碳化硅半導體器件及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及碳化娃半導體器件及其制造方法，特別地，設及可減少闊值電壓波動 的碳化娃半導體器件及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 為了允許半導體器件的擊穿電壓高、損耗低并且用于高溫環(huán)境中，近來已經越來 越多地采用碳化娃作為形成半導體器件的材料。碳化娃是帶隙比傳統(tǒng)上被廣泛用作形成半 導體器件的材料的娃大的寬帶隙半導體。因此，通過采用碳化娃作為形成半導體器件的材 料，可實現半導體器件的較高擊穿電壓和較低導通電阻。已經采用碳化娃作為材料的半導 體器件的優(yōu)點還在于，在高溫環(huán)境中使用期間的特性降低小于已經采用娃作為材料的半導 體器件中。
[0003] 例如，在采用碳化娃作為材料的半導體器件之中的金屬氧化物半導體場效應晶體 管(MOSFET)和絕緣柵型雙極性晶體管（IGBT)中，可通過在將預定闊值電壓定義為邊界的情 況下控制是否在溝道區(qū)中形成反型層，控制是否允許將在兩個電極之間流動的電流流動。
[0004] 例如，Mitsuo Okamoto等人的 "Reduction of Instability in Vth of4H-SiC Carbon 化。6 MOSFETs"(日本應用物理學會(The Japan Society of Applied 陸ysics)的 第59屆春季會議論文集，2012年春，第15-309頁(NPDl))已經指出，碳化娃MOSFET由于柵極 偏置應力而遭遇闊值電壓的波動。本文獻公開了為了減少闊值電壓的波動在氨氣氛中將形 成有柵極氧化物膜的碳化娃襯底退火的方法。
[0005] 引用列表
[0006] 非專利文獻
[0007] NPDl :Mitsuo Okamoto等人的 "Reduction of Instability in Vth of4H-SiC 化rbon Face MOS陽Ts"(日本應用物理學會的第59屆春季會議論文集，2012年春，第15-309 頁(Nroi))

【發(fā)明內容】

[000引技術問題
[0009] 然而，在于氨氣氛中進行退火的情況下，即使可暫時減少闊值電壓的波動，例如， 當在形成歐姆電極的后續(xù)步驟中將襯底暴露于高溫時，也會有損減少闊值電壓波動的效 果。換句話講，雖然在襯底上形成柵電極的階段減少了闊值電壓的波動，但在最終器件的階 段，闊值電壓的波動可能沒有減少。
[0010] 本發(fā)明致力于解決W上的問題，本發(fā)明的目的是提供可減少闊值電壓的波動的碳 化娃半導體器件及其制造方法。
[0011] 問題的解決方案
[0012] 根據本發(fā)明的一種碳化娃半導體器件包括碳化娃襯底、柵極絕緣膜和柵電極。所 述碳化娃襯底具有第一主表面和與所述第一主表面相反的第二主表面。所述柵極絕緣膜被 設置為接觸所述碳化娃襯底的所述第一主表面。所述柵電極設置在所述柵極絕緣膜上，使 得所述柵極絕緣膜位于所述柵電極和所述碳化娃襯底之間。在175°C的溫度下向所述柵電 極施加-5V的柵電壓達100小時的第一應力測試中，第一闊值電壓和第二闊值電壓之差的絕 對值不大于0.5V，所述第一應力測試之前的闊值電壓被定義為所述第一闊值電壓并且所述 第一應力測試之后的闊值電壓被定義為所述第二闊值電壓。
[0013] 根據本發(fā)明的一種制造碳化娃半導體器件的方法包括W下步驟。制備中間襯底， 所述中間襯底包括一個主表面和與所述一個主表面相反的另一個主表面。將鋼阻擋部件布 置為接觸所述中間襯底的一個主表面。在所述鋼阻擋部件接觸一個主表面的同時，將所述 中間襯底退火。在將所述中間襯底退火的步驟之后，從所述一個主表面去除所述鋼阻擋部 件。所述中間襯底包括碳化娃襯底、柵極絕緣膜和源電極，所述碳化娃襯底具有面對所述一 個主表面的第一主表面和與所述第一主表面相反的第二主表面，所述第二主表面形成所述 中間襯底的另一個主表面，所述柵極絕緣膜部分地接觸所述碳化娃襯底的第一主表面，所 述源電極接觸通過所述柵極絕緣膜暴露的第一主表面。鋼在所述鋼阻擋部件中的擴散長度 不大于鋼在碳化娃中的擴散長度。
[0014] 根據本發(fā)明的一種制造碳化娃半導體器件的方法包括W下步驟。制備中間襯底， 所述中間襯底包括一個主表面和與一個主表面相反的另一個主表面。將第一鋼吸收部件布 置為接觸所述中間襯底的一個主表面。在所述第一鋼吸收部件接觸一個主表面的同時，將 所述中間襯底退火。在將所述中間襯底退火的步驟之后，從一個主表面去除所述第一鋼吸 收部件。所述中間襯底包括碳化娃襯底、柵極絕緣膜和源電極，所述碳化娃襯底具有面對所 述一個主表面的第一主表面和與所述第一主表面相反的第二主表面，所述第二主表面形成 所述中間襯底的另一個主表面，所述柵極絕緣膜部分地接觸所述碳化娃襯底的第一主表 面，所述源電極接觸通過所述柵極絕緣膜暴露的第一主表面。鋼在所述第一鋼吸收部件中 的擴散長度大于鋼在碳化娃中的擴散長度。
[0015] 本發(fā)明的有益效果
[0016] 根據本發(fā)明，可提供可減少闊值電壓的波動的碳化娃半導體器件及其制造方法。
【附圖說明】
[0017] 圖1是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的碳化娃半導體器件的結構的示 意性剖面圖。
[0018] 圖2是用于示出鋼的總數的限定的圖示。
[0019] 圖3是用于示出碳化娃半導體器件的闊值電壓的限定的圖示。
[0020] 圖4是用于示出根據本發(fā)明的一個實施例的碳化娃半導體器件的第一闊值電壓和 第二闊值電壓的圖示。
[0021] 圖5是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方法 的流程圖。
[0022] 圖6是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方法 中的第一步驟的示意性剖面圖。
[0023] 圖7是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方法 中的第二步驟的示意性剖面圖。
[0024] 圖8是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方法 中的第=步驟的示意性剖面圖。
[0025] 圖9是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方法 中的第四步驟的示意性剖面圖。
[0026] 圖10是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第五步驟的示意性剖面圖。
[0027] 圖11是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第五步驟的放大的示意性剖面圖。
[0028] 圖12是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第六步驟的示意性剖面圖。
[0029] 圖13是用于示意性示出用于測量鋼的濃度的測試元件組(TEG)的構造的示意性剖 面圖。
[0030] 圖14是鋼的濃度和自多晶娃表面的深度之間的關系的圖示。
[0031] 圖15是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第五步驟的第一變形的第一示例的示意性剖面圖。
[0032] 圖16是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第五步驟的第一變形的第二示例的示意性剖面圖。
[0033] 圖17是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第五步驟的第一變形的第=示例的示意性剖面圖。
[0034] 圖18是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第五步驟的第二變形的第一示例的示意性剖面圖。
[0035] 圖19是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第五步驟的第二變形的第二示例的示意性剖面圖。
[0036] 圖20是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第五步驟的第二變形的第=示例的示意性剖面圖。
[0037] 圖21是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第五步驟的第二變形的第四示例的示意性剖面圖。
[0038] 圖22是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第五步驟的第二變形的第五示例的示意性剖面圖。
[0039] 圖23是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第五步驟的第二變形的第六示例的示意性剖面圖。
[0040] 圖24是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第五步驟的第二變形的第屯示例的示意性剖面圖。
[0041] 圖25是用于示意性示出根據本發(fā)明的一個實施例的制造碳化娃半導體器件的方 法中的第五步驟的第二變形的第八示例的示意性剖面圖。
[0042] 圖26是在175°C的溫度和-5V的柵電壓的條件下與樣本1、4、5和6關聯(lián)的MOSFET的 闊值電壓的波動量的圖示。
[0043] 圖27是在150°C的溫度和-IOV的柵電壓的條件下與樣本1、4、5和6關聯(lián)的MOS陽T的 闊值電壓的波動量的圖示。
【具體實施方式】
[0044] [對本申請的發(fā)明實施例的描述]
[0045] 下文中，將參照附圖描述本發(fā)明的實施例。在W下的附圖中，相同或對應的元件被 分配相同的參考符號，并且將不再重復對其的描述。另外，關于本文中的晶體學表示，分別 用[]、<〉、0和{}表示單個取向、群取向、單個面和群面。此外，用其上方帶有橫條的數字 表達結晶學負指數，然而，本文中負號在數字之前。在表達角時，采用總方位角被定義為360 度的系統(tǒng)。
[0046] 發(fā)明人已經進行了關于抑制由于柵極偏置應力導致的闊值電壓波動的方法的專 口研究，并且得到如下的發(fā)現并且做出了本發(fā)明。
[0047] 初始地，在形成源電極的步驟之前和之后，氣氛中存在的諸如鋼(Na)、硫（S)、鐘 化）、鐵(Fe)、銅(Cu)、儀(Mg)和巧(Ca)的金屬雜質粘附于碳化娃襯底上設置的層間絕緣膜 的表面。諸如鋼的金屬雜質由于在形成源電極的步驟和形成源電極的步驟之后的步驟中的 熱處理而穿過層間絕緣膜的表面進入柵電極，并且擴散進入圍繞柵極絕緣膜的部分中。預 料到，運種金屬雜質在MOSFET操作期間供應電荷，因此闊值電壓降低并且往往會有電流流 動。
[0048] 進一步研究的結果是，已經發(fā)現在金屬雜質之中尤其是鋼影響了闊值電壓的波 動。進一步詳細研究的結果是，已經發(fā)現通過將圍繞柵極絕緣膜的鋼的總數抑制為不大于 特定數量的數量，可有效減少由于柵極偏置應力而導致的闊值電壓波動。具體地講，柵極絕 緣膜和柵電極之間的界面被定義為第一界面并且柵極絕緣膜和碳化娃襯底之間的界面中 的面對第一界面的區(qū)域被定義為第二界面，控制將位于第一虛擬表面和第二虛擬表面之間 的界面區(qū)域中包含的鋼的總數除W第一界面的面積而計算出的值，使其為5Xl〇w原子/cm 2 或更小，第一虛擬表面沿著垂直于第一界面的方向位于遠離第一界面朝向柵電極達柵極絕 緣膜的厚度，第二虛擬表面沿著垂直于第二界面的方向位于遠離第二界面朝向碳化娃襯底 達柵極絕緣膜的厚度。
[0049] ?？谘芯康慕Y果是，發(fā)明人已經發(fā)現，鋼離子擴散到碳化娃的晶體中比鋼擴散到 傳統(tǒng)上廣泛使用的娃的晶體中慢。當通過外部引入鋼而表現出的雜質的量恒定時，鋼擴散 到碳化娃晶體中比鋼擴散到娃晶體中慢，運意味著，相比于娃晶體的表面，鋼更有可能累積 在碳化娃晶體的表面上。
[0050] 本發(fā)明已經檢驗了鋼擴散到娃襯底和碳化娃襯底中的狀態(tài)。具體地講，初始地，審U 備由其中一定量的鋼被作為化Cl附著的石墨制成的四個托盤。將娃襯底放置在兩個托盤中 的每個中，將碳化娃襯底放置在剩下的兩個托盤中的每個中。各托盤由形成密閉空間的上 蓋和下蓋組成，襯底被封閉在該密閉空間中。各托盤在IOOCTC的溫度下經受熱處理5分鐘。 此后，從托盤中取出娃襯底和碳化娃襯底并且用感應禪合等離子體質譜儀(ICP-MS)來測量 各襯底的表面中的鋼的濃度。
[0化1] 表1
[0053] 將參照表1描述各襯底的表面中的鋼的濃度。樣本I和樣本2代表娃襯底并且樣本3 和樣本4代表碳化娃襯底。如表1中所示，經受該熱處理的娃襯底的表面中的鋼的濃度分別 是170 X IO9原子/cm2和140 X IO9原子/cm2。經受熱處理的碳化娃襯底的表面中的鋼的濃度 分別是1700X IO9原子/cm2和1500X IO9原子/cm2。即，碳化娃襯底的表面中的鋼的濃度表現 出比娃襯底的表面中的鋼的濃度高一個數量級的值。另外，在溫度和熱處理的時間段變化 的情況下，也確認有類似的關系。
[0054] 從W上結果中已經發(fā)現，相比于娃襯底，碳化娃襯底中的襯底中的鋼擴散較慢，因 此，更多鋼累積在襯底的表面上。因此，在使用碳化娃襯底時，需要比使用娃襯底時更嚴格 地針對減少雜質引入進行控制并且針對襯底中的濃度進行控制。
[0055] (1)根據實施例的一種碳化娃半導體器件包括碳化娃襯底10、柵極絕緣膜15和柵 電極27。碳化娃襯底10具有第一主表面IOa和與所述第一主表面IOa相反的第二主表面IOb; 柵極絕緣膜15,其被設置成接觸碳化娃襯底10的第一主表面10a。柵電極27設置在柵極絕緣 膜15上，使得柵極絕緣膜15位于柵電極27和碳化娃襯底10之間。在175°C的溫度下向柵電極 27施加-5V的柵電壓達100小時的第一應力測試中，第一闊值電壓和第二闊值電壓之差的絕 對值不大于0.5V，所述第一應力測試之前的闊值電壓被定義為第一闊值電壓并且第一應力 測試之后的闊值電壓被定義為第二闊值電壓。因此，可有效減少碳化娃半導體器件的闊值 電壓的波動。
[0056] (2)在根據（1)所述的碳化娃半導體器件中，優(yōu)選地，在150°C的溫度下向柵電極27 施加-IOV的柵電壓達100小時的第二應力測試中，第S闊值電壓和第四闊值電壓之差的絕 對值不大于0.1 V，第二應力測試之前的闊值電壓被定義為第=闊值電壓并且第二應力測試 之后的闊值電壓被定義為第四闊值電壓。因此，可更有效減少碳化娃半導體器件的闊值電 壓的波動。
[0057] (3)在根據（1)或(2)所述的碳化娃半導體器件中，優(yōu)選地，在柵極絕緣膜15和柵電 極27之間的界面被定義為第一界面15a并且柵極絕緣膜15和碳化娃襯底10之間的界面中的 面對第一界面15a的區(qū)域被定義為第二界面15b，通過將包含在沿著垂直于所述第一界面 15a的方向位于遠離第一界面15a朝向柵電極27達柵極絕緣膜15的厚度的第一虛擬表面2a 和沿著垂直于第二界面15b的方向位于遠離第二界面1加朝向碳化娃襯底10達柵極絕緣膜 15的厚度的第二虛擬表面化之間的界面區(qū)域R中的鋼的總數除W第一界面15a的面積而計 算出的值不大于5Xl〇w原子/cm 2。因此，可更有效減少碳化娃半導體器件的闊值電壓的波 動。
[0058] (4)在根據(3)所述的碳化娃半導體器件中，優(yōu)選地，在距離相反于第二界面15b的 柵電極27的第S主表面27a的IOnm內的區(qū)域中的鋼的濃度的最大值大于界面區(qū)域R中的鋼 的濃度的最大值，W及界面區(qū)域R中的鋼的濃度的最大值不大于IX l〇is原子/cm3。因此，即 使當在鋼的濃度高的環(huán)境中制造碳化娃半導體器件時，也可得到闊值電壓的波動量小的碳 化娃半導體器件。
[0059] (5)根據（1)至(4)中的任一項所述的碳化娃半導體器件，優(yōu)選地，還包括:層間絕 緣膜21，其覆蓋與第二界面15b相反的柵電極27的第=主表面27a并且被設置為接觸柵極絕 緣膜15; W及源電極16,其接觸碳化娃襯底10的第一主表面10a。控制在將源電極退火的步 驟之后在柵電極27和層間絕緣膜21上執(zhí)行的熱處理的溫度和時間段，使得滿足條件NoXLt/ x<1.52Xl〇w，其中，Lt(皿)代表鋼的擴散長度，x(皿)代表從在沿著第一界面15a的垂直方 向Y的方向上從與第=主表面27a相反的層間絕緣膜21的表面21c到第一界面15a的距離，No (cnf3)代表層間絕緣膜21的表面21c中的鋼的濃度。因此，可更有效減少碳化娃半導體器件 的闊值電壓的波動。
[0060] (6)在根據(3)至(5)中的任一項所述的碳化娃半導體器件中，優(yōu)選地，距離碳化娃 襯底10的第二主表面IOb的IOnm內的區(qū)域中的鋼的濃度