲線除將熱處理溫度在高頻功率被減小并保持為減小的同時(shí)設(shè)置為1140℃前保持在指定的熱處理溫度(1740℃)5分鐘外，與示例1相同。
除在成分分析中沒有檢測(cè)到Na和其它金屬雜質(zhì)外，受到根據(jù)本發(fā)明的示例2中的方法的熱處理的SiC襯底試樣中的SiO2與示例1中的相同。在電流與電壓特性方面與示例1中的沒有大的差別。
然而，在關(guān)于受到根據(jù)示例2方法的熱處理的MOS電容器的電容與電壓特性方面，明確地觀察到了由于根據(jù)示例2的高溫?zé)崽幚硐到y(tǒng)引起的效應(yīng)。觀察到正如示例1中觀察到的由于Na的混入引起的很小的滯后效應(yīng)。即使在觀察到某些滯后，但這是由于電子俘獲引起的(與由于諸如Na離子之類的移動(dòng)離子引起的滯后相反的方向中引起的)。通過Hi-Lo方法(其精確性高于Terman方法的精確性)獲得的界面態(tài)密度具有隨著熱處理溫度升高為1290℃、1440℃和1740℃而降低的傾向。以1740℃的熱處理溫度，在低于導(dǎo)帶0.1eV至0.6eV處的界面態(tài)密度是2×1011cm-2/eV或更小，尤其在低于導(dǎo)帶0.2eV至0.6eV處，界面態(tài)密度是1×1011cm-2/eV或更小。這些值比報(bào)導(dǎo)的關(guān)于普通熱氧化物膜的界面態(tài)密度的值小約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
通過根據(jù)示例2的方法，在沒有Na或其它金屬雜質(zhì)進(jìn)入SiO2的條件下使SiO2從液化態(tài)固化。因此，根據(jù)示例2的方法的優(yōu)點(diǎn)在于可在不依靠Na離子或其它移動(dòng)離子的情況下降低界面態(tài)密度。此外，發(fā)現(xiàn)SiO2的絕緣強(qiáng)度也很高。
示例3在示例3中，解釋了一種根據(jù)本發(fā)明的n型電容器的制造方法。與示例1和2中一樣，可形成p型MOS電容器和n溝道或p溝道MOSFET。在示例3中，尤其強(qiáng)調(diào)與示例1和2的差別方面進(jìn)行解釋。
用于示例3的熱處理系統(tǒng)是其中高純石墨的空心絕熱器放置在SiC外延生長(zhǎng)系統(tǒng)的石英玻璃的反應(yīng)管中且涂覆有多晶SiC的高純石墨感受器設(shè)置在絕熱器的內(nèi)部的系統(tǒng)，以作為用于根據(jù)本發(fā)明的SiO2的熱處理系統(tǒng)來提供。石墨感受器是水平開槽的。沿該槽，放置多晶SiC襯底。在多晶SiC襯底上，安裝根據(jù)本發(fā)明的SiC襯底試樣和假襯底(假襯底安裝在上游)。石墨感受器由具有大的熱容量的絕熱器圍繞，使得其溫度不會(huì)容易地降低。因此，例如僅多晶SiC襯底借助鉗子(巨大的鉗子)來拉出。與石墨感受器相比具有比小得多的熱容量的多晶SiC襯底被快速冷卻。示例3的熱處理曲線與示例1相同。
受到與示例1相同的曲線的熱處理(在大氣壓下諸如高純Ar氣(可以是諸如He之類的其它惰性氣體)之類的非氧化氣氛中)的SiC-MOS電容器的成分、電流與電壓特性和電容與電壓特性與示例2中的大致相等。
在示例3中的熱處理中，可在沒有Na和其它金屬雜質(zhì)進(jìn)入SiO2的條件下使SiO2從液化態(tài)固化。因此，可在不依靠Na離子或其它移動(dòng)離子的情況下降低界面態(tài)密度。此外，SiO2的絕緣強(qiáng)度也很高。此外，該熱處理系統(tǒng)的特征在于該系統(tǒng)與示例2中的系統(tǒng)相比具有能夠同時(shí)處理多個(gè)試樣而不會(huì)有導(dǎo)致蒸氣爆炸的危險(xiǎn)的高實(shí)用性。
示例4在示例4中，解釋了一種根據(jù)本發(fā)明的n型SiC-MOS電容器的制造方法。與示例1至3中一樣，可形成p型MOS電容器和n溝道或p溝道MOSFET。在示例4中，尤其強(qiáng)調(diào)與示例1至3的差別方面進(jìn)行解釋。在前面的示例1至3中的方法的每一種中，SiC襯底試樣受到具有升高溫度以使SiO2成為液化態(tài)然后快速降低溫度以快速冷卻SiO2的熱處理曲線的熱處理。在示例4的方法中，與示例1-3的顯著差別在于將SiO2加熱到低于使SiO2轉(zhuǎn)變?yōu)橐夯瘧B(tài)的溫度然后快速冷卻。這將下文中解釋。
在示例4中，采用了類似于示例3的熱處理系統(tǒng)。與示例3中的系統(tǒng)的不同之處在于在熱處理時(shí)使SiH4與作為非氧化氣氛氣體的Ar一起流動(dòng)。過高的SiH4流率取決于溫度導(dǎo)致多晶Si的沉積或流體Si的附著(一起稱為Si的附著)。然而，這不是重大的問題。這是因?yàn)楦街腟i可通過在不導(dǎo)致對(duì)所形成的SiO2的離子輻射的情況下利用產(chǎn)生氟射線的中間壓力等離子體來選擇性去除，并且在所形成的SiO2用作用于諸如MOSFET之類的器件的柵絕緣膜時(shí)也可用作柵多晶硅。與示例3中一樣，假襯底被設(shè)置在試樣的上游。
在示例4中，通過利用類似于示例3中所使用的熱處理系統(tǒng)，SiC襯底試樣的溫度升高到1440℃的同時(shí)使Ar例如以0.1slm的流速流動(dòng)，同時(shí)使SiH4以0.1至1.0slm的流速流動(dòng)。SiC襯底試樣在被保持在1440℃指定時(shí)間后一次拉出到較低溫度的部分并被快速冷卻。其后，將SiC襯底試樣再次插入到其溫度重新設(shè)置在1140℃的加熱部分以逐步冷卻。SiC襯底試樣在1140℃的逐步冷卻溫度下保持15分鐘后的處理類似于示例1。
示例4中的熱處理溫度的上限是1450℃。這是因?yàn)槌^1450℃的熱處理溫度會(huì)不利地導(dǎo)致SiO2的蒸氣壓過高。熱處理溫度的下限是1250℃。這是因?yàn)榈陀?250℃的熱處理溫度導(dǎo)致SiO2中的Si擴(kuò)散速率太小以致于不能提供效率方面的實(shí)用性。
在示例4中，即使在1440℃下熱處理的SiC襯底試樣中，不管形成SiO2的方法如何，都可辨別出既沒有C(碳)的混和，也沒有低價(jià)氧化物的存在，更沒有如示例1中解釋的SiO2微晶的生成。此外，SiC襯底試樣的界面態(tài)密度與示例3中在相同的處理溫度下獲得的相比示出受到示例4中的熱處理的SiC試樣襯底中的每一個(gè)(包括其中溫度從1440℃改為1290℃的熱處理的SiC襯底試樣)具有較小的界面態(tài)密度。換言之，根據(jù)示例4的方法的特征在于界面態(tài)密度可在進(jìn)行如示例3的情況中的諸如1740℃之類的升高溫度下的熱處理的情況下降低。
在示例4中，硅烷氣體用于硅產(chǎn)生氣體。然而，可使用其它的氫化硅氣體。對(duì)于其它硅產(chǎn)生氣體，當(dāng)氣體不導(dǎo)致SiC的氧化時(shí)，可使用諸如Si的蒸氣和Si氧化物氣體之類的不導(dǎo)致SiC氧化的氣體。
認(rèn)為根據(jù)示例4，SiO2中Si原子的擴(kuò)散不導(dǎo)致增加界面態(tài)密度的SiO2微晶的產(chǎn)生且擴(kuò)散的Si原子通過與碳雜質(zhì)和低價(jià)氧化物反應(yīng)來去除以導(dǎo)致界面態(tài)密度的減小。此外，根據(jù)示例4的方法與根據(jù)示例1至3的方法相比具有在不采用諸如1740℃的異常高溫的情況下降低界面態(tài)密度的優(yōu)點(diǎn)。
示例5在示例4中，以下將解釋n溝道橫向MOSFET，其主要部分的橫截面圖示于圖1中。在SiC襯底1上，通過SiC外延生長(zhǎng)來形成p型主體區(qū)2。在p型主體區(qū)2的表面的一部分中，n+型源接觸區(qū)3和p+型主體接觸區(qū)4互相鄰近地設(shè)置，并與源電極8歐姆接觸。在p型主體區(qū)2的表面層中，在與n+型源接觸區(qū)3相對(duì)且MOS溝道10放置在其間的位置處，設(shè)置n+型漏接觸區(qū)5。漏電極9與n+型漏接觸區(qū)5歐姆接觸。n+型源接觸區(qū)3與n+型漏接觸區(qū)5之間的傳導(dǎo)由MOS溝道10來控制。在其中MOS溝道10將形成在p型主體區(qū)2的表面上的部分中的表面上，設(shè)置了柵電極7，且柵氧化物膜6設(shè)置在該表面與柵電極之間。
將解釋n溝道橫向MOSFET的制造方法。準(zhǔn)備4H-SiC(0001)Si和(0001)C平面8°傾斜襯底和4H-SiC(1120)平面同軸平面襯底。每一襯底的傳導(dǎo)類型和電阻率可根據(jù)需要選擇。在每一襯底上，通過外延生長(zhǎng)形成厚度是2μm的具有2×1017cm-3的受主濃度的p型SiC層。然后，作為適當(dāng)?shù)难谀２牧?，在p型SiC層上形成例如具有1.5μm厚度的沉積的SiO2膜，并形成圖案。然后，為了形成n+型源接觸區(qū)3和n+型漏接觸區(qū)5中的每一個(gè)，進(jìn)行用磷離子的離子注入，例如注入到離p型SiC層的表面0.2μm深的區(qū)域中，同時(shí)將SiC襯底試樣加熱到例如800℃，使得注入的離子形成具有2×1021cm-3的平均密度的盒形剖面。類似地，在p型SiC層上形成適當(dāng)?shù)难谀２牧弦孕纬蓤D案。然后，為了形成p+型主體接觸區(qū)4，進(jìn)行用鋁離子的離子注入，例如注入到離p型SiC層的表面0.2μm深的區(qū)域，同時(shí)將SiC襯底試樣加熱到例如500℃，使得注入的離子形成具有1×1021cm-3的平均密度的盒子形剖面。在去除掩模材料后，在Ar氣氛中在1800℃下進(jìn)行用于激活注入的離子的退火，以形成n+型源接觸區(qū)3、p+型主體接觸區(qū)4和n+型漏接觸區(qū)5。對(duì)于p型外延層，沒有受到離子注入的部分變?yōu)閜型主體區(qū)2。此時(shí)，較佳地用碳涂覆p型主體區(qū)2的表面以防止表面變得粗糙。
此后，利用示例2至4中所述的形成SiO2的方法中的任一種和根據(jù)本發(fā)明的熱處理方法來形成柵氧化物膜6。使柵氧化物膜6的厚度均勻約為80nm。在這之后，在柵氧化物膜6上，沉積以高濃度磷摻雜的多晶硅(在沉積未摻雜的硅后可將磷驅(qū)入)然后進(jìn)行深蝕刻，由此形成柵電極7。在通過示例4所述的方法形成柵氧化物膜6時(shí)，當(dāng)從頭開始沉積多晶硅時(shí)，多晶硅可用于形成柵電極7。蝕刻?hào)叛趸锬?的指定部分以被設(shè)置為開口部分，其中濺射Ni以便沉積。然后對(duì)沉積的Ni形成圖案以被設(shè)置為源電極8和漏電極9，其后它們?cè)贏r氣氛中被加熱到1000℃以獲得歐姆接觸。注意，上述諸如晶面方向(包括傾斜的)、摻雜濃度、膜厚和注入深度等值僅僅是示例性的值。
在圖1中示出的所形成的n溝道橫向MOSFET的溝道遷移率的值在其中將SiO2加熱到1740℃的MOSFET中為200至300cm2/Vs。當(dāng)柵氧化物膜通過常規(guī)的方法形成時(shí)所獲得的溝道遷移率的值盡管是取決于晶面方向，但仍約是1到140cm2/Vs(除含有諸如Na之類的雜質(zhì)的柵氧化物膜外)。因此，已知可在根據(jù)示例5的n溝道橫向MOSFET中獲得高溝道遷移率。認(rèn)為作為形成界面態(tài)的原因的碳雜質(zhì)和低價(jià)氧化物在示例5中的MOSFET中被去除，由此可獲得高溝道遷移率。在示例5中，將MOSFET設(shè)置為平面柵橫向MOSFET。然而，可將其設(shè)置為溝槽柵橫向MOSFET。
示例6示例6涉及n溝道垂直MOSFET，其主要部分的橫截面示于圖2中。在帶有視為主表面的具有高雜質(zhì)濃度的n型4H-SiC平面的SiC襯底11上，依次形成具有高雜質(zhì)濃度的n+型場(chǎng)停止層12和具有低雜質(zhì)濃度的n型漂移層13。在n型漂移層13的一部分中，形成p型主體區(qū)14。因此，對(duì)于主表面，n型漂移區(qū)13僅在JEFT區(qū)17的部分中出現(xiàn)在半導(dǎo)體的表面上。在p型主體區(qū)14中，具有高雜質(zhì)濃度的n+型源接觸區(qū)15和具有高雜質(zhì)濃度的p+型主體接觸區(qū)16被設(shè)置成彼此相鄰，并與源電極23歐姆接觸。漏電極22與SiC襯底11的主表面的相對(duì)側(cè)歐姆接觸。n+型源接觸區(qū)15和漏電極22之間的電導(dǎo)由MOS溝道20控制。對(duì)于p型主體區(qū)14，在將至少形成MOS溝道20的一部分的表面上，設(shè)置柵電極19，且柵氧化物膜18保持在該表面和柵電極之間。實(shí)際上，為了實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓，在器件的一端設(shè)置公知的電場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)(未示出)。然而，該電場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)不直接與本發(fā)明有關(guān)，因此將省略對(duì)該結(jié)構(gòu)的詳細(xì)解釋。
將解釋n溝道垂直MOSFET的制造方法。準(zhǔn)備4H-SiC(0001)Si和(0001)c平面8°傾斜襯底作為SiC襯底11。在SiC襯底11上，依次沉積約2μm厚的n+型場(chǎng)停止層12(具有0.5×1017cm-3至10×1017cm-3的施主濃度)和約8.9μm厚的n型漂移層13(具有約1.3×1016cm-3的施主濃度)。然后，用適當(dāng)?shù)难谀２牧细采wn型漂移層13的表面，然后使掩模材料形成適當(dāng)?shù)膱D案。然后，為了形成p型主體區(qū)14，進(jìn)行利用鋁離子的離子注入，例如注入到離n型漂移層13的表面1.9μm深的區(qū)域，同時(shí)將SiC襯底例如與沉積的層12和13以及掩模材料一起加熱到500℃，使得注入的離子形成具有2×1017cm-3的盒形剖面。當(dāng)鋁的密度在半導(dǎo)體的表面上相等時(shí)，可給出鋁的密度以在深度方向上增加而不是形成盒形剖面。
其后，用適當(dāng)?shù)难谀２牧细采wn型漂移層13的表面，然后使掩模材料形成適當(dāng)?shù)膱D案。然后，為了形成n+型源接觸區(qū)15，進(jìn)行利用磷離子的向離n型漂移層13的表面0.4μm深的區(qū)域的離子注入，同時(shí)將SiC襯底11例如與層12和13以及掩模材料一起加熱到800℃，使得注入的離子形成具有1×1021cm-3的平均密度的盒形剖面。類似地，利用適當(dāng)圖案化的適當(dāng)?shù)难谀２牧?，為了形成p+型主體接觸區(qū)16，進(jìn)行利用鋁離子向離n型漂移層13的表面0.4μm深的區(qū)域的離子注入，同時(shí)將SiC襯底11例如與層12和13以及掩模材料一起加熱到500℃，使得注入的離子形成具有1×1021cm-3的平均密度的盒形剖面。在去除掩模材料后，在Ar氣氛中在1800℃下進(jìn)行用于激活注入的離子的退火以形成p型主體區(qū)14、n+型源接觸區(qū)15以及p+型主體接觸區(qū)16。此時(shí)，較佳地用碳覆蓋n型漂移層13的表面，以防止表面變粗糙。
接著，蝕刻?hào)叛趸锬?8的指定部分以設(shè)置為開口部分，其中濺射Ni以便沉積。然后使沉積的Ni圖案化，以設(shè)置為源電極23。同樣在去除了氧化物膜的SiC襯底11的相對(duì)側(cè)上的主表面上，濺射Ni以沉積為漏電極22。之后將電極22和23在Ar氣氛中加熱到1000℃以獲得歐姆接觸。注意，諸如晶面方向(包括傾斜)、摻雜密度、膜厚以及注入深度等上述值僅僅是示例性的。在示例6中MOSFET的設(shè)計(jì)的擊穿電壓是1.2kV。
所形成的垂直MOSFET的導(dǎo)通電阻是8.8到9.0mΩcm2。然而，關(guān)于除MOS溝道20外的部分，從在同一晶片上同時(shí)與MOSFET一起形成的用于評(píng)價(jià)的TEG(測(cè)試元件組)獲得的電阻約是8.5mΩcm2。因此，MOSFET的溝道電阻的值變?yōu)?.3到0.5mΩcm2，這是通過從的8.8到9.0mΩcm2的MOSFET導(dǎo)通電阻減去值8.5mΩcm2給出的。因此，了解到可將溝道電阻部件與整個(gè)導(dǎo)通電阻之比減小到約0.5％。
在先前的SiC的垂直MOSFET中，其溝道電阻部件占導(dǎo)通電阻的30％到50％。因此，在根據(jù)本發(fā)明的示例6中的MOSFET中，可極大地減小溝道電阻率。
正如以上所解釋的，根據(jù)示例6，去除了導(dǎo)致界面態(tài)的碳雜質(zhì)和低價(jià)氧化物，由此增強(qiáng)了溝道遷移率、減小了溝道電阻，并且整體上可使導(dǎo)通電阻變小。
示例7在示例7中，將解釋n溝道溝槽MOSFET，其主要部分的橫截面示于圖3中。在帶有視為主表面的具有高雜質(zhì)濃度的n型SiC平面的SiC襯底31上，依次形成具有高雜質(zhì)濃度的n+型場(chǎng)停止層32、具有低雜質(zhì)濃度的n型漂移層33、n型電流擴(kuò)布層34、p型主體區(qū)35、具有高雜質(zhì)濃度的n+型源接觸區(qū)36以及p+型主體接觸區(qū)37。從n+型源接觸區(qū)36的表面，形成穿透p型主基體區(qū)35、n型電流擴(kuò)布層34、n型漂移層33到達(dá)n+型場(chǎng)停止層32的溝槽38。在溝槽38的內(nèi)部，設(shè)置柵電極40，且柵氧化物膜39保持在溝槽和柵電極之間。柵電極40位于p型主體區(qū)35上從鄰接p型主體區(qū)35的n+型源接觸區(qū)36的一部分到鄰接p型主體區(qū)35的n型電流散布層34的一部分的范圍的部分中。在溝槽38中，柵電極40下的部分用嵌入的絕緣體47填充，其主要成分是SiO2。在溝槽38的表面中，其中的部分在柵電極40以上且該部分的一部分以n+型源接觸區(qū)36形成，形成層間絕緣體膜44以便接觸。
在沿襯底的表面方向的n+型源接觸區(qū)36的表面上，設(shè)置源電極46以與表面形成歐姆接觸。源電極46盡管覆蓋了層間絕緣膜44，但與相鄰單元中的n+型源接觸區(qū)36接觸。源電極46的一部分與具有高雜質(zhì)濃度的p+型主體接觸區(qū)37接觸，該區(qū)域進(jìn)入p型主體區(qū)35。漏電極與SiC襯底31的底表面接觸。此外，在實(shí)際的器件中，在器件的一端設(shè)置了未示出的電場(chǎng)限制結(jié)構(gòu)。然而，其解釋對(duì)于理解本發(fā)明是不必要的，因此將被省略。垂直溝槽MOSFET的制造方法先前示于圖3中，在下文中將給出詳細(xì)解釋。
準(zhǔn)備具有被視為其主表面的(0001)Si8°傾斜平面的n型4H-SiC襯底31或具有被視為其主表面的(0001)c8°傾斜平面的n型4H-SiC襯底(下文中簡(jiǎn)稱為襯底)31。襯底31的有效施主密度約是1×1018cm-3。襯底31的厚度約是400μm。
通過外延生長(zhǎng)，在襯底31上，依次沉積n+型場(chǎng)停止層32、n型漂移層33、n型電流擴(kuò)布層34、p型主體區(qū)35和n+型源接觸層。
在外延生長(zhǎng)過程后，在源接觸層一側(cè)的表面上，通過將TEOS和O2用作源氣體的等離子體CVD沉積具有約2μm厚度的SiO2。沉積的SiO2通過光刻工藝和等離子體蝕刻形成為用于離子注入的SiO2掩模。在濕氣氛中在1000℃到1200℃下進(jìn)行熱氧化指定的時(shí)間，例如30分鐘，以形成具有約10nm的厚度的絲網(wǎng)氧化物。
在將襯底試樣加熱到500℃的情況下，進(jìn)行利用鋁離子的對(duì)離絲網(wǎng)氧化物膜的下表面的0.4μm深度的離子注入，使得注入的離子形成具有1.5×1021cm-3的平均密度的盒形剖面。然后再次涂光刻膠，將其在Ar氣流中加熱到800℃以碳化并設(shè)置為碳罩。在這種狀態(tài)下，通過將襯底試樣在1800℃下在Ar氣流中保持5分鐘，通過離子注入引入的鋁離子被激活。將襯底試樣在O2氣流中保持在800℃下以去除碳罩。
通過至此為止的過程，在源接觸層的一部分中形成了p+型主體接觸區(qū)37。源接觸層的剩余部分變?yōu)閚+型源接觸區(qū)36。
在通過等離子體CVD在襯底試樣的p+型主體接觸區(qū)37側(cè)的表面上沉積約3.7μm厚的SiO2后，通過光刻工藝和等離子體蝕刻形成用于形成溝槽的SiO2的掩模圖案。通過將SF6和O2用作反應(yīng)氣體的ICP(感應(yīng)耦合等離子體)蝕刻(RIE反應(yīng)離子蝕刻)，形成了到達(dá)n+型場(chǎng)停止層32的溝槽38。SiC的蝕刻速率與SiO2的蝕刻速率之比(選擇比)的最大值約是2.3。因此，將具有約3.7μm厚的SiO2用作掩模，可在略小于8μm深度處容易地形成到達(dá)n+型場(chǎng)停止層32的溝槽8。通過形成具有約40nm的厚度的犧牲氧化物膜隨后將其去除，可使溝槽38的內(nèi)表面清潔。
可用SiO2或包括SiO2作為主要成分的絕緣體填充溝槽38。在用SiO2填充溝槽38后，將SiO2加熱以成為熔化狀態(tài)并使之密集。因此，在形成SiO2的步驟中，僅SiO2的整個(gè)體積大于大于溝槽38的整個(gè)體積是必要的。因此沒有必要在溝槽38中均勻且密集地沉積SiO2，所以可采用簡(jiǎn)化的沉積方法。
接著，將沉積的SiO2通過示例2或3中描述的熱處理方法加熱到1740℃。此時(shí)，變?yōu)橐夯瘧B(tài)的SiO2流入溝槽38。當(dāng)溫度降低時(shí)，SiO2凝固以均勻地填充溝槽38。此后，進(jìn)行拋光以便與用作蝕刻終止表面的SiC的主表面平坦化。將硅石用作磨料以刮削SiO2，但比硅石更硬的SiC很難被刮削。然而，當(dāng)SiC的溫度通過拋光而升高時(shí)，SiC的表面被氧化以允許表面被刮削。因此，必須小心以免過度升高溫度。
當(dāng)剩余在SiC表面上SiO2足夠平坦且其厚度通過某種檢測(cè)法已知時(shí)，可采用以諸如CHF3之類的蝕刻氣體的RIE(反應(yīng)離子蝕刻)來拋光SiO2而不用進(jìn)行拋光。最后，將SiO2深蝕刻到指定的深度，由此完成了埋入溝槽38中的絕緣體47。對(duì)于深蝕刻，可進(jìn)行將CHF3用作反應(yīng)性氣體的等離子體蝕刻。由于SiO2對(duì)SiC的選擇率變?yōu)?0或更多的某些條件的存在，可使SiC安全地暴露在主表面上。然而，在某些情況下，CHF3在SiC的表面上形成聚合物膜。在該情況下，稍后必須通過O2等離子體來去除聚合物膜。
通過將TEOS和O2用作源氣體的等離子體CVD，在溝槽38的側(cè)壁上形成約10nm厚的SiO2。通過在1300℃下與用N2稀釋的10％的N2O一起進(jìn)行高溫?zé)崽幚?小時(shí)，將側(cè)壁表面上的SiO2設(shè)置為柵氧化物膜39。
1300℃下的高溫?zé)崽幚硎禽^佳的，因?yàn)闊崽幚聿粌H對(duì)柵絕緣膜而且對(duì)埋入溝槽的SiO2(即埋置絕緣體和在沉積柵氧化物膜前留在主表面上的SiO2)帶來了增強(qiáng)擊穿電壓和提高界面特性的優(yōu)點(diǎn)。
此后的工藝除與SiC的接觸用Ni形成且進(jìn)行約1000℃的高溫退火外幾乎與形成Si溝槽MOSFET的工藝相同。在柵氧化物膜形成過程后，通過沉積包括具有高濃度的磷的多晶硅來填充溝槽。然后深蝕刻多晶硅到指定的深度以形成為柵電極40。之后，沉積層間絕緣膜44，形成接觸孔，并在層間絕緣膜44和襯底31的底表面上沉積Ni，由此形成了源電極46和漏電極45。通過在柵墊和源電極46上形成Al膜，完成了溝槽MOSFET。
因此，所形成的溝槽MOSFET可略微增強(qiáng)平均擊穿電壓。認(rèn)為這是由于顯然由埋置在溝槽38中的絕緣體47擁有的負(fù)固定電荷的減少引起的，該減少是由于溝槽38的側(cè)壁表面中的SiO2/SiC處的界面態(tài)密度的減小造成的。
如上所述，根據(jù)示例7，溝槽38的側(cè)壁表面中的SiO2/SiC處的界面態(tài)密度的減小增強(qiáng)了擊穿電壓。此外，還簡(jiǎn)化了在溝槽38中埋置絕緣體47的過程。
盡管參考其較佳實(shí)施例具體地示出并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解可在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下在其中進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)方面的上述和其它改變。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅半導(dǎo)體器件的制造方法，包括在碳化硅半導(dǎo)體襯底上形成包含氧化硅作為主要成分的氧化物層的過程，其中所述過程包括以下步驟在所述碳化硅半導(dǎo)體襯底的表面上形成氧化硅層；之后在非氧化氣氛中將所述氧化硅層的溫度升高到使所述氧化硅成為不含晶體的液化態(tài)的溫度；以及之后將所述氧化硅層快速冷卻到等于或小于緩慢冷卻溫度的溫度，以形成所述包含氧化硅作為主要成分的氧化物層。
2.如權(quán)利要求1所述的碳化硅半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，使所述氧化硅成為不含晶體的液化態(tài)的所述溫度是1730℃或更高，且所述緩慢冷卻溫度是使處于非晶態(tài)的SiO2基本不產(chǎn)生SiO2晶體的溫度。
3.如權(quán)利要求2所述的碳化硅半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述緩慢冷卻溫度是1140℃。
4.一種碳化硅半導(dǎo)體器件的制造方法，包括在碳化硅半導(dǎo)體襯底上形成包含氧化硅作為主要成分的氧化物層的過程，其中所述過程包括以下步驟在所述碳化硅半導(dǎo)體襯底的表面上形成氧化硅層；之后在非氧化氣氛中在氣態(tài)硅的供給下將所述氧化硅層加熱到1250℃與1450℃之間的溫度；以及將所述氧化硅層快速冷卻到等于或小于1140℃的溫度，以形成所述包含氧化硅作為主要成分的氧化物層。
5.如權(quán)利要求4所述的碳化硅半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述氣態(tài)硅是從氫化硅產(chǎn)生的。
6.如權(quán)利要求5所述的碳化硅半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述氫化硅是硅烷。
7.一種碳化硅半導(dǎo)體器件，具有在碳化硅半導(dǎo)體襯底的表面上設(shè)有金屬電極的結(jié)構(gòu)，且在所述碳化硅半導(dǎo)體襯底的表面與所述金屬電極之間保持有如權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的包含氧化硅作為主要成分的氧化物層。
8.如權(quán)利要求7所述的碳化硅半導(dǎo)體器件，其特征在于，全部金屬電極和一MOSFET的MOS柵結(jié)構(gòu)被設(shè)置在所述碳化硅半導(dǎo)體襯底的主表面之一上。
9.如權(quán)利要求7所述的碳化硅半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述金屬電極被設(shè)置在所述主表面中的每一個(gè)上，以提供從所述碳化硅半導(dǎo)體襯底的主表面之一到另一個(gè)主表面的電流路徑，且所述MOS柵結(jié)構(gòu)被設(shè)置在所述主表面的任一個(gè)上。
10.如權(quán)利要求8或9所述的碳化硅半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述MOS柵結(jié)構(gòu)是溝槽MOS柵結(jié)構(gòu)。
11.一種碳化硅半導(dǎo)體器件，其中一溝槽MOS柵結(jié)構(gòu)被設(shè)置在碳化硅半導(dǎo)體襯底的主表面之一上，且所述溝槽MOS柵結(jié)構(gòu)的溝槽中的氧化物層是如權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的包含氧化硅作為主要成分的氧化物層。
全文摘要
在一種碳化硅半導(dǎo)體器件的制造方法中，包括在碳化硅半導(dǎo)體襯底上形成包含氧化硅作為主要成分的氧化物層的過程，該過程包括以下步驟在碳化硅半導(dǎo)體襯底的表面上沉積氧化硅層；之后在非氧化氣氛中將氧化硅層的溫度升高到使氧化硅成為液化態(tài)的溫度；以及之后將氧化物層快速冷卻到等于或小于1140℃的溫度，以形成所述包含氧化硅作為主要成分的氧化物層。因此，提供了一種能夠通過減小包括氧化硅作為主要成分的氧化絕緣膜和碳化硅半導(dǎo)體襯底之間的界面處的界面態(tài)密度來提高溝道遷移率以降低導(dǎo)通電阻的碳化硅半導(dǎo)體器件以及該器件的制造方法。
文檔編號(hào)H01L29/51GK101060081SQ20071010131
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月18日
發(fā)明者中村俊一, 米澤喜幸 申請(qǐng)人:富士電機(jī)控股株式會(huì)社