[发明专利]一种在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法

说明书

本发明提供了一种在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，包括以下步骤：(1)将碳化硅衬底上载至高温炉管中；(2)在第一温度下，氧气的气氛中，在碳化硅衬底表面形成初始氧化层；(3)在第二温度下，氩气气氛中，将碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理；(4)将碳化硅衬底卸载；(5)将碳化硅衬底上载至低压炉管腔体中，在第三温度下使用低压化学气相淀积法形成主体氧化层；(6)将碳化硅衬底卸载；(7)将碳化硅衬底上载至高温炉管中；(8)在第二温度下，氩气气氛中，将碳化硅衬底进行第二次高温热退火处理；(9)将碳化硅衬底卸载。本发明的方法能够有效降低界面态密度以及氧化层固定电荷数量，从而提高栅极氧化层的性能。

技术领域

本发明涉及半导体器件制造领域，具体而言，一种在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法。

背景技术

随着人类社会各种主要经济体的规模因科学技术的高速发展而快速扩张，不可避免地引入了一系列全球性的环境与能源问题。因此，环保、高效和节能成为目前各个产业升级中的关键词。

功率半导体器件及模块在电极调控、智能电网和电源系统等方向得到了广泛的应用。要想缓解全球性的能源危机，必须要大幅提高这类器件的能效。但是，Si器件的发展已经接近由其材料特性决定的理论性能极限。所以，必须寻找新材料来满足新一代功率器件来替代传统的Si器件。

碳化硅材料是一种继硅、砷化镓应用之后的第三代宽禁带半导体材料，其热学、化学稳定性很高，临界击穿电场强度大、载流子饱和漂移速度大、热导率高。这些优势使得其可以用来制造各种适用于极端工作环境，耐高温耐辐照的高频大功率器件，应用于战斗机、通讯、汽车电子、空间飞船等军民用系统。碳化硅一直以来受到学界的高度重视，成为了国际上功率电子和新型材料领域研究的热点。作为主要产品的碳化硅基金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)也广泛应用于航空航天、新能源动力汽车、轨道交通、风力发电以及太阳能电池等重要领域。

尽管碳化硅MOSFET已经发展了很长时间，但是其性能尤其是栅氧化层质量方面还有非常巨大的提升空间。栅极氧化层界面质量不好、界面态密度高、沟道迁移率低等因素严重影响着碳化硅MOSFET的电学性能及可靠性。这种因素不仅和处理栅极氧化层的方式有关，也和生长栅氧化层的方法相关。

目前在碳化硅栅极氧化层的制造方法中，通常先在氧气环境中使用热氧化的方法形成50-100nm厚度的氧化层，然后再进行高温下退火以降低界面态密度和陷阱电荷的数量。然而形成栅氧化层后，碳化硅和氧化硅界面处会有大量的不饱和悬挂键。而在后续进行的退火中由于氧化层厚度较厚不能够使得退火的气体到达界面从而不能和界面处的不饱和悬挂键反应。所以这种常规的制造方法并不能使界面态陷阱电荷数量和氧化层电荷有效地降低。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，该方法能够有效降低界面态密度以及氧化层固定电荷数量，从而提高栅极氧化层的性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种在碳化硅材料上制造栅极氧化层的方法，包括以下步骤：

(1)将碳化硅衬底上载至高温炉管中；

(2)在第一温度下，氧气、一氧化氮或者一氧化二氮的气氛中，在碳化硅衬底表面形成初始氧化层；

(3)通过步骤2中选择的不同气氛采取以下退火处理方式：

(3-1)当步骤(2)的气氛为氧气时，在第二温度下，一氧化氮气氛中，将步骤(2)中形成初始氧化层的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理；

(3-2)当步骤(2)的气氛为一氧化氮或者一氧化二氮时，在第二温度下，氩气气氛中，将步骤(2)中形成初始氧化层的碳化硅衬底进行第一次高温热退火处理；

(4)降低高温炉管的温度，将步骤(3)中形成初始氧化层的碳化硅衬底卸载；