[发明专利]一种基于超临界CO2处理的4H-SiC/SiO2界面低温改善方法及其应用

说明书

本发明公开了一种基于超临界CO2处理的4H‑SiC/SiO2界面低温改善方法及其应用，将待处理的碳化硅样品进行标准清洗；将清洗后的碳化硅样品干氧氧化生长氧化层；将带有氧化层的碳化硅样品放置到超临界设备内支架上，保证样品垂直；向超临界设备的腔室内放入去离子水，然后将设备密封；控制压强向超临界设备内充入二氧化碳；将超临界设备温度从25℃升到150℃；保持以上超临界状态处理，降压处理并保持；反应结束后将反应釜温度降至室温，停止增压泵，降压至大气压后取出。本发明不仅可以有效降低界面态密度还可以显著降低工艺温度，并且不会将外来原子引入到氧化层中。

技术领域

本发明属于第三代宽禁带半导体材料技术领域，具体涉及一种基于超临界CO₂处理的4H-SiC/SiO₂界面低温改善方法及其应用。

背景技术

碳化硅(SiC)作为典型的第三代宽禁带半导体，拥有很多优异的特性。与普通的Si相比，SiC器件具有耐高压、耐高频、耐高温、高寿命等特点，使其可以在轨道交通、新能源汽车、光伏逆变器、可再生能源发电、军工国防等前沿科技领域应用。在SiC MOS器件的研究中，MOSFET占据了最重要的地位。在提高SiC MOSFET功率容量方面进展十分迅速，但在改善反型沟道电子迁移率(μ_n)方面进展却比较缓慢。

为了降低4H-SiC/SiO₂界面态密度，提高SiC MOSFET的迁移率，研究者进行了多种不同的尝试。目前，氧化后的退火工艺主要用于降低4H-SiC/SiO₂界面态密度并改善MOS界面的特性。常规热退火的典型退火温度在1000-1500℃范围内，常用氮氧或POCl₃氛围来降低4H-SiC/SiO₂界面态密度。例如，在高温氧化后在1150℃条件下进行NO退火，会使4H-SiC/SiO₂MOS电容器Ec附近的界面态密度显著降低，并且提出了关于N原子与C原子和C团簇键合的钝化效果的可能解释。在N₂O气氛下高温退火，在距离导带0.2eV处得到的界面态密度显著降低，并且提出降低界面态密度是由于N原子可以和Si形成Si-N键从而降低不饱和Si-O键，O可以和C团簇形成CO从而降低C团簇密度。尽管氮氧氛围下退火在降低界面态和改善SiC MOSFET的沟道迁移率方面都是有效的，但是这些方法会将外来原子引入到界面和氧化物中，引起外部缺陷的产生和氧化物可靠性的降低。

除了在含N气体氛围中高温退火，在POCl₃气氛下退火也能有效降低界面态密度，横向4H-SiC MOSFETs沟道迁移率接近90cm²/(V·s)，迁移率提高效果明显好于NO处理，但POCl₃退火会造成器件阈值的负漂现象，且氧化层可靠性下降。

为了提高界面质量而且又不将外来原子引入界面，超高温后氧化氩(Ar)退火(约1300℃–1500℃)可以降低界面态密度，且无需引入外来原子。但是，在高温纯Ar退火后，即使在非常低的电场(0.2MV/cm)下也能观察到较高的泄漏电流。

此外，高温退火可能会降低器件的稳定性，并可能导致额外的漏电流。因此，寻找一种低温方法以获得高质量的界面是十分必要的。

一般情况下，SiC MOSFET的沟道迁移率仅为体材料迁移率的5％左右。沟道迁移率低的原因主要在于SiO₂/SiC界面态密度和氧化物电荷密度较高，尤其是SiO₂/4H-SiC的界面态密度要比SiO₂/Si界面高出近两个数量级。较高的界面态密度会引起反向沟道迁移率降低，开关速度减慢，泄漏电流增大，阈值电压增大等问题，界面质量成为了限制SiC器件性能的主要因素。因此界面态的降低方法成为了研究的重点。

发明内容