[发明专利]一种MOSFET器件氮化方法

说明书

本发明提供了一种MOSFET器件氮化方法，包括使用含氮气气体对所述MOSFET器件进行氮化处理，优选所述氮化处理在1200‑1500℃，优选1250‑1450℃的温度下进行。根据本发明提供的功率器件氮化方法，通过在器件的氧化过程和/或氧化后在高温下采用氮气进行氮化，简化了氮化钝化气体体系，避免栅介质可靠性和击穿电场强度的降低，避免了氮化气体产生的潜在毒性和毒气泄漏风险，简化了尾气处理系统。

技术领域

本发明涉及功率器件领域，具体涉及一种MOSFET器件的氮化及钝化方法。

背景技术

SiC材料是目前唯一一种可以通过热氧化形成SiO₂膜的化合物半导体，这使得SiCMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物-半导体场效应晶体管)器件的制造和性能优化可以借鉴成熟的Si工艺。但是，SiC MOSFET器件存在沟道迁移率低的问题，其主要原因是热氧化SiO₂/SiC界面态密度过高。SiO₂/SiC界面态陷阱的主要起源是氧化层中的近界面缺陷和SiO₂/SiC界面处的碳残留。由于SiC晶格中包含碳原子，导致热氧化后界面处有碳的悬挂键或碳簇残留。这些界面态陷阱可以俘获自由电子，并引起库伦散射，导致器件性能衰退。

在Si工艺中，通常通过氮化在栅介质中引入N元素，形成Si-O-N结构，可以有效抑制多晶硅栅中的掺杂扩散到沟道中，同时提升栅介质可靠性。氮化也是目前最主要的钝化SiO₂/SiC界面处界面态陷阱的方法。氮化方法的主要原理是将一定浓度的氮原子引入到SiO₂/SiC界面处，以钝化界面陷阱。现有技术中，氮化钝化是公认的能有效地降低SiO₂/SiC界面态密度的方法，通常采用在NO或N₂O气体氛围下进行氧化或高温退火处理。这种方法可以有效地降低SiO₂/SiC结构中的界面态密度，并基本保持栅介质的击穿电场强度在可接受的范围。该方法的操作例如可参考L·利普金等人的专利申请CN 1311534C和Mrinal KantiDas等人的专利US申请2002/0102358 A1。

但是，NO和N₂O本身具有氧化性，在退火过程中提供N以钝化界面陷阱的同时，也会对SiO₂/SiC界面进一步进行氧化，导致新的界面陷阱产生，从而降低氮化钝化的效果。

专利申请US 7727340 B2中研究了使用NH₃作为氮化退火气体，结果显示NH₃钝化可以降低SiC导带边缘的界面态密度。但是，NH₃钝化不仅在界面引入氮原子，在整个介质中也引入过量的N原子，使得SiO₂介质的击穿电场强度显著降低。

目前的氮化钝化工艺，主要是基于NO、N₂O和NH₃气体开展，如图1所示。首先需要使用NO/N₂O对SiO₂氧化层进行氮化，然后再通过NH₃退火进一步对SiO₂/SiC界面进行钝化。该氮化钝化工艺存在以下缺点：

1)需要使用不同气体，进行多步氮化钝化，工艺流程复杂；

2)NO是有毒气体；N₂O高温下分解也会产生有毒气体NO；NH₃易燃，有毒，具有刺激性。因此，退火设备密封性要求较高，设备昂贵，且需要配备复杂的尾气处理系统，工艺过程较危险，工艺成本高。

3)NO和N₂O本身具有氧化性，在界面处引入N原子的同时，也会对SiO₂/SiC界面进一步进行氧化，导致新的界面陷阱产生，界面态密度也不能被充分降低，从而降低氮化钝化的效果；