CN111668088A - 一种碳化硅衬底的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳化硅衬底的处理方法，通过等离子体处理设备对所述碳化硅衬底进行钝化；采用退火炉对钝化后的碳化硅衬底进行高温退火；在高温退火后的碳化硅衬底表面生长氧化层；对碳化硅衬底进行高温退火，可以改善碳化硅衬底表面形貌，减少碳化硅衬底与氧化层界面处杂质的引入，避免退火过程中引入新的杂质，减少氧化层中缺陷，提高氧化层质量，同时可以通过温度和时间精确控制磷原子扩散的结深；本发明通过氧族气体中的氧等离子体消除碳化硅衬底表面残余的碳，利用氮族气体中的氮等离子体和磷族气体中的磷等离子体对碳化硅衬底表面进行钝化，大大降低了界面态密度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种碳化硅衬底的处理方法。
背景技术
近年来，根据国内对功率器件的统计数据分析，高压碳化硅功率器件的市场规模逐年大幅上升，碳化硅器件的主要市场应用包括光伏、电源、不间断电源、电动/混动汽车、风力发电、轨道交通、电机驱动以及充电桩等，碳化硅材料以其宽禁带和高临界击穿场强等特性有望在电力电子装置中逐步代替硅器件，以提高现有电力电子装备的工作效率，总而言之，碳化硅电力电子器件的持续进步将对电力电子技术领域的发展起到革命性的推动作用。
碳化硅(SiC)在禁带宽度、最大场强、掺杂浓度以及热导率方面都具有传统的硅和砷化嫁无法比拟的优势，尤其适用于高压、高频、大功率、高辐照以及某些波长的光电探测技术领域。因此，碳化硅材料在功率微波以及光电器件方面得到了研发人员的广泛关注。
其中在碳化硅功率器件制备过程中，高温氧化工艺是决定碳化硅功率器件性能的核心工艺之一，碳化硅相比于等诸如氮化嫁等其它宽禁带半导体具有自身的优势，碳化硅通过热氧化工艺生成氧化膜，且不引入其他杂质元素，使得碳化硅容易与硅功率器件制备工艺兼容。
目前对碳化硅的处理是生长氧化层，然后采用氮族氛围对含有氧化层的碳化硅进行退火，碳化硅与氧化层之间的界面态密度较高，导致碳化硅功率器件的反型沟道电子迁移率较低，严重影响了碳化硅功率器件的性能。
发明内容
为了克服上述现有技术中碳化硅与氧化层之间的界面态密度较高的不足，本发明提供一种碳化硅衬底的处理方法，包括：
通过等离子体处理设备对所述碳化硅衬底进行钝化；
采用退火炉对钝化后的碳化硅衬底进行高温退火；
在高温退火后的碳化硅衬底表面生长氧化层。
所述通过等离子体对所述碳化硅衬底进行钝化，包括：
采用RCA标准清洗所述碳化硅衬底；
基于氧族气体、氮族气体和/或磷族气体中的一种或多种，采用等离子体处理设备对所述碳化硅衬底进行钝化。
通过等离子体处理设备对所述碳化硅衬底进行钝化，包括：
当采用氧族气体时，将所述碳化硅衬底放入等离子体处理设备，并将所述等离子体处理设备抽真空；
将所述等离子体处理设备的内部温度调至200℃-400℃，之后将所述等离子体处理设备的功率调至10W-1000W，接着以10SCCM-1000SCCM的流量通入氧族气体，维持1s-5min。
通过等离子体处理设备对所述碳化硅衬底进行钝化，包括：
当采用氮族气体时，将所述碳化硅衬底放入等离子体处理设备，并将所述等离子体处理设备抽真空；
将所述等离子体处理设备的内部温度调至200℃-400℃，之后将所述等离子体处理设备的功率调至10W-1000W，接着以10SCCM-1000SCCM的流量通入氮族气体，维持1s-5min。
通过等离子体处理设备对所述碳化硅衬底进行钝化，包括：
当采用磷族气体时，将所述碳化硅衬底放入等离子体处理设备，并将所述等离子体处理设备抽真空；
将所述等离子体处理设备的内部温度调至200℃-400℃，之后将所述等离子体处理设备的功率调至10W-1000W，接着以10SCCM-2000SCCM的流量通入磷族气体，维持1s-5min。
所述采用退火炉对钝化后的碳化硅衬底进行高温退火，包括：
将钝化后的碳化硅衬底放入退火炉，并将所述退火炉抽真空至1torr-30torr；
以10℃/min-200℃/min的升温速率将退火炉的内部温度升高到800℃-1000℃，之后以5SCCM-60SCCM的流量通入H2，维持2min-20min；
通入H2的同时，以20SCCM-200SCCM继续通入HCL，维持0.5min-5min；
将真退火炉的内部温度降至室温。
在高温退火后的碳化硅衬底表面生长氧化层，包括：
将高温退火后的碳化硅衬底放入氧化炉，并将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到900℃-1200℃，以1SLM-10SLM的流量通入O2、NO和/或N2O；
将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到1200℃-1500℃，维持1min-5h，之后停止通入O2、NO和/或N2O，得到氧化层。
高温退火后的碳化硅衬底表面生长氧化层，包括：
将高温退火后的碳化硅衬底放入氧化炉，并将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到900℃-1200℃，以1SLM-10SLM的流量通入H2和O2；
将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到1200℃-1500℃，维持1min-5h，之后停止通入H2和O2，得到氧化层。
在高温退火后的碳化硅衬底表面生长氧化层，包括：
将高温退火后的碳化硅衬底放入氧化炉，并将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到900℃-1200℃，以1SLM-10SLM的流量通入O2、NO和/或N2O；
将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到1200℃-1500℃，维持1min-5h，停止通入O2、NO和/或N2O；
维持氧化炉内部温度，以1SLM-10SLM的流量通入H2和O2，维持1min-5h，之后停止通入H2和O2，得到氧化层。
所述氧族气体包括O2和/或O3；
所述氮族气体包括N2O、NO、NH3和N2中的一种或多种；
所述磷族气体包括PH3、POCl3、TBP和TMP中的一种或多种。
所述氧化层厚度为2nm-50nm。
所述碳化硅衬底为N型碳化硅衬底或P型碳化硅衬底；
所述碳化硅衬底的离子掺杂浓度为1×1013～1021cm-3，其厚度为0.1μm～500μm。
本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的碳化硅衬底的处理方法中，通过等离子体处理设备对所述碳化硅衬底进行钝化；采用退火炉对钝化后的碳化硅衬底进行高温退火；在高温退火后的碳化硅衬底表面生长氧化层，大大降低了碳化硅与氧化层之间的界面态密度，消除了碳化硅衬底表面残余的碳；
本发明提供的技术方案对碳化硅衬底进行高温退火，可以改善碳化硅衬底表面形貌，减少碳化硅衬底与氧化层界面处杂质的引入，避免退火过程中引入新的杂质，减少氧化层中缺陷，提高氧化层质量，同时可以通过温度和时间精确控制磷原子扩散的结深；
本发明通过氧族气体中的氧等离子体消除碳化硅衬底表面残余的碳，利用氮族气体中的氮等离子体和磷族气体中的磷等离子体对碳化硅衬底表面进行钝化，大大降低了界面态密度。
附图说明
图1是本发明实施例中碳化硅衬底的处理方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种碳化硅衬底的处理方法，具体流程图如图1所示，具体过程如下：
S101：通过等离子体处理设备对碳化硅衬底进行钝化；
S102：采用退火炉对钝化后的碳化硅衬底进行高温退火；
S103：在高温退火后的碳化硅衬底表面生长氧化层。
本发明实施例中处理的碳化硅衬底为N型碳化硅衬底或P型碳化硅衬底；碳化硅衬底的离子掺杂浓度为1×1013～1021cm-3，其厚度为0.1μm～500μm，本发明实施例中，选取的碳化硅衬底厚度为360μm，碳化硅衬底材料为n型SiC外延材料，其掺杂浓度为1×1018cm-3。
通过等离子体对碳化硅衬底进行钝化，包括：
采用RCA标准清洗碳化硅衬底，具体的清洗过程如下：
(1)配制氢氟酸溶液(HF:H2O＝1:10)；
(2)样品支架清洗、吹干待用；
(3)取上述碳化硅样品放于支架上，按照顺序放好；
(4)配3#液(硫酸：H2O2＝3:1)，硫酸最后加，同时另一容器煮水；
(5)用3#液煮洗，15min，加热至250℃，拎起支架稍凉片刻；
(6)将支架放到热水中，冲水；
(7)配制1#液(氨水：H2O2：H2O＝1:1:5-1:1:7)，前两者倒入热水中，加热75～85℃，
时间10～20min(利用络合作用去除重金属杂质)，取出样品支架，放入1#液，15min，取出放到热水中，冲水；
(8)配制2#液(HCl：H2O2：H2O＝1：1：5)前两者倒入热水中；
(9)取出硅片，放入2#液，15min，取出放热水中，冲水；
(10)1％的氢氟酸时间5～120s，去除上述碳化硅样品表面氧化层；
(11)去离子水冲洗时间20min，超声处理后的表面带有羟基。
基于氧族气体、氮族气体和磷族气体中的一种或多种，采用等离子体处理设备对碳化硅衬底进行钝化，即可以选取氧族气体、氮族气体、磷族气体三种气体的任一一种对碳化硅衬底进行钝化，也可以采用氧族气体、氮族气体、磷族气体三种气体的任意两种或三种对碳化硅衬底进行钝化，当采用氧族气体和氮族气体两种气体时，先基于氧族气体对碳化硅衬底进行钝化，然后基于氮族气体对碳化硅衬底进行钝化；当采用氧族气体和磷族气体两种气体时，先基于氧族气体对碳化硅衬底进行钝化，然后基于磷族气体对碳化硅衬底进行钝化；当采用氮族气体和磷族气体两种气体时，先基于氮族气体对碳化硅衬底进行钝化，然后基于磷族气体对碳化硅衬底进行钝化；当采用氧族气体、氮族气体和磷族气体三种气体时，先基于氧族气体对碳化硅衬底进行钝化，然后基于氮族气体对碳化硅衬底进行钝化，最后基于磷族气体对碳化硅衬底进行钝化。
具体地，通过等离子体处理设备对碳化硅衬底进行钝化，包括：
当采用氧族气体时，将碳化硅衬底放入等离子体处理设备，并将等离子体处理设备抽真空，本发明实施例中抽真空之后等离子体处理设备的真空度为8torr；
将等离子体处理设备的内部温度调至200℃-400℃，之后将等离子体处理设备的功率调至10W-1000W，接着以10SCCM-1000SCCM的流量通入氧族气体，维持1s-5min，本发明实施例中，将等离子体处理设备的内部温度调至250℃，将等离子体处理设备的功率调至800W，通入氧族气体的流量为500SCCM；
具体地，通过等离子体处理设备对碳化硅衬底进行钝化，包括：
当采用氮族气体时，将碳化硅衬底放入等离子体处理设备，并将等离子体处理设备抽真空，本发明实施例中抽真空之后等离子体处理设备的真空度为6torr；
将等离子体处理设备的内部温度调至200℃-400℃，之后将等离子体处理设备的功率调至10W-1000W，接着以10SCCM-1000SCCM的流量通入氮族气体，维持1s-5min，本发明实施例中，将等离子体处理设备的内部温度调至250℃，将等离子体处理设备的功率调至600W，通入氧族气体的流量为1000SCCM；
具体地，通过等离子体处理设备对碳化硅衬底进行钝化，包括：
当采用磷族气体时，将碳化硅衬底放入等离子体处理设备，并将等离子体处理设备抽真空，本发明实施例中抽真空之后等离子体处理设备的真空度为1torr-10torr；
将等离子体处理设备的内部温度调至200℃-400℃，之后将等离子体处理设备的功率调至10W-1000W，接着以10SCCM-2000SCCM的流量通入磷族气体，维持1s-5min，本发明实施例中，将等离子体处理设备的内部温度调至250℃，将等离子体处理设备的功率调至700W，通入氧族气体的流量为1500SCCM；
氧族气体包括O2和/或O3；氮族气体包括N2O、NO、NH3和N2中的一种或多种；磷族气体包括PH3、POCl3、TBP和TMP中的一种或多种。
采用退火炉对钝化后的碳化硅衬底进行高温退火，包括：
将钝化后的碳化硅衬底放入退火炉，并将退火炉抽真空至1torr-30torr，本发明实施例中抽真空后退火炉的真空度为15torr；
以10℃/min-200℃/min的升温速率将退火炉的内部温度升高到800℃-1000℃，之后以5SCCM-60SCCM的流量通入H2，维持2min-20min；本发明实施例中，将退火炉的内部温度升高到850℃，H2的通入流量为40SCCM，H2的通入时间为10min；
通入H2的同时，以20SCCM-200SCCM继续通入HCL，维持0.5min-5min，当通入HCL气体的时间为0.5min时，对应的通入H2的总时间为2min，当当通入HCL气体的时间为5min时，对应的通入H2的总时间为20min。本发明实施例中，HCL气体的通入流量为30SCCM，HCL气体的通入时间为3min。
最后，将退火炉的内部温度降至室温。
在高温退火后的碳化硅衬底表面生长氧化层，具体如下：
1、通过干法氧化工艺在碳化硅衬底表面生长氧化层，包括：
将碳化硅衬底放入氧化炉，并将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到900℃-1200℃，以1SLM-10SLM的流量通入O2、NO和/或N2O；本发明实施例中，选取20℃/min的升温速率将将氧化炉的内部温度升高到1000℃，通入的气体为N2O；
将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到1200℃-1500℃，维持1min-5h，之后停止通入O2、NO和/或N2O，得到氧化层，本发明实施例中，以50℃/min的升温速率将氧化炉的内部温度升高到1300℃，得到的氧化层厚度为20nm。
2、通过湿法氧化工艺在碳化硅衬底表面生长氧化层，包括：
将碳化硅衬底放入氧化炉，并将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到900℃-1200℃，以1SLM-10SLM的流量通入H2和O2；
将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到1200℃-1500℃，维持1min-5h，之后停止通入H2和O2，得到氧化层。
3、通过干法氧化工艺和湿法氧化工艺在碳化硅衬底表面生长氧化层，包括：
将碳化硅衬底放入氧化炉，并将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到900℃-1200℃，以1SLM-10SLM的流量通入O2、NO和/或N2O；本发明实施例中，选取20℃/min的升温速率将将氧化炉的内部温度升高到1000℃，通入的气体为N2O；
将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到1200℃-1500℃，维持1min-5h，停止通入O2、NO和/或N2O；
维持氧化炉内部温度(即保持氧化炉内部温度为1200℃-1500℃)，以1SLM-10SLM的流量通入H2和O2，维持1min-5h，之后停止通入H2和O2，得到氧化层，氧化层厚度为2nm-50nm，本发明实施例中，以50℃/min的升温速率将氧化炉的内部温度升高到1300℃，得到的氧化层厚度为20nm。
为了描述的方便，以上装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种碳化硅衬底的处理方法，其特征在于，包括：
通过等离子体处理设备对所述碳化硅衬底进行钝化；
采用退火炉对钝化后的碳化硅衬底进行高温退火；
在高温退火后的碳化硅衬底表面生长氧化层。
2.根据权利要求1所述的碳化硅衬底的处理方法，其特征在于，所述通过等离子体对所述碳化硅衬底进行钝化，包括：
采用RCA标准清洗所述碳化硅衬底；
基于氧族气体、氮族气体和磷族气体中的一种或多种，采用等离子体处理设备对所述碳化硅衬底进行钝化。
3.根据权利要求2所述的碳化硅衬底的处理方法，其特征在于，所述通过等离子体处理设备对所述碳化硅衬底进行钝化，包括：
当采用氧族气体时，将所述碳化硅衬底放入等离子体处理设备，并将所述等离子体处理设备抽真空；
将所述等离子体处理设备的内部温度调至200℃-400℃，之后将所述等离子体处理设备的功率调至10W-1000W，接着以10SCCM-1000SCCM的流量通入氧族气体，维持1s-5min。
4.根据权利要求3所述的碳化硅衬底的处理方法，其特征在于，所述通过等离子体处理设备对所述碳化硅衬底进行钝化，包括：
当采用氮族气体时，将所述碳化硅衬底放入等离子体处理设备，并将所述等离子体处理设备抽真空；
将所述等离子体处理设备的内部温度调至200℃-400℃，之后将所述等离子体处理设备的功率调至10W-1000W，接着以10SCCM-1000SCCM的流量通入氮族气体，维持1s-5min。
5.根据权利要求4所述的碳化硅衬底的处理方法，其特征在于，所述通过等离子体处理设备对所述碳化硅衬底进行钝化，包括：
当采用磷族气体时，将所述碳化硅衬底放入等离子体处理设备，并将所述等离子体处理设备抽真空；
将所述等离子体处理设备的内部温度调至200℃-400℃，之后将所述等离子体处理设备的功率调至10W-1000W，接着以10SCCM-2000SCCM的流量通入磷族气体，维持1s-5min。
6.根据权利要求1所述的碳化硅衬底的处理方法，其特征在于，所述采用退火炉对钝化后的碳化硅衬底进行高温退火，包括：
将钝化后的碳化硅衬底放入退火炉，并将所述退火炉抽真空至1torr-30torr；
以10℃/min-200℃/min的升温速率将退火炉的内部温度升高到800℃-1000℃，之后以5SCCM-60SCCM的流量通入H2，维持2min-20min；
通入H2的同时，以20SCCM-200SCCM继续通入HCL，维持0.5min-5min；
将真退火炉的内部温度降至室温。
7.根据权利要求1所述的碳化硅衬底的处理方法，其特征在于，所述在高温退火后的碳化硅衬底表面生长氧化层，包括：
将高温退火后的碳化硅衬底放入氧化炉，并将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到900℃-1200℃，以1SLM-10SLM的流量通入O2、NO和/或N2O；
将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到1200℃-1500℃，维持1min-5h，之后停止通入O2、NO和/或N2O，得到氧化层。
8.根据权利要求1所述的碳化硅衬底的处理方法，其特征在于，所述在高温退火后的碳化硅衬底表面生长氧化层，包括：
将高温退火后的碳化硅衬底放入氧化炉，并将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到900℃-1200℃，以1SLM-10SLM的流量通入H2和O2；
将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到1200℃-1500℃，维持1min-5h，之后停止通入H2和O2，得到氧化层。
9.根据权利要求1所述的碳化硅衬底的处理方法，其特征在于，所述在高温退火后的碳化硅衬底表面生长氧化层，包括：
将高温退火后的碳化硅衬底放入氧化炉，并将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到900℃-1200℃，以1SLM-10SLM的流量通入O2、NO和/或N2O；
将氧化炉的内部温度以10℃/min-200℃/min的升温速率升高到1200℃-1500℃，维持1min-5h，停止通入O2、NO和/或N2O；
维持氧化炉内部温度，以1SLM-10SLM的流量通入H2和O2，维持1min-5h，之后停止通入H2和O2，得到氧化层。
10.根据权利要求5所述的碳化硅衬底的处理方法，其特征在于，所述氧族气体包括O2和/或O3；
所述氮族气体包括N2O、NO、NH3和N2中的一种或多种；
所述磷族气体包括PH3、POCl3、TBP和TMP中的一种或多种。
11.根据权利要求1所述的碳化硅衬底的处理方法，其特征在于，所述氧化层厚度为2nm-50nm。
12.根据权利要求1所述的碳化硅衬底的处理方法，其特征在于，所述碳化硅衬底为N型碳化硅衬底或P型碳化硅衬底；
所述碳化硅衬底的离子掺杂浓度为1×1013～1021cm-3，其厚度为0.1μm～500μm。
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