改善SIC/SIO2界面粗糙度的方法.pdf

本发明公开了一种改善SiC/SiO2界面粗糙度的方法，该方法包括以下步骤：基片表面清洗在SiC外延片表面形成碳保护膜；进行1600℃的高温离子注入退火；进行表面碳膜的去除；将去除了表面碳膜的SiC外延片进行大面积HF酸清洗，然后进行SiO2栅介质层的生长；对进行了SiO2栅介质层的SiC外延片进行底部衬底电极的生长，并进行电极退火；对进行了衬底电极退火的SiC外延片进行栅电极的形成。本发明通过在高温下对光刻胶加热形成碳膜，相比较其它工艺方法，简单而且实用价值高，能有效的减小SiC/SiO2表面粗糙度，改善表面的平整度，减小在高栅压下的局部栅电场强度，提高栅介质层的可靠性。

1.  一种改善SiC/SiO₂界面粗糙度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A1、基片表面清洗：对N-/N+型SiC外延片的表面进行标准湿法工艺清洗；
A2、表面碳保护膜的形成：在SiC外延片表面形成碳保护膜；
A3、高温退火：对表面形成碳保护膜的SiC外延片进行1600℃的高温离子注入退火；
A4、表面碳膜的去除：对进行过高温离子注入退火之后的SiC外延片进行表面碳膜的去除；
A5、栅介质层生长：将去除了表面碳膜的SiC外延片进行大面积HF酸清洗，然后进行SiO₂栅介质层的生长；
A6、底部衬底电极的形成：对进行了SiO₂栅介质层的SiC外延片进行底部衬底电极的生长，并进行电极退火；
A7、栅电极的形成：对进行了衬底电极退火的SiC外延片进行栅电极的形成。

2.  如权利要求1所述的改善SiC/SiO₂界面粗糙度的方法，其特征在于，步骤A2的具体工艺步骤为：
A21、在N-/N+SiC外延片表面涂光刻胶、甩胶，放入烤箱中90℃下前烘1分钟；
A22、将进行前烘的SiC外延片放入高温退火炉中，在600℃下保持30分钟，进行碳化；
A23、对进行过碳化的SiC外延片进行降温。

3.  如权利要求1所述的改善SiC/SiO₂界面粗糙度的方法，其特征在于，步骤A3的具体工艺步骤为：
A31、将表面进行了碳化的SiC外延片置于高温退火炉中，将有碳膜的一面朝下，抽真空到10^-7Torr，充Ar气，逐步升温到1600℃，在1600℃停留30分钟，进行高温离子注入退火；
A32、高温退火炉降温到常温，将SiC外延片从高温退火炉中拿出。

4.  如权利要求1所述的改善SiC/SiO₂界面粗糙度的方法，其特征在于，步骤A4的具体工艺步骤为：
A41、将进行了高温离子注入退火的SiC外延片放入RIE反应室中，带有碳膜的一面朝上，关上反应室阀门，打开N₂阀门到1/4，通N₂60秒，然后关掉氮气阀门；
A42、对带有碳膜的SiC外延片进行了60秒的N₂冲洗之后，打开油泵，等到油泵的声音变大并且变得稳定的时候完全打开油泵阀门，等到泵稳定20-30分钟；
A43、打开氧气阀门，直到腔室里面的压力达到9E-12mT；
A44、打开冷却系统，调节氧气流量到47sccm；
A45、打开射频网络适配器，计时90分钟去掉SiC外延片表面的碳膜；
A46、关掉网络适配器电源，关掉O₂；
A47、将系统降压到常压，关掉冷却系统，对RIE反应室里面充N₂直到反应室门可以打开，取出SiC外延片。

5.  如权利要求1所述的改善SiC/SiO₂界面粗糙度的方法，其特征在于，步骤A5的具体工艺步骤为：
A51、对去除了表面碳膜的SiC外延片进行HF酸清洗；
A52、将进行过HF酸清洗的SiC外延片放入高温氧化炉中，1180℃时，通入纯氧气，在干氧条件下氧化SiC外延片正面10小时，生成厚度为51nm的SiO₂氧化膜；
A53、对生长的氧化膜进行氮化：对生长的SiO₂氧化膜进行1175℃下2小时的NO退火。

6.  如权利要求1所述的改善SiC/SiO₂界面粗糙度的方法，其特征在于，
步骤A6的具体工艺步骤为：
A61、把已经形成栅介质SiO₂的SiC外延片放入电子束蒸发室中；
A62、在SiC外延片背面上蒸发厚度为20nm的Ni和240nm的Au两种金属作为衬底接触金属；
A63、将进行了衬底电极制作的SiC外延片置于退火炉中在950℃下合金退火30分钟。

7.  如权利要求1所述的改善SiC/SiO₂界面粗糙度的方法，其特征在于，步骤A7的具体工艺步骤为：
A71、在进行了衬底电极淀积的SiC外延片表面涂剥离胶，甩胶；
A72、在涂完剥离胶的SiC外延片表面涂光刻胶，甩胶，利用栅版光刻出栅金属区域；
A73、在刻出栅接触孔的SiC外延片表面上蒸发厚度为 20nm/240nm的Ni/Au作为栅接触金属；
A74、利用剥离方法形成栅图形。

改善SiC/SiO2界面粗糙度的方法
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种改善SiC/SiO₂界面粗糙度的方法，以减小SiC/SiO₂界面经过高温退火之后的粗糙度，降低高压下栅介质层内的局部电场强度，改善栅介质层的可靠性，从而提高其在高温、大功率应用时的可靠性。
背景技术
SiC具有独特的物理、化学及电学特性，是在高温、高频、大功率及抗辐射等极端应用领域极具发展潜力的半导体材料。SiC功率MOSFET的最佳工作状态与栅介质绝缘层界面特性及体特性紧密相关。众所周知SiC材料表面因经历离子注入高温退火所产生的“step bunching”会使SiC/SiO₂界面形貌发生极大的退变而严重影响MOSFET的反型层迁移率，大多数情况下小于10cm²/V·s的反型层迁移率则是因为表面粗糙度引起的，并且会导致功率器件导通电阻增大。为了改善界面粗糙度，目前行业内采用了很多方法，如AlN或者石墨烯掩膜以及化学机械抛光再进行高温离子注入退火，但是在降低表面粗糙度的同时对器件特性产生了很大的影响并且产生很多完全相反的结论。
发明内容
本发明的目的在于针对上述工艺的不足，提出一种改善SiC/SiO₂ 界面粗糙度的方法，利用光刻胶形成高温退火过程中的碳保护膜，以改善SiC/SiO₂因高温退火所带来的表面粗糙度，提高SiC MISFET器件在高温、大功率应用时的可靠性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种改善SiC/SiO₂界面粗糙度的方法，该方法包括以下步骤：
A1、基片表面清洗：对N-/N+型SiC外延片的表面进行标准湿法工艺清洗；
A2、表面碳保护膜的形成：在SiC外延片表面形成碳保护膜；
A3、高温退火：对表面形成碳保护膜的SiC外延片进行1600℃的高温离子注入退火；
A4、表面碳膜的去除：对进行过高温离子注入退火之后的SiC外延片进行表面碳膜的去除；
A5、栅介质层生长：将去除了表面碳膜的SiC外延片进行大面积HF酸清洗，然后进行SiO₂栅介质层的生长；
A6、底部衬底电极的形成：对进行了SiO₂栅介质层的SiC外延片进行底部衬底电极的生长，并进行电极退火；
A7、栅电极的形成：对进行了衬底电极退火的SiC外延片进行栅电极的形成。
作为对上述技术方案的改进，步骤A2的具体工艺步骤为：
A21、在N-/N+SiC外延片表面涂光刻胶、甩胶，放入烤箱中90℃下前烘1分钟；
A22、将进行前烘的SiC外延片放入高温退火炉中，在600℃下保 持30分钟，进行碳化；
A23、对进行过碳化的SiC外延片进行降温。
作为对上述技术方案的改进，步骤A3的具体工艺步骤为：
A31、将表面进行了碳化的SiC外延片置于高温退火炉中，将有碳膜的一面朝下，抽真空到10^-7Torr，充Ar气，逐步升温到1600℃，在1600℃停留30分钟，进行高温离子注入退火；
A32、高温退火炉降温到常温，将SiC外延片从高温退火炉中拿出。
作为对上述技术方案的改进，步骤A4的具体工艺步骤为：
A41、将进行了高温离子注入退火的SiC外延片放入RIE反应室中，带有碳膜的一面朝上，关上反应室阀门，打开N₂阀门到1/4，通N₂60秒，然后关掉氮气阀门；
A42、对带有碳膜的SiC外延片进行了60秒的N₂冲洗之后，打开油泵，等到油泵的声音变大并且变得稳定的时候完全打开油泵阀门，等到泵稳定20-30分钟；
A43、打开氧气阀门，直到腔室里面的压力达到9-12mT；
A44、打开冷却系统，调节氧气流量到47sccm；
A45、打开射频网络适配器，计时90分钟去掉SiC外延片表面的碳膜；
A46、关掉网络适配器电源，关掉O₂；
A47、将系统降压到常压，关掉冷却系统，对RIE反应室里面充N₂直到反应室门可以打开，取出SiC外延片。
作为对上述技术方案的改进，步骤A5的具体工艺步骤为：
A51、对去除了表面碳膜的SiC外延片进行HF酸清洗；
A52、将进行过HF酸清洗的SiC外延片放入高温氧化炉中，1180℃时，通入纯氧气，在干氧条件下氧化SiC外延片正面10小时，生成厚度为51nm的SiO₂氧化膜；
A53、对生长的氧化膜进行氮化：对生长的SiO₂氧化膜进行1175℃下2小时的NO退火。
作为对上述技术方案的改进，步骤A6的具体工艺步骤为：
A61、把已经形成栅介质SiO₂的SiC外延片放入电子束蒸发室中；
A62、在SiC外延片背面上蒸发厚度为20nm的Ni和240nm的Au两种金属作为衬底接触金属；
A63、将进行了衬底电极制作的SiC外延片置于退火炉中在950℃下合金退火30分钟。
作为对上述技术方案的改进，步骤A7的具体工艺步骤为：
A71、在进行了衬底电极淀积的SiC外延片表面涂剥离胶，甩胶；
A72、在涂完剥离胶的SiC外延片表面涂光刻胶，甩胶，利用栅版光刻出栅金属区域；
A73、在刻出栅接触孔的SiC外延片表面上蒸发厚度为20nm/240nm的Ni/Au作为栅接触金属；
A74、利用剥离方法形成栅图形。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明通过在高温下对光刻胶加热形成碳膜，相比较其它工艺方法，简单而且实用价值高，能有效的减小SiC/SiO₂表面粗糙度，改善 表面的平整度，减小在高栅压下的局部栅电场强度，提高栅介质层的可靠性。
附图说明
图1是本发明的制备流程图；
图2是SiC外延片经过1650℃退火没碳膜保护下AFM的测试结果示意图；
图3是SiC外延片经过1650℃退火有碳膜保护下AFM的测试结果示意图；
具体实施方式
下面结合具体的实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
参照图1，本实施例的实现步骤如下：
步骤1，采用标准清洗方法RCA对4H-SiC N-/N+型SiC外延片进行表面清洗：
(1a)将4H-SiC N-/N+型SiC外延片依次浸在丙酮、无水乙醇中各5min,再用去离子水冲洗，以去除SiC外延片表面的油脂；
(1b)将第一次清洗后的SiC外延片置于H₂SO₄∶H₂O₂＝1∶1(体积比)的溶液中浸泡15min，H₂SO₄的浓度为98％，H₂O₂的浓度为27％，然后用去离子水冲洗；
(1c)将第二次清洗后的SiC外延片置于HF∶H₂O＝1∶10(体积比)的溶液中浸泡1min以漂去自然氧化层,HF酸的浓度为40％，并用 去离子水冲洗；
(1d)将第三次清洗后的SiC外延片浸在NH₄OH∶H₂O₂∶DIW＝3∶3∶10(体积比)的溶液中煮沸,NH₄OH的浓度为28％，H₂O₂的浓度为27％，再用去离子水冲洗；
(1e)将第四次清洗后的SiC外延片置于HF∶H₂O＝1∶10(体积比)的溶液中浸泡30s，HF酸的浓度为40％，并用去离子水冲洗；
(1f)将第五次清洗后的SiC外延片在HCl∶H₂O₂∶DIW＝3∶3∶10(体积比)的溶液中煮沸，HCl的浓度为10％，H₂O₂的浓度为27％，用去离子水冲洗；
(1g)将第六次清洗后的SiC外延片在HF∶H₂O＝1∶10(体积比)的溶液中浸泡30s，并用去离子水冲洗，HF酸的浓度为40％，最后用N₂枪吹干；
步骤2，在N-/N+SiC外延片正面制作高温离子注入退火碳保护膜：
(2a)在除掉表面SiO₂阻挡层的SiC外延片表面涂光刻胶；
(2b)甩胶，放入烤箱中90℃下前烘1分钟；
(2c)将进行前烘过的SiC外延片放入高温退火炉中，碳面朝上；
(2d)抽真空2小时，压力达到4～5E-7Torr；
(2e)充Ar气，设置输出压为12psi；
(2f)打开风扇；
(2g)首先将电源功率调至10％，然后按照5％/2min速度调到30％的电源功率，然后细调电源功率按照2％/2min的功率调至温度上升到 600℃，在600℃下保持30分钟；
(2h)关掉升温电源功率调节旋钮；
(2i)拿出带有碳膜的SiC外延片；
步骤3，高温退火；
(3a)将带有碳保护膜的SiC外延片放入高温退火炉中，带有碳面的一面朝下；
(3b)抽真空，压力达到4～5E-7Torr；
(3c)充Ar气，设置输出压为12psi；
(3d)打开风扇；
(3e)首先将电源功率调至60％，然后按照1％/10s速度调至温度上升到1600℃，在1600℃下保持30分钟；
(3f)关掉升温电源功率调节旋钮；
(3i)拿出带有碳膜的经过高温离子注入退火之后的SiC外延片；
步骤4，去掉N-/N+SiC外延片正面的碳保护膜：
(4a)给RIE腔体中充N₂，打开RIE反应室门；
(4b)将SiC外延片放置在正中，带有碳膜的一面朝上，用镊子压紧，关上反应室门然后拧紧阀门；
(4c)开始通O₂，流速47sccm；
(4d)打开射频网络适配器，调节功率设置为18±3W；
(4e)开始计时90分钟去除SiC外延片表面的碳膜；
(4f)关掉射频网络适配器，关掉O₂；
(4g)充N₂直到反应室腔门可以自动打开，取出SiC外延片；
(4h)将去除掉表面碳膜的SiC外延片进行RCA清洗；
步骤5，大面积生长SiO₂栅介质层：
(5a)将进行完RCA清洗的SiC外延片放入高温氧化炉中，在温度为750℃的N₂环境中推入氧化炉恒温区中；
(5b)按3℃/min速率对恒温区进行升温；
(5c)当温度升至1150℃时通入氧气，氧气流量为0.5l/min，在纯干氧条件下氧化外延片表面10小时，在外延片正面生成厚度为51nm的SiO₂氧化膜。
(5d)关掉O₂，打开Ar，通Ar气15分钟；
(5e)按照3℃/min速率对恒温区进行升温；
(5f)当温度升到1175℃时，打开NO，流量577sccm，时间2小时；
(5h)关掉NO气体，将炉温降到900℃；
(5i)关掉Ar气体，取出SiC外延片；
步骤6，衬底漏电极的形成：
(6a)将生长了栅介质SiO₂的SiC外延片放入电子束蒸发室中；
(6b)在SiC外延片背面大面积蒸发三种金属Al/Ni/Au做衬底欧姆接触电极，其厚度分别为150nm、50nm和70nm，从而形成衬底欧姆接触；
(6e)最后将做完源电极的SiC外延片置于退火炉中在950℃下进行合金退火30分钟；
步骤7栅电极的形成：
(7a)在进行完衬底电极退火的SiC外延片正面涂剥离胶、光刻胶，甩胶，然后对甩过胶的SiC外延片在80℃下进行前烘；前烘时间为10～15min；
(7b)利用栅电极光刻板刻出栅图形；
(7c)在正性显影液中显影，溶液温度为20℃，显影时间为85s；
(7d)将显影之后的SiC外延片在超纯水进行坚膜，水温度为20℃，坚膜时间为85s；
(7e)在等离子体去胶机中去掉曝光过的光刻胶，然后利用去离子水进行清洗；
(7f)然后将去过光刻胶的SiC外延片在丙酮中浸泡5小时以及利用丙酮超声1分钟，然后再丙酮、酒精清洗各一次，去掉栅电极区域的剥离胶；露出有效接触区域；
(7g)对去过光刻胶和剥离胶的SiC外延片放入电子束蒸发室当中，大面积蒸发Ti/Au，厚度为50nm/200nm；
(7m)通过剥离方法形成最后的栅电极接触。
实施例2
与实施例1相比，在本实施例是在实施例1的基础上，在去掉N-/N+SiC外延片正面的碳保护膜和大面积生长SiO₂栅介质层工序中增加了一道牺牲氧化层的生长工序，能够更有效的减小高温离子注入退火所带来的界面损伤，有效的改善界面平整度。
本实例的实现步骤如下：
步骤A，采用标准清洗方法RCA对4H-SiC N-/N+型SiC外延片进 行表面清洗：
(Aa)将44H-SiC N-/N+型SiC外延片依次浸在丙酮,无水乙醇中各5min,再用去离子水冲洗，以去除SiC外延片表面的油脂；
(Ab)将第一次清洗后的SiC外延片置于H₂SO₄∶H₂O₂＝1∶1(体积比)的溶液中浸泡15min，H₂SO₄的浓度为98％，H₂O₂的浓度为27％，然后用去离子水冲洗；
(Ac)将第二次清洗后的SiC外延片置于HF∶H₂O＝1∶10(体积比)的溶液中浸泡1min以漂去自然氧化层,HF酸的浓度为40％，并用去离子水冲洗；
(Ad)将第三次清洗后的SiC外延片浸在NH₄OH∶H₂O₂∶DIW＝3∶3∶10(体积比)的溶液中煮沸,NH₄OH的浓度为28％，H₂O₂的浓度为27％，再用去离子水冲洗；
(Ae)将第四次清洗后的SiC外延片置于HF∶H₂O＝1∶10(体积比)的溶液中浸泡30s，HF酸的浓度为40％，并用去离子水冲洗；
(Af)将第五次清洗后的SiC外延片在HCl∶H₂O₂∶DIW＝3∶3∶10(体积比)的溶液中煮沸，HCl的浓度为10％，H₂O₂的浓度为27％，用去离子水冲洗；
(Ag)将第六次清洗后的SiC外延片在HF∶H₂O＝1∶10(体积比)的溶液中浸泡30s，并用去离子水冲洗，HF酸的浓度为40％，最后用N₂枪吹干；
步骤B，在N-/N+SiC外延片正面制作高温退火碳保护膜：
(Ba)在除掉表面SiO₂阻挡层的SiC外延片表面涂光刻胶；
(Bb)甩胶，放入烤箱中90℃下前烘1分钟；
(Bc)将进行前烘过的SiC外延片放入高温退火炉中，碳面朝上；
(Bd)抽真空2小时，压力达到4～5E-7Torr；
(Be)充Ar气，设置输出压为12psi；
(Bf)打开风扇；
(Bg)首先将电源功率调至10％，然后按照5％/2min速度调到30％的电源功率，然后细调电源功率按照2％/2min的功率调至温度上升到600℃，在600℃下保持30分钟；
(Bh)关掉升温电源功率调节旋钮；
(Bi)拿出带有碳膜的SiC外延片；
步骤C，高温离子注入退火；
(Ca)将带有碳保护膜的SiC外延片放入高温退火炉中，带有碳面的一面朝下；
(Cb)抽真空，压力达到4～5E-7Torr；
(Cc)充Ar气，设置输出压为12psi；
(Cd)打开风扇；
(Ce)首先将电源功率调至60％，然后按照1％/10s速度调至温度上升到1600℃，在1600℃下保持30分钟；
(Cf)关掉升温电源功率调节旋钮；
(Ci)拿出带有碳膜的经过高温离子注入退火之后的SiC外延片；
步骤D，去掉N-/N+SiC外延片正面的碳保护膜：
(Da)给RIE腔体中充N₂，打开RIE反应室门；
(Db)将放置在正中，带有碳膜的一面朝上，用镊子压紧，关上反应室门然后拧紧阀门；
(Dc)开始通O₂，流速47sccm；
(Dd)打开射频网络适配器，调节功率设置为18±3W；
(De)开始计时90分钟去除SiC外延片表面的碳膜；
(Df)关掉射频网络适配器，关掉O₂；
(Dg)充N₂直到反应室腔门可以自动打开，取出；
(Dh)将去除掉表面碳膜的SiC外延片进行RCA清洗；
步骤E，牺牲氧化层的生长：
(Ea)将进行过高温退火的SiC外延片放入高温氧化炉中，在1200℃时在纯干氧条件下氧化SiC外延片表面30min，在SiC外延片正面生成厚度为20nm的SiO₂氧化膜；
(Eb)将生长过SiO₂氧化膜的SiC外延片放入HF酸当中，将表面的氧化层清洗掉；
步骤F，大面积生长SiO₂栅介质层：
(Fa)将进行完HF酸清洗的SiC放入高温氧化炉中，在温度为750℃的N₂环境中推入氧化炉恒温区中；
(Fb)按3℃/min速率对恒温区进行升温；
(Fc)当温度升至1150℃时通入氧气，氧气流量为0.5l/min，在纯干氧条件下氧化外延片表面10小时，在SiC外延片正面生成厚度为51nm的SiO₂氧化膜。
(Fd)关掉O₂，打开Ar，通Ar气15分钟；
(Fe)按照3℃/min速率对恒温区进行升温；
(Ff)当温度升到1175℃时，打开NO，流量577sccm，时间2小时；
(Fh)关掉NO气体，将炉温降到900℃；
(Fi)关掉Ar气体，取出；
步骤G，衬底电极的形成：
(Ga)将生长了栅介质的SiC外延片放入电子束蒸发室中；
(Gb)在背面大面积蒸发三种金属Al/Ni/Au做衬底欧姆接触电极，其厚度分别为150nm、50nm和70nm，从而形成衬底欧姆接触；
(Gc)最后将做完源电极的SiC外延片置于退火炉中在950℃下进行合金退火30分钟；
步骤H栅电极的形成：
(Ha)在进行完源漏电极退火的SiC外延片正面涂剥离胶、光刻胶，甩胶，然后对甩过胶的SiC外延片在80℃下进行前烘；前烘时间为10～15min；
(Hb)利用栅电极光刻板刻出栅图形；
(Hc)在正性显影液中显影，溶液温度为20℃，显影时间为85s；
(Hd)将显影之后的SiC外延片在超纯水进行坚膜，水温度为20℃，坚膜时间为85s；
(He)在等离子体去胶机中去掉曝光过的光刻胶，然后利用去离子水进行清洗；
(Hf)然后将去过光刻胶的SiC外延片在丙酮中浸泡5小时以及利用丙酮超声1分钟，然后再丙酮、酒精清洗各一次，去掉栅电极区域 的剥离胶；露出有效接触区域；
(Hg)对去过光刻胶和剥离胶的SiC外延片放入电子束蒸发室当中，大面积蒸发Ti/Au，厚度为50nm/200nm；
(Hm)通过剥离方法形成最后的栅电极接触。
图2是SiC外延片经过1650℃退火没碳膜保护下AFM的测试结果示意图(RMS＝6.1nm)；图3是SiC外延片经过1650℃退火有碳膜保护下AFM的测试结果示意图(RMS＝2.6nm)；由此可知，与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明通过在高温下对光刻胶加热形成碳膜，相比较其它工艺方法，简单而且实用价值高，能有效的减小SiC/SiO₂表面粗糙度，改善表面的平整度，减小在高栅压下的局部栅电场强度，提高栅介质层的可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。