高压高温电容结构及其制造方法 相关申请
本申请是1998年8月25日提交的，题目为“SiC半导体结构上的分层电介质”的、序列号为09/141795的美国专利申请的部分继续申请并要求其优先权，所述申请的内容已作为参考全部包括在本申请中。
政府关注的说明
本发明系在陆军研究实验室合同号DAAL01-98-C-0018和海军研究办公室合同号N00014-99-C-1072和N0014-99-C-0173下开发的。政府在本发明中可有某些权利。
【发明领域】
本发明涉及高功率、高电场或高温电容结构，具体地说，涉及电容器和金属间电介质。
【发明背景】
对于电子器件，特别是功率器件，碳化硅有许多物理、化学和电子学优点。物理上，所述材料非常硬并有非常高的熔点，使其具有坚固耐用的物理特性。化学上，碳化硅非常耐化学腐蚀，故具有化学稳定性和热稳定性。不过，也许最重要的是碳化硅具有优良的电子学特性，包括高击穿电压、相对比较宽地带隙(在室温下对6H和4H多晶型分别为3.0eV和3.2eV)，高饱和电子漂移速度，使其在高功率工作、高温工作、(耐)辐射硬度以及在频谱的蓝色、紫色和紫外区域中的高能光子的吸收和发射方面都具有显著的优点。
因此，对碳化硅器件的兴趣快速增长，而功率器件尤其受到青睐。此处所说的“功率”器件是指设计和用于功率转换或用于处理高电压和/或大电流或用于二者的器件。虽然诸如“高电场”和“高温”等术语性质上是相对的，而且人们使用它们是常常多少带点随意性，但“高电场”器件一般应能在每厘米1兆伏或大于1兆伏的电场中工作，而“高温”器件一般是指能在高于硅器件的工作温度下工作的器件，例如至少大约200℃，最好是250℃-400℃，甚至更高。对于功率器件，主要关注的是器件所能(或必须)处理的功率绝对值，以及因所用材料的特性和可靠性而造成的对器件工作的一些限制。
基于碳化硅的绝缘栅器件，特别是氧化物栅极器件，例如MOSFET，当然必须包括一种绝缘材料以便作为IGFET(绝缘栅场效应晶体管)工作。类似地，金属绝缘体半导体(MIS)电容也需要绝缘体。将绝缘材料用在器件中，器件的某些物理和工作特性不是受碳化硅特性的限制，而是受到绝缘体特性的限制。特别是，在碳化硅MOSFET和有关器件中，二氧化硅是一种优良的绝缘体，它有宽的带隙并在氧化物和碳化硅半导体材料之间提供合适的界面。因此，二氧化硅常被用作碳化硅IGFET中的绝缘材料。尽管如此，在高温或高电场，或二者兼有的情况下，碳化硅本来可以很好工作的，二氧化硅却会电击穿，即发生故障，包括会建立从栅极金属到碳化硅的电流通路的俘获陷阱。换句话说，在相当长时期，即年复一年的，加有高电场和高温(250℃-400℃)的情况下，二氧化硅就不可靠了。当然，不用说，可靠的半导体器件应具有数万小时成功工作的统计概率。
而且，熟悉半导体特性和半导体器件工作的人会认识到，除了绝缘栅外钝化也是对结构的一种挑战。例如，即使在没有栅极的情况下，在诸如台面型和平面二极管中的结(或在金属半导体FET中的肖特基触点)会产生高电场，因而通常利用氧化层将这些结钝化。这种氧化层在高电场或高温工作时会具有上述所有的缺点。
于是，用二氧化硅作为绝缘体在碳化硅中形成的IGFET器件，由于器件的二氧化硅部分的漏电和潜在的电击穿，而常常达不到碳化硅的理论能力。
虽然也有其它的候选材料可用作碳化硅IGFET的绝缘体部分，但它们都有各自的缺点。例如，高介电质如钛酸钡锶或二氧化钛，其介电常数在加电场后会急剧下降。其它材料与碳化硅之间的晶体界面质量很差，它们自身的高介电常数会产生许多始终无法完全解决的问题(例如，陷阱和漏电电流)。其它电介质如五氧化钽(Ta2O5)和二氧化钛(TiO2)在高温下会出现大量的漏电电流。因此，简单地用其它电介质来代替二氧化硅会出现它们自己的一系列完全新的问题和缺点。
人们尝试解决此问题的最近努力包括在授予Harris的美国专利号5,763,905，“Semiconductor Devices Having a Passivation Layer”中说明的技术。但Harris的905看来多少只是预测性的，却没有报告基于所公开结构的任何器件的结果。
同理，在宽带隙单片微波集成电路(MMIC)上的金属-绝缘体-金属(MIM)电容在高温下会经受到高电压。于是，需要这种电容在高达300℃的温度下以及例如高达200V的应力条件下，具有107的平均无故障时间(MTTF)。不幸的是，这些极端的电场和温度常会使传统的氮化硅MIM电容有过大的漏电电流和/或很差的可靠性(例如MTTF大约为200小时)。
所以，需要一种介电成分或结构，它能可靠地耐受高电场，同时减少或消除电流漏电，同时还可在高温下工作。
发明概述
本发明的实施例提供了具有介电结构的电容，它具有：第一厚度的第一氧化层；在第一氧化层上具有第二厚度的介电材料层，所述介电材料层的介电常数高于第一氧化层的介电常数；以及在介电材料层上、第一氧化层对面、具有第三厚度的第二氧化层。第一厚度在第一，第二和第三厚度总和的大约百分之0.5到33之间，而第二厚度在第一，第二和第三厚度总和的大约百分之0.5到33之间。
在本发明的另一些实施例中，电容还具有在第一氧化层上、与高介电层对置的第一金属层和在第二氧化层上、与高介电层对置的第二金属层，以便形成金属-绝缘体-金属(MIM)电容。
在本发明的又一个实施例中，第一氧化层和第二氧化层都是二氧化硅层，介电材料层是氮化硅层。在本发明的特殊实施例中，第一厚度和第三厚度比第二厚度至少小大约一个数量级。例如，第一厚度可为大约10到30nm，第二厚度大约为200到300nm，而第三厚度大约为10到30nm。
本发明另外的实施例提供的电容，其特征在于其平均无故障时间与电压的关系曲线比只有氮化物电介质的相应的MIM电容具有更大的斜度。而且，这些电容的特征还在于：在电压高达大约50V、温度高达大约100℃时其MTTF至少为大约107小时。根据本发明的又一些实施例的电容的特征为：在电压高达大约100V、温度高达大约100℃时MTTF至少为大约107小时。
在本发明还有一些实施例中，二氧化硅层和氮化硅层都是淀积层。而且，第一和第二金属层包括钛、铂、铬和/或金。
在本发明的其它实施例中，集成电路的高MTTF互连结构包括衬底上的多个半导体器件以及在多个半导体器件上的绝缘层。在绝缘层上形成与多个半导体器件对置的具有多个互连金属区域的第一互连层。第一氧化层形成在第一互连层上，以便覆盖多个互连金属区的至少一部分。在第一氧化层上形成与第一互连层对置的介电材料层，介电材料层的介电常数高于第一氧化层的介电常数。在介电材料层上形成与第一氧化层对置的第二氧化层，以及在第二氧化层上形成与介电材料层对置的并具有多个互连金属区的第二互连层。第一氧化层、介电材料层和第二氧化层设置在第一互连层的多个互连金属区和第二互连层的多个互连金属区中一些对应的互连金属区之间，以便形成一种金属间介电结构。
在本发明的又一些互连结构的实施例中，第一氧化层和第二氧化层是二氧化硅层，介电材料层是氮化硅层。在这些实施例中，第一氧化层的厚度是从大约10到大约30nm，介电材料层的厚度是从大约200到大约300nm，第二氧化层的厚度是从大约10到大约30nm。
在本发明另一些实施例中，第一氧化层具有第一厚度，介电材料层具有第二厚度，第二氧化层具有第三厚度，其中第一和第三厚度比第二厚度至少小一个数量级。
此外，互连结构可以具有如下特征：其平均无故障时间与电压的关系曲线比相应的氮化物金属间电介质具有更大的斜度。二氧化硅层和氮化硅层也可以是淀积层。互连结构还可以具有如下特征：在电压高达大约50V、温度高达大约100℃的条件下其平均无故障时间至少为107小时，或者更好的是在电压高达大约100V、温度高达大约100℃的条件下其平均无故障时间至少为107小时。第一和第二互连层的互连金属也可以是钛、铂、铬和/或金。
在本发明另一些实施例中，提供制造上述电容的方法，所述方法包括：在第一金属层上淀积第一氧化层，以便形成具有第一厚度的第一氧化层；在第一氧化层上淀积介电材料层，以形成具有第二厚度的高介电层，所述介电材料层的介电常数高于第一氧化层的介电常数；以及在介电材料层上淀积与第一氧化层对置的第二氧化层，以便形成具有第三厚度的第二氧化层。第一厚度在第一、第二和第三厚度总和的大约百分之0.5到33之间，而第二厚度在第一、第二和第三厚度总和的大约百分之0.5到33之间。
同理，还提供制造上述集成电路互连结构的方法，所述方法包括：形成具有多个互连金属区的第一互连层；在第一互连层上淀积第一氧化层，以覆盖多个互连金属区的至少一部分；在第一氧化层上淀积与第一互连层对置的高介电层；在高介电层上淀积与第一氧化层对置的第二氧化层；以及在第二氧化层上形成与高介电层对置的具有多个互连金属区的第二互连层。第一氧化层、高介电层和第二氧化层淀积在第一互连层的多个互连金属区和第二互连层的多个互连金属区的一些相应的互连金属区之间，以便形成一种金属间介电结构。
本发明的实施例还形成一种电容，所述电容具有：碳化硅层；在碳化硅层上的介电材料层；以及在所述介电材料层上与碳化硅层对置的第一金属层。介电材料层是氮氧化硅，分子式为Si3N4-XOX，式中0＜X≤1。
在本发明的另一些实施例中，第二金属层形成在介电材料层上并且设置在介电材料层和碳化硅层之间、以便形成一种金属-绝缘体-金属(MIM)电容。
可以这样配置介电材料层、使得介电结构的平均无故障时间与电压的关系曲线比只有氮化物电介质的相应的MIM电容具有更大的斜度。介电材料层可以配置成在电压大于约50V、温度至少约100℃的条件下其平均无故障时间至少为107小时。最好，介电材料层可以配置成在电压大于约100V、温度至少为大约100℃的条件下平均无故障时间至少为大约107小时。
本发明的实施例还为集成电路提供高平均无故障时间的互连结构，所述集成电路具有：在碳化硅衬底上的多个半导体器件；在多个半导体器件上的绝缘层；以及在绝缘层上与多个半导体器件对置的并具有多个互连金属区的第一互连层。在第一氧化层上形成与第一互连层对置的介电材料层，并且在介电材料层上形成与第一互连层对置的并具有多个互连金属区的第二互连层。介电材料层是氮氧化硅，分子式为Si3N4-XOX，式中0＜X≤1。
最好，介电材料层的厚度是从大约20nm到大约400nm。而且，介电材料层可以配置成使其平均无故障时间与电压的关系曲线比相应的氮化物金属间电介质具有更大的斜度。而且，介电材料层可以配置成在电压大于约50V、温度至少约100℃的条件下其平均无故障时间至少为大约107小时。最好，介电材料层可以配置成在电压大于约100V、温度为150℃的条件下平均无故障时间至少为约107小时。
在本发明又一些实施例中，提供制造电容的方法，所述方法包括：在碳化硅层上淀积氮氧化硅层，其分子式为Si3N4-XOX，式中0＜X≤1，以便形成具有第一厚度的介电材料层；以及在氮氧化硅层上形成第一金属层。 在另外的实施例中，还要形成设置在氮氧化硅层和碳化硅层之间的第二金属层。
在本发明又一些实施例中，淀积分子式为Si3N4-XOX，式中0＜X≤1，的氮氧化硅层是这样进行的：提供硅母体；提供氮母体；提供氧母体；以及利用硅母体、氮母体和氧母体采用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)工艺过程淀积氮氧化硅层。在本发明的特殊实施例中，硅母体是SiH4，氧母体是N2O，氮母体是N2。而且，对于容积大约为14785立方厘米的PECVD装置，以每分钟大约240到360标准立方厘米(SCCM)的流速提供SiH4，以大约8到12 SCCM的流速提供N2O，以及以大约120到180 SCCM的流速提供N2。此外，还可提供一种惰性气体。例如，惰性气体可以是He，以大约160到240 SCCM的流速提供。PECVD工艺过程可以在功率从大约16到大约24瓦、压力从大约720到大约1080mT以及温度在从大约200℃到300℃下进行。
附图简要说明
图1是本发明第一实施例的截面图；
图2是本发明第二实施例的类似视图；
图3是根据本发明实施例的IGFET的截面图；
图4是根据本发明实施例的MIS电容的截面图；
图5是传统的热氧化物和根据本发明实施例的绝缘体的电子迁移率对栅极电压的比较曲线；
图6是根据本发明实施例的钝化平面二极管的截面图；
图7是器件寿命对电场的比较曲线；
图8是根据本发明实施例的双扩散或双注入MOSFET的截面图；
图9是比较包括本发明的实施例和传统器件的各器件的电场对寿命的曲线图；
图10是根据本发明实施例的MIM电容的截面图；
图11是根据本发明实施例的电容的截面图；
图12是传统的氮化硅MIM电容和根据本发明的MIM电容的电流密度(J)对偏压的曲线图；
图13是传统的氮化硅MIM电容和根据本发明的MIM电容的平均无故障时间对电压的曲线图；以及
图14是根据本发明实施例的互连结构的截面图。
详细说明
以下将参考示有本发明优选实施例的附图更详细地说明本发明。但本发明可以用许多不同的形式体现，不应认为仅限于此处提出的实施例，提供这些实施例是使公开的内容更彻底和完全，并能将本发明的范围充分传达到本专业的技术人员。如图所示，为了进行说明，对层或区的大小都作了夸大，以便于示明本发明的一般结构。在所有的附图中，同样的数字代表同样的元件。应当指出，当提到某元件、例如层、区或衬底在另一元件“上”时，可以是直接在另一元件上或也可能有介入的元件。相反，如果提到一个元件“直接”在另一元件“上”，则没有介入元件存在。
本发明是用于宽带隙半导体材料以及用这种材料形成的有关器件的介电结构。按照本发明实施例的器件结构，特别是基本的MIS电容，示于图1，表示为10。所述结构包括碳化硅层11，它可以是碳化硅衬底部分或碳化硅外延层。这种单晶碳化硅衬底以及各种外延层的制造可以按与本发明共同转让(或许可)的美国专利中所说明的技术进行。这些专利包括(但不限于)No.Re.34,861；4,912,063；4,912,064；4,946,547；4,981,551以及5,087,576，这些专利的内容均作为参考全部包括在本文中。衬底或外延层可以选择碳化硅的3C，4H，6H，和15R多晶类型，且4H多晶类型一般优选作高功率器件。特别是，4H多晶类型的较高的电子迁移率使其对垂直结构的器件更具吸引力。器件结构10还包括碳化硅层上的二氧化硅层12。二氧化硅具有极宽的带隙(室温下大约为9eV)，并与碳化硅形成优良的物理和电子界面。因此，对于许多应用来说，它都是一个优选的绝缘体，但如在“背景”中所述，在高温和高电场下它会呈现特性上的弱点。
相应地，本发明还包括在二氧化硅层12上的另一绝缘材料层13。层13应选择具有比碳化硅层的介电常数高的介电常数(ε)，且其物理和化学特性应能使它耐受器件的碳化硅部分所需要的高温工作。在优选实施例中，高介电材料可从以下材料组(但不限于这些)中选择：氮化硅，钛酸钡锶((Ba，Sr)TiO3)，二氧化钛(TiO2)，五氧化钽(Ta2O5)，氮化铝(AlN)，和氧化氮化铝，其中特别优选氮化硅和氧化氮化铝，最优选氮化硅(Si3N4)。在绝缘材料层13上制造栅极触点14，以便将偏压加到器件结构上。
图2示出器件的第二实施例(也是一个MIS电容)，表示为15。和图1一样，第二实施例包括：碳化硅层16(外延或衬底)；第一二氧化硅层17；按上述规范选择的绝缘材料层20；以及在栅极触点22和绝缘层20之间的第二二氧化硅层21。第二二氧化硅层21形成阻挡层，防止电荷从栅极金属和高介电材料之间通过。
在优选实施例中，以热的方式形成二氧化硅层12或17，随后通过化学汽相淀积(CVD)淀积绝缘层13或20。但绝缘层可以用任何适当的技术形成，例如某些氧化物可以用溅射淀积一种金属然后使其氧化。另一个实例是用等离子增强CVD(PECVD)来淀积Si3N4。由于SiO2层12或17用来防止隧道效应，所以不需要特别厚。相反，SiO2层最好相当薄、使得可以限制热氧化的程度。正如对这些材料熟悉的人所知，注入会影响SiC氧化的方式。这样，如果在具有注入的SiC部分的器件或母体中进行大范围的氧化，则所得到的氧化层部分的厚度(因而其特性)会各不相同，这在某些情况下是不利的情况。因此限制氧化程度可以减少或消除这些问题。或者，可以淀积氧化物(例如通过CVD)，以便同时避免所述问题。氧化物也可按在2001年4月12日提交的、系列号为09/834,283(Attorney Docket No.5508-157)、题目为“METHOD OF N2O ANNEALING AN OXIDE LAYER ON A SILICONCARBIDE LAYER”的共同转让的美国专利申请以及2001年5月30日提交的、系列号为____(Attorney Docket No.5308-157IPPR)、题目为“METHOD OF N2O GROWTH OF AN OXIDE LAYER ON A SILICON CARBIDELAYER”的美国临时专利申请中描述的方法制造，这两个专利的内容已作为参考全部包括在本文中。
例如，可以在N2O气氛中在至少1200℃的温度下氧化碳化硅，就可在碳化硅层上形成氧化层。在氧化时提供预定的温度范围和预定的N2O流速。预定的温度范围和预定的N2O流速可以是恒定的，也可以是变化的，可包括上升或稳定状态的条件。可以这样选择预定的温度分布和预定的N2O流速分布、以便利用SiC导带附近的能量来减少氧化物/碳化硅界面的界面状态。所述预定的温度分布可以产生大于1200℃的氧化温度。氧化温度最好是大约1300℃。氧化时间根据所需的氧化层厚度而变。因此，氧化的过程可以进行从15分钟到大约3个小时或更长。
此外，预定流速可以包括一种或多种流速，从大约2标准升/分钟(SLM)到大约6 SLM。最好，流速在3.5到4标准升/分钟。而且，在氧化层形成后可以在Ar或N2中退火。在Ar或N2中退火的操作可以进行例如大约1小时。
预定的流速分布最好提供从大约0.37cm/s到大约1.11cm/s的N2O速度。特别是，预定的流速最好提供从大约0.65cm/s到大约0.74cm/s的N2O速度。此外，可以进行氧化层的湿再氧化，和/或在具有蒸汽分压强的环境中进行N2O氧化。
此外，在碳化硅上形成氧化层，也可以用以下方法：在包括大于大约1200℃的氧化温度的预定温度分布并在N2O的预定流速分布条件下在N2O环境中在碳化硅层上形成氧化层。可以这样选择预定流速分布、以便提供至少11秒的N2O最初滞留时间。最初滞留时间最好是从大约11秒到大约33秒。最初滞留时间更好一些是从大约19秒到大约22秒。此外，N2O的总滞留时间可以是从大约28秒到大约84秒。最好总滞留时间是从大约48秒到大约56秒。
在优选实施例中，第一二氧化硅层17或12的厚度不大于大约100，而绝缘材料层(13或22)可以是大约500厚。换句话说，每个氧化层代表钝化结构总厚度的大约百分之0.5到33，绝缘材料构成其余厚度。在优选实施例中，氧化层各自是总厚度的大约20％，而优选的氮化物绝缘体是总厚度的大约60％。
图3和图4分别示出根据本发明实施例的IGFET和MIS电容。图3示出以24表示的IGFET，它具有第一导电类型的第一碳化硅部分25。在第一碳化硅部分25上形成根据本发明的栅极绝缘结构，以支架26表示。单独地看，栅极绝缘体包括二氧化硅层27和介电常数高于碳化硅的介电常数的绝缘材料层30。在图3所示的实施例中，绝缘体26还包括第二二氧化硅层31。图3的IGFET还包括栅极触点32以及导电类型与第一碳化硅部分25相反的第二和第三部分碳化硅33和34。在33和34部分上分别形成欧姆触点35和36，以形成FET的源和漏部分。如图3中的虚线所示，诸如IGFET24的器件可以用场氧化物37相互分离。对这类器件熟悉并用这类器件构成集成电路的人都知道场氧化物部分37用来使器件与其它器件分离。虽然场氧化物没有以电子学方法与栅极绝缘体部分26直接相关，但本发明的绝缘体结构也能提供类似场绝缘体的优点。
图4示出根据本发明的MID电容，特别是类似于美国专利No.4,875,083所提出的可变电容器件，所述专利内容已作为参考包括在本文中。图4中的电容以40表示，它包括掺杂的碳化硅部分41和在掺杂碳化硅部分上的电容绝缘体部分。电容绝缘体部分包括碳化硅部分上的二氧化硅层42，以及介电常数高于二氧化硅的介电常数的另一绝缘材料层43。在图4所示的实施例中，电容40还包括在所述另一绝缘材料层43和以45表示的栅极触点之间的二氧化硅层44。触点45可以由金属或合适的导电材料例如充分掺杂以提供所需触点特性的多晶硅等构成。欧姆触点46在图示实施例中形成了一个环形，图4的截面示出其两部分，在掺杂的碳化硅部分41上这样形成欧姆触点46、使得加在金属触点45的偏压可变地耗尽掺杂的碳化硅部分41而相应地改变电容40的电容量。如图3的实施例，也可以包括场氧化物部分47，以便将器件与其邻居分离。如上所述，部分47也可包括本发明的介电结构。
熟悉半导体器件的人会理解，图1-4和图6在代表各种绝缘栅极和金属-绝缘体-半导体结构方面只是一些范例，而不是限制。所以，虽然图1-4和图6一般地示出平面结构和器件，但是，显然，本发明的绝缘体结构可以适用于各种器件结构，例如UMISFET。本发明的介电结构可以用于其中的其它栅极结构包括MISFET，绝缘栅双极晶体管(IGBT)，MOS断开闸流管(MTO)，MOS控制闸流管(MCT)以及累积FET(ACCUFET)。本发明能够为其提供增强的钝化、边界终结或场绝缘的非栅极结构包括p-i-n二极管、萧特基整流器以及金属-半导体场效应晶体管(MESFET)。
本发明的实施例也可对特殊的结构提供同样的优势，包括横向功率MOSFET和双扩散MIOSFET(DMOSFET)，这些都是垂直取向器件(即源和漏在衬底的对置的表面上)。在美国专利5,506,421和5,726,463中都有范例说明，这二专利的内容已作为参考全部包括在本文中。其它范例器件在同时待批的美国专利申请序列号08/631,926(“Silicon Carbide CMOS and Method ofFabrication)，1996年4月5日提交；序列号09/093,207，1998年6月8日提交(“Self-aligned Methods of Fabricating Silicon CarbidePower Deviced by Implantation and Lateral Diffusion”)以及09/093,208，1998年6月8日提交(“Methods of forming SiliconCarbide Power devices by Controlled Annealing”)中已提出，这些申请的内容也已作为参考全部包括在本文中。
图8示出双扩散或双注入的MOSFET，以60表示，它包括本发明的绝缘体结构。如图8所示，晶体管的源极由在p型阱62中的n+区61形成，它们包括在示为外延层63的碳化硅部分中，在以上引用的申请中描述了其形成方式。区63代表晶体管的漏极漂移区，其n+漏极以64表示，漏极触点以65表示而适当的引线以66表示。同理，67示为源极触点，而其引线以70表示。根据本发明形成栅极绝缘结构，在优选实施例中，所述栅极绝缘结构包括第一二氧化硅层71、氮化硅层72和第二二氧化硅层73。栅极金属触点74和其引线完成了所述结构。工作时，当偏压加到栅极触点74时，p-型区62耗尽，形成反向层。熟悉这些器件的人会理解，如果源部分64在此结构中从n+导电变为p型导电，所得到的图解示例就代表绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
所述图解说明的结构可以通过相对于二氧化硅层将第二介电材料分层来改进栅极或场钝化。二氧化硅在氮化硅上继续提供大的电阻挡层(即它的9eV带隙)，并防止分层后的电介质泄漏电流。在互补方式下，与单介电层相比，所述附加的介电材料(以及其较高的介电常数)改善了高温和高场可靠性。所以分层介电材料组合了两种不同材料的功能优势，在碳化硅层上形成了比单材料层所能获得的更好的介电性能。此外，二氧化硅就电荷或激活状态而言，其与碳化硅可形成比其它介电材料更好的界面。
选择准备利用二氧化硅来分层的材料的介电常数是一种重要的考虑因素，因为在电介质中的电场直接与附近的碳化硅的电场有关，还与分层后的电介质和碳化硅的介电常数的比有关。表1总结了一些通用的半导体器件的介电常数，并把碳化硅作为标准数字列出。
表1材料介电常数临界电场(MV/cm)工作电场(MV/cm)εE0(MV/cm)SiC 10 3 3 30热SiO2 3.9 11 2 7.8淀积的SiO2 3.9 11 2 7.8Si3N4 7.5 11 2 15ONO 6 11 ～2 ～12AlN 8.4 10-12 ～3** ～30AlO:N 12.4(1) 8** ～1** ～12SiXNYOZ 4-7 11 ～2 ～8-14(Ba，Sr)TiO3 75-250* 2** ～0.1(2) ～8TiO2 30-40 6 ～0.2** ～4Ta2O5 25 10(3) ～0.3(3) ～0.75
*(Ba，Sr)TiO3的介电常数随所加电场急剧下降。
**估计值
在表1中，临界电场代表材料会立即击穿的电场强度。工作电场(E0)是预计在相当长的时期，例如至少10年中，很少或不会引起电介质性能下降的最高电场。
本发明的实施例可以通过利用具有比二氧化硅高的介电常数的介电材料来改善在碳化硅上的场钝化或栅极的可靠性。在这方面，高斯定律电介质中的电场是半导体中的电场乘以一个系数(ε半导体/ε电介质)。因此，介电常数高于碳化硅的介电常数的材料就会比邻近的碳化硅的电场要低。因此，作为功率器件的栅极电介质或钝化材料的材料可用性的临界量度就是电场强度(E)和介电常数的乘积。理想的是，εE的乘积超过碳化硅的εE的乘积。
在这方面，表1列出了可以利用二氧化硅进行分层、以创建比单独利用这两种材料之一具有更好电特性的绝缘体结构的几种电介质。不过，在介电结构中也可使用其它材料，选择不限于表1所列。
本发明的分层电介质具有四种重要的特性，能使碳化硅MIS器件工作在高温和高栅极电压下：第一，电介质整体可以淀积，从而避免了SiC的热消耗。如前所述，热生长二氧化硅会比注入区更快地消耗碳化硅，导致在注入区边缘有物理台阶和更高的电场。第二，绝缘体结构的SiO2部分与碳化硅有高质量的界面。第三，多层结构减少了高温(250-400℃)下的漏电。第四，非SiO2部分提供了相对高的介电常数，从而降低了非SiO2电介质的电场，如高斯定律所示。
在生产特定的结构时，本发明的分层电介质的物理厚度与单介质层不同，所述差别由介电常数的比来确定。此外，至今，分层电介质最好作成的结构是：二氧化硅作为底层(即与碳化硅相接触)，因为需要它在高温下承受可接受的漏电流。
图10图解说明根据本发明实施例的MIM电容80的结构。如图10所见，在衬底82上，例如上述碳化硅衬底上形成金属层84。金属层84可以是任何适合的导电材料，例如铝，金，钛，铬等，但尤其是也可以使用钛-铂-金金属层。在金属层84上例如用CVD，形成氧化层86，例如二氧化硅。介电常数高于氧化层的介电材料层88，例如氮化硅，Si3N4，氮氧化物等，形成在氧化层86上，而另一氧化层90，例如二氧化硅，形成在氧化层86上。第二金属层92形成在第二氧化层90上。最好，层86，88和90分别都是淀积层。
此外，在本发明的特殊实施例中，以同碳化硅半导体器组合的形式形成电容。在又一些实施例中，金属层84和92中的至少一层形成在碳化硅的衬底上，有或没有干预层。在这类实施例中，碳化硅由于其特性而被有利地用作高压、高温材料。金属层84和92可以是钛，铂，铬和/或金。
在本发明的实施例中(其中氧化层86和90是二氧化硅，介电材料层88是氮化硅或氮氧化硅)，最好二氧化硅层比氮化硅或氮氧化硅层至少薄一个数量级。所以，例如，二氧化硅层是从大约10到大约30nm厚，而氮化硅或氮氧化硅层则为从大约200到大约300nm厚。由于氧化层和高介电层的介电常数影响着整个结构的介电常数，所以氧化层的厚度应较小，以对整个结构提供高的介电常数。然而，也可以选择氧化层和高介电层的不同的厚度、以便适合于特殊应用的总介电常数。
图11示出本发明的又一实施例，它提供电容94，用氮氧化物作为介电材料。如图11所见，碳化硅衬底82具有形成在其上的层98。在本发明的MIS电容实施例中，层98是碳化硅层，例如外延层。在本发明的MIM电容实施例中，层98是金属层，如结合图10的金属层84所述。在任一种情况下，介电层96形成在层98上并设置在金属层92和层98之间。介电层96是氮氧化物。氮氧化物是指在有氧母体、例如氧化氮(N2O)存在时所淀积的氮化物层，从而将氧引入到层中。所以，介电层96是一个有氧的氮化物层。氧化导致更高的介电强度(更高的击穿)，而不必牺牲高的介电常数。介电层96可以是一种氮氧化物，例如氮氧化硅，最好是分子式为Si3N4-XOX的氮氧化硅，式中0＜X≤1。介电层96的厚度可以根据所需的电容特性而定。但是，一般来说，大约20nm到大约400nm的厚度已适合用于在氮化硅衬底上的电容了。
可以通过例如PECVD工艺过程、利用硅母体例如SiH4、氮母体例如N2以及氧母体例如N2O来形成按照本发明实施例的介电层98。此外，在PECDV工艺过程中也可以使用惰性气体，例如He或Ar。而且，其它硅，氮，氧的母体也可以使用，以利用本发明的内容的优点。
举一个实例：利用等离子增强汽相淀积(PECVD)装置，例如Unaxis790PECVD，可以用淀积速率为每分钟10nm，在2分30秒内形成250厚的介电层98，此时SiH4的流速为300标准立方厘米/分钟(SCCM)，N2O的流速为10 SCCM，N2的流速为150 SCCM，He的流速为200 SCCM，功率为20瓦，压力为900mT，温度为250℃。于是，在本发明的某些实施例中，用SiH4，N2O，和N2作母体，可以使用SiH4的流速为大约240到大约360 SCCM，N2O的流速为从大约8到大约12 SCCM，N2的流速从大约120到大约180 SCCM。如果用He作为惰性气体，可以使用从大约160到大约240 SCCM的流速。同理，可以使用的功率从大约16到大约24瓦，压力从大约720到1080mT，温度从大约200到300℃。本专业技术人员应理解，上述参数是对使用上述PECVD装置而提出的。用不同的PECVD设备可以使用等效于上述参数的不同处理参数，来形成根据本发明的实施例的氮氧化层。
图10和11所示的本发明的实施例可以提供比传统仅有氮化物的器件改善的MTTF。按照本发明实施例的器件，对于所需的工作参数，可以提供大约106，大约107或甚至更高的平均无故障时间。最好，根据本发明的实施例的MIM电容在电压高达大约50V，温度大约为100℃时，具有至少大约107小时的平均无故障时间。更好的是，这种电容在电压高达大约100V，温度大约为100℃时，具有至少大约106、最好是大约107小时的平均无故障时间。
虽然是结合MIM电容说明了图10和图11所示的本发明的实施例，本专业的技术人员应理解，根据目前公开的内容，示于图10和图11的结构也适用于集成电路的隔离互连层，从而提供金属间的介电结构。这种结构示于图14。如图14可见，衬底118、例如氮化硅衬底，其中可形成多个半导体器件120。在半导体器件120上可以形成绝缘层，在绝缘层122上形成具有多个互连金属区124的互连层。可以在互连金属区124上形成按照本发明实施例的介电结构140。在其介电结构示于图10的本发明实施例中，第一氧化层142形成在互连层区124上，而在第一氧化层142上形成与金属互连区124对置的介电材料层144。在所述介电材料层上形成与第一氧化层142对置的第二氧化层146。介电材料层144可具有比氧化层142和146更高的介电常数。可以在第二氧化层128上形成具有多个互连金属区126的与介电材料层144对置的第二互连层。此外，还可以在第二互连层上形成绝缘层128。而且，在多级金属化的结构中，可以在3个或更多的金属化层之间形成多个介电结构，例如结构140。这样，本发明的实施例可以提供具有根据本发明的实施例的介电结构的一个或多个金属间的介电区。
可以如以上关于图10的MIM电容或图11的电容所述的那样形成图14的介电结构140。例如，金属层84可以认为是第一互连层的具有互连金属的区域，而金属层92可以认为是第二互连层的具有互连金属的区域、因此可以把图10的介电结构设置到在相应的互连金属区之间。同理，介电结构140可以如图11所示是一单层氮氧化物。这种介电结构可以选择性地设置在互连结构金属区的交叉点上，或者，氧化的高介电材料以及氧化层可以像“毯子”淀积在第一互连层上，而在像毯子淀积的介电结构上形成第二互连层。因此也可以在集成电路的互连结构中提供图10和图11所示的结构的高平均无故障时间的优点。
MIM电容
按图10所示的本发明实施例的MIM电容用CVD工艺过程制造，二氧化硅和氮化硅的厚度可各不相同。图12示出以下电容的电流密度和所加偏压的关系曲线：仅具有单层氮化硅作为电介质的MIM电容(线100)；在300nm的氮化硅层周围有30nm的二氧化硅层的MIM电容(线106)；在300nm的氮化硅层周围有10nm的二氧化硅层的MIM电容(线104)；以及在200nm的氮化硅层周围有20nm的二氧化硅层的MIM电容(线102)。从图12可见，单位面积的电容量从1.98到2.15，具有最高电容量的是仅有氮化物的电容，而具有最低电容量的是对应线106的30/300/30电容。其它器件的电容量为2.02。每个电容的面积1.6×10-3cm2，除了20/260/20电容，它的面积是9×10-4cm2。由图12可见，根据本发明实施例的电容比仅有氮化物层的电容具有减少的漏电流。
图13是对以下电容的应力电压和MTTF之间的关系曲线：仅有氮化硅电介质的电容(线112)；根据本发明实施例的具有30nm厚的二氧化硅层和300nm厚的氮化硅层的电容(线110)；具有30nm厚的二氧化硅层和240nm厚的氮化硅层的电容(线114)；以及具有350nm厚的氮氧化硅层的电容(线116)。在各种应力电压下测试器件并确定器件中作为本征缺陷的结果的平均失效时间(即除了归因于非本征缺陷的所有失效)，来求出平均无故障时间。这种平均值以图13中所示的数据点的形式画成曲线。平均无故障时间从绘制的点中外推出来。如图13可见，根据本发明实施例的电容不仅其平均无故障时间线110比仅有氮化物的器件的平均无故障时间要高，而且其斜度比仅有氮化物的器件的线的斜度要大。这样，比之传统的仅有氮化物的器件，在工作电压降低时使用本发明更为有利。
MIS电容
用表2中的材料并包括本发明的那些材料来制造电容。在优选实施例中，用了三步骤过程来分别生产二氧化硅、氮化硅和二氧化硅层。首先，在氧化炉中在氮化硅上形成高质量的二氧化硅，厚度大约为100。在序列号08/554/319、1995年11月8日提交的、题目为“Process for Reducing Defects in Oxide Layer on SiliconCarbide”的共同待批的共同转让的申请中阐述了一种优选的氧化技术，所述申请的内容已作为参考全部包括在本文中。然后用硅烷(SiH4)和氨(NH3)作为源气体、利用低压化学汽相淀积(LPCVD)淀积一个500的氮化物层。所述氮化层在湿环境气氛中950℃氧化三个小时，形成第二二氧化硅层，厚度在大约50到100之间。
在±15V范围内测量这些MIS电容的DC漏电电流。此电压对应于大致每厘米3兆伏的电压。表2总结了在不同MIS电容上测量的漏电电流，以每平方厘米的微安(μA/cm2)表示。室温下漏电最小的电容然后在250℃下测量。在此温度下的漏电在表中标记为“HT”漏电。横化线表示没有可测得的漏电(小于500微微安培)，“太高”表示绝缘体的室温漏电太高，没有进行250℃的测量。
表2 6HP 6HN 4HN热iO2 漏电＝ HT漏电＝ - - - - - -LPCVD SiO2漏电＝ HT漏电＝ - - - - - -氮化硅 漏电＝ HT漏电＝ - 56 - 1 - 1ONO 漏电＝ HT漏电＝ - - - - - -AlN 漏电＝ HT漏电＝ 125 太高 250,000 太高 ＞1000000 太高AlO:N 漏电＝ HT漏电＝ - 2 - ＞1E6 - ＞1E6
如表2所示，有几种电介质在氮化硅上绝缘不好，有些，例如氮化铝，甚至在室温下也缺乏令人满意的特性。只有含有二氧化硅的结构在250℃时，在氮化硅上也能有很好的绝缘。这可能主要与介电材料的带隙以及与氮化硅所产生的低频带偏移(阻挡高度)有关。氮化硅的带隙约为3eV，作为绝缘材料，需要至少2eV的阻挡高度。这样，在氮化硅上，介电材料或结构应具有至少7eV的带隙。仅用带隙为6eV的氮化硅预计会发生问题，也确实发生了问题，如表2所报告的漏电流测量结果所示。氮化铝的带隙(6.2eV)与氮化硅的带隙没有太大差别，而且氮化铝确实也有较高的漏电流。氮化铝和氮化硅所呈现的漏电流使这些材料不能用作单独的栅极电介质。另外，对这些绝缘体的进一步分析仅限于评价其净氧化物电荷。
虽然电介质对于高温高电场器件钝化应用必须具有高可靠性，但用作MIS器件的栅极层，这种可靠性代表一种必需的但不是充分的特性。对于这种应用，带电体缺陷和电活性界面缺陷必需尽可能减少。带电体缺陷会导致器件中的电压偏移，而电活性界面缺陷会降低沟道的迁移率。
带电体缺陷通常称为“固定氧化物电荷”，借助于由室温高频电容-电压(CV)曲线确定的平能带电压来测量。产生平能带电容量的实际电压和计及金属半导体逸出功的理想值之间的任何差异都可归因于这种固定的氧化物电荷。但对于宽带隙的半导体，例如氮化硅，所述术语“固定”氧化物电荷是一种误称。此计算的电荷密度包括来自界面状态的成分，而许多界面状态在室温下看起来是固定的。为此，这种计算的电荷密度在此称为“净”氧化物电荷。
在电介质-半导体界面处的电活性缺陷称作界面状态。这些状态因俘获或释放电子，或形成会施加垂直于电流流动方向的力的带电部位而严重降低MIS器件的沟道迁移率。任何一项上述效果都会抑制电流而降低了沟道迁移率。
表3比较了各种电容的净氧化物电荷密度和最小测量界面状态密度。
表3
净氧化物电荷(1011cm-2)绝缘体 6H P-型 6H N-型 4H N-型热SiO2 6.9 -10.8 -26LPCVD SiO2 7.5 -11.5 -29氮化硅 漏电 -9.7 -51ONO 130 1.9 5.9 AlN 64 -2 6 -54 AlO:N 8.9 1.3 -5.2
界面状态密度(1010cm-2ev-1)绝缘体 6H P-型 6H N-型 4H N-型热SiO2 6.2 36 210LPCVD SiO2 7.5 18 270氮化硅 漏电 240 1500ONO 74 5.7 14AlN 650 漏电 漏电AlO:N ～50 漏电 漏电
在热氧化物和LPCVD氧化物上净氧化物电荷和界面状态密度是最低的，这些试样没有见到显著的差别。对于n-型试样，在二氧化硅/氮化硅/二氧化硅试样上(此处称为“ONO”结构)净氧化物电荷和界面状态密度显著较低。当二氧化硅与氮化硅形成界面时，氮化硅/绝缘体的界面质量明显优越得多。
如表4所示，二氧化硅层，不论是热生长的还是淀积的，均具有最高的击穿电场，特别是在高温下。1100℃热生长的氧化物具有最高的击穿电场，淀积的氧化物也几乎同样高。
虽然击穿电场很重要，也必需考虑电介质。表4列出了对三种晶片类型(可能的话)所平均的击穿电场(EB)，然后乘以经验介电常数(ε)，作室温和350℃测量。在ONO，热生长氧化物，淀积氧化物以及氮氧化铝上测得的EBε的是最高乘积。
表4
最大击穿电场(MV/cm)
室温 6HP 6HN 4HN ε(EBD) 8.0 7.0 8.7 31 12.8 10.6 9.9 43 11.8 9.9 10.0 41 7.4 5.2 5.8 46 9.0 8.0 8.4 51 1 0.5 1 7 8.6 4.0 4.8 38
350℃ 6HP 6HN 4HN ε(EBD) 8.0 7.6 8.0 31 10.6 7.8 7.5 34 7.2 8.6 5.9 28 3.0 3.9 3.2 25 5.9 6.1 5.9 36 - - - 漏电 5 - - 33
图7示出对6H n-型SiC MIS电容在350℃所作的时间-偏压测量。此图中测量点用符号表示，指数最小二乘方法近似以线表示。这些器件呈现的寿命都很低，部分原因是由于试样很小。但这些数值对于350℃的n-型SiC并不是非典型的。
ONO电容具有最高的寿命，在既定的所加电场下比淀积的和热氧化物的寿命增加了超过一个数量级。虽然ONO电容的p-型界面质量不如热或淀积的氧化物那样好，但其n-型界面优于任何其它材料。
MISFET
除了电容，还用热氧化物和分层ONO电介质制造了几种平面金属-绝缘体半导体场效应晶体管(MISFET)。比较了不同介电材料的击穿电压，以便对MOSFET的坚固性作附加比较。在室温和350℃下测量电介质的场强，结果示于表5。
表5绝缘体 RT BD 电压(V) RT BD (MV/cm) 350℃ BD 电压(V) 350℃ BD (MV/cm)热SiO2 35 7 25 5LPCVD SiO2 45 9 35 7ONO 80** 11.4** 45** 6.4**
**电介质在此电压下并不实际击穿，但漏电。
如前所述，热氧化会导致一个物理台阶，因为注入的源和漏区氧化得比非注入沟道区要快。在注入区上生长的热氧化物也会比在非注入材料上生长的氧化物要弱。这两种效应在热氧化的MOSFET中相结合，其中台阶增强了最弱氧化物的电场和区域。这样热氧化的MOSFET的击穿电场由于MOS电容表现出的击穿电场而显著下降。
淀积的氧化物具有比热生长氧化物高的击穿电场，但最高的击穿电压是由ONO介电层来达到的。电场在350℃时稍低，但击穿电压可能是器件可靠性的一个较好的指标，因为氮化硅栅极绝缘体必需较厚才能具有同样的栅极电容。因此ONO结构展现出几乎两倍于热氧化器件的高温击穿电压的电压。
粗FET(粗FET具有大的栅极宽度，大致等于其栅极长度)的沟道迁移率由MISFET的线性规范确定：漏极电压设为0.25伏，栅极电压从0到10伏，步进1伏。从各栅极电压间的传导计算迁移率，它与阈值电压无关。图5对用分层ONO电介质制造的MISFET和用热氧化物制造的器件进行了比较。ONO MISFET具有稍高的迁移率。图5示出，在这些器件中，ONO分层介电结构至少和热氧化物一样好。
对MISFET器件在高温下的可靠性估计也作了测量，方法是：将15V(3MV/cm)的栅极电压加到一个4×100μm的栅极上，源极，漏极和衬底都接地，监控栅极电流直到达到1nA的符合电流。所述符合电流对应于0.25mA/cm2的电流密度。栅极电压增加到超过5V的可能使用电压以加速测试。
表6比较了用分层ONO电介质制造的MISFET和具有热或淀积二氧化硅器件的高温可靠性。ONO MOSFET具有明显较好的高温寿命，例如优于系数100X。此外，封装的MISFET成功的工作了240小时。
表6
在350℃下，加15V(3MV/cm)栅极偏压时的器件寿命绝缘体 寿命干法热氧化物 0.08小时淀积氧化物 0.75小时ONO ＞75小时ONO(封装，估计335℃) 240小时
ONO试样是晶片，在350℃下测试75小时没有失效。此时决定封装所述器件作测试，因为器件金属如果在350℃下暴露在大气中好几天就会氧化。然后将封装的部件在350℃下测试。封装器件的精确温度不易控制，所以估计测试温度可能更接近于335℃，而不是350℃，不管怎样，ONO试样在335℃工作了10天(240小时)。
图9示出MISFET的寿命，以便与电容的结果作比较。与电容相比，具有干法-湿法热氧化物的MISFET具有急剧减少的寿命。这可能主要是因注入区的加速生长而在源和漏区建立的物理台阶而造成的。淀积氧化物MISFET在接近其计划时间时失效，但只稍低一些。ONOMISFET则几乎准确的在从MIS电容数据中预计出的情况下失效。
二极管
除了MIS电容外，还制造了一批4个晶片的平面二极管。示范器件50的截面图示于图6。顶部p-层51以可变剂量注入。第二注入，结终结延伸(JTE)52，形成在第一注入的邻近，以减少电场积聚。虽然JTE注入有助于减少器件边沿的电场积聚，晶片表面还是需要有高质量的电介质53作钝化。平面二极管的形状是圆形的。电介质50根据本发明由氧化物/氮化物/氧化物构成。具体的说，所有三层都用PECVD淀积而成。
用PECVD Si3N4和PECVD SiO2作单层绝缘体重复制造，以便作比较。
用作所述器件的掩模组包括有半径为100到500μm不等的二极管，JTE注入的宽度则在50到150μm之间变化。外延层应支持5kV，但这些器件的JTE设计为仅阻断3kV，是为了对钝化加更多的应力。器件的性能对钝化更为敏感，因为JTE注入不会终结较高电压所产生的所有电场。所以，钝化必需耐受大得多的电场。这样，器件要特意设计为有助于评估各种决定测量。
采集到5个晶片来制造高压P-i-N二极管。用于这些器件的4H n-型衬底具有50μm的n-外延层、掺杂大约为1×1015cm-3以及1.2μm的p-层、掺杂1×1018cm-3。
图6还以54表示器件的n-型部分，以55表示阳极并且以56表示阴极。
二极管的制造方法开始为将对准标记刻蚀到SiC晶片中，为以后的掩模对准用。通过在大多数表面上刻蚀透过顶部p-型层而留下暴露的圆形的p-型阳极区来形成阳极结。利用厚的(1.4μm)氧化物掩模来形成接受低剂量JTE注入的区域。这样选择氧化物掩模的厚度、注入能量以及p-型掺杂物(铝)的剂量、使得只有预计的终结区接受注入，而在其它区域则全部被阻断。结区也接受此注入步骤，因此形成p-型层的高表面掺杂、以便形成欧姆阳极触点。注入的铝退火以减小因离子注入引起的损坏，并电激活注入物。
测量每种类型二极管的击穿电压。氮化硅有大量漏电，在2.6kV时击穿。氧化物器件有很少/没有漏电，在3.5kV左右击穿。含有本发明的介电结构的器件高达5kV时也没有漏电，而且在世界记录级的5.9kV才击穿。
总之，本发明的ONO电介质提供了显著的改进。ONO分层MISFET的高温寿命比现有技术的淀积氧化物高出100倍。这与高温SiC功率器件和电路密切相关。如果计划利用可能的额定工作电场1MV/cm，那么，可以预计ONO MOSFET在335℃会有超过240000小时的寿命。
所以，这几种器件至今所展示的成功表明可以期望本发明的钝化对几乎所有钝化或绝缘栅极结构都将起很好的作用。
在附图和说明中，已公开了本发明的典型实施例，虽然采用了一些特定的术语，但只是一般和说明性的使用，决非是为了限制，本发明的范围在所附权利书中提出。