專利名稱：SiO的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)涉及并要求2002年8月30日提交的題為“SiO2/SiC結(jié)構(gòu)中界面態(tài)的氮鈍化”的美國臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)60/406,753的優(yōu)先權(quán)，在此引入其全部內(nèi)容作為參考。
政府資助聲明本發(fā)明是在由海軍研究辦公室(the Office of Naval Research)提供的合同號(hào)為N00014-02-C-0302的政府資助下進(jìn)行的。政府對(duì)本發(fā)明享有一定的權(quán)利。
背景技術(shù)：
已知氮鈍化，也稱作“氮化”是一種降低SiO2/SiC界面處界面態(tài)密度的有效方法。氮化技術(shù)，包括生長和后氧化退火詳細(xì)記載于2002年8月1日出版的題為“利用在氫環(huán)境中的退火在碳化硅層上制造氧化物層的方法”的美國專利公開2002/0102358、2001年10月1日提交的題為“在碳化硅層上的氧化物層的N2O生長方法”的美國專利公開2002/0072247和2001年4月12日提交的題為“在碳化硅層上的氧化物層的N2O退火方法”的美國專利申請(qǐng)09/834,283中，其中的每一個(gè)專利均共同轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并且在此全文引入作為參考。
簡而言之，氮化方法將氮以充足的濃度引入到SiO2/SiC界面，以鈍化或中和界面處至少一定濃度的“陷阱”，否則這些“陷阱”會(huì)在層中產(chǎn)生不希望的能量態(tài)。“陷阱”是半導(dǎo)體材料內(nèi)能夠吸引或“陷入”自由電子載體的局部區(qū)域。陷阱可能是由不同材料如SiO2和SiC的界面處未封端或懸掛的電化學(xué)鍵引起的。陷阱還可能由界面附近的其它類型的晶格缺陷產(chǎn)生。不希望的能量態(tài)可能削弱SiO2/SiC界面附近的材料的電性能并且可能降低引入這些界面的電子器件，如MOSFET、電容器和其它器件的性能。陷阱還可能通過引起場(chǎng)終止和/或庫侖散射而削弱器件的電功能。
SiC表面上的局部不均勻性也可能導(dǎo)致界面附近電荷的不均勻分布。在典型的SiO2/SiC結(jié)構(gòu)中，SiC表面電荷的不均勻分布可能導(dǎo)致表面電勢(shì)變化約4kT的標(biāo)準(zhǔn)偏差，這是一個(gè)較顯著的波動(dòng)。相比而言，硅中的表面電勢(shì)變化可小于1.5kT。表面電勢(shì)的變化可引起電子器件中不希望的特性。例如，表面電勢(shì)的變化可引起摻入SiO2/SiC界面的MOSFET具有比其它情況下更高和更軟的開啟電壓。
雖然已經(jīng)證明通過使用N2O和/或NO的生長和/或后氧化退火進(jìn)行的氮化成功地降低了SiO2/SiC結(jié)構(gòu)中界面態(tài)的密度(DIT)，并同時(shí)保持了可接受的氧化物強(qiáng)度，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出了能夠通過這種技術(shù)獲得的DIT降低量的上限。雖然確切的原因尚未可知，但是認(rèn)為N2O和NO退火在提供氮以鈍化陷阱的同時(shí)，也對(duì)SiO2/SiC界面提供了引起界面進(jìn)一步生長進(jìn)入SiC的氧，這可產(chǎn)生另外的陷阱，由此抵消鈍化的益處。
Chung等人研究了使用氨(NH3)作為退火氣體的SiO2/SiC界面的鈍化退火。見例如“在氨中退火對(duì)4H-碳化硅金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容器中譜帶邊沿附近的界面陷阱密度的影響”，Appl.Phys.Let.，Vol.77，No.22，3601-03頁(2000年11月)。Chung等人使用標(biāo)準(zhǔn)濕氧化技術(shù)在4H-SiC晶片上制備了40nm的氧化物層。隨后將晶片在氨中于1atm和1050-1175℃退火2小時(shí)。Chung等人發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電帶邊緣附近的界面態(tài)密度降低。在“用氧化氮鈍化4H-SiC/SiO2界面”，Materials ScienceForum Vols.389-393，967-972頁(2002)中，Chung等人注意到在降低導(dǎo)電帶邊緣附近的界面態(tài)密度(DIT)方面氨似乎與NO同樣有效。但是，Chung等人注意到用NH3鈍化的氧化物層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)度(即介電強(qiáng)度)要低得多。
發(fā)明概述在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，SiO2/SiC結(jié)構(gòu)中界面態(tài)的氮鈍化是通過在包含氮且基本不含氧的環(huán)境中使二氧化硅/碳化硅界面退火而進(jìn)行的，該界面是在N2O和/或NO中生長和/或氮化的。在某些實(shí)施方案中，退火氣體為氨(NH3)。在某些實(shí)施方案中，氮化的第一步是通過在包含N2O和/或NO的氣氛中使氧化物層生長和/或退火而進(jìn)行的。隨后在第二步中，碳化硅-氧化物界面在基本無氧的環(huán)境中氮化，在某些實(shí)施方案中使用NH3作為退火氣體。第一和第二氮化步驟可以在相同的反應(yīng)器中進(jìn)行，但一般在不同的反應(yīng)器中進(jìn)行。
在具體的實(shí)施方案中，退火是在小于大氣壓和高于約1000℃但低于約1400℃的溫度下經(jīng)過足以降低界面態(tài)密度的時(shí)間而進(jìn)行的。本發(fā)明的某些實(shí)施方案可以將界面態(tài)密度降低到超過單獨(dú)用NO、N2O或NH3氮化所報(bào)道的水平而基本不降低氧化物層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)度。本發(fā)明的某些實(shí)施方案還可以改進(jìn)電荷在氧化物層中分布的均勻性。
在本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施方案中，通過在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火來加工碳化硅層上的氮化的氧化物層。退火可在高于約900℃的溫度進(jìn)行。在另外的實(shí)施方案中，退火在高于約1000℃，例如約1100℃、約1200℃或約1300℃的溫度進(jìn)行。
在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火是在小于約1個(gè)大氣壓下進(jìn)行的。例如，可以在基本無氧的含氮環(huán)境中于約0.01-約1atm的壓力下使氮化的氧化物層退火。在本發(fā)明具體的實(shí)施方案中，在基本無氧的含氮環(huán)境中于約0.2atm的壓力下使氮化的氧化物層退火。
在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，氮化的氧化物層是在含有N2O和/或NO的環(huán)境中生長的氧化物層。在本發(fā)明其它的實(shí)施方案中，氮化的氧化物層是在含有N2O和/或NO的環(huán)境中退火的氧化物層。在本發(fā)明其它的實(shí)施方案中，氮化的氧化物層是在含有N2O和/或NO的環(huán)境中生長并退火的氧化物層。
在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，基本無氧的含氮環(huán)境是含NH3的環(huán)境。基本無氧的含氮環(huán)境還可以是NH3和至少一種惰性氣體的環(huán)境。例如，基本無氧的含氮環(huán)境可以是NH3與N2、Ar和/或He中的一種或多種的環(huán)境。在本發(fā)明的特定實(shí)施方案中，基本無氧的含氮環(huán)境包括比例約為1∶3的NH3∶N2。另外，基本無氧的含氮環(huán)境可以包括NH3和H2?；緹o氧的含氮環(huán)境還可以包括NH3和SiH4。在這些實(shí)施方案中，可將SiH4和NH3供給包含氮化的氧化物層的反應(yīng)室，以使SiH4和NH3在一直到氮化的氧化物層附近的反應(yīng)室區(qū)域才混合。
在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，NH3的流量為約1-約10標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘(SLM)。另外，NH3的流量可以提供約0.1cm/sec-約1000cm/sec的氣體速率。例如，NH3的流量可以提供約1cm/sec-約100cm/sec的氣體速率。
在本發(fā)明另外的實(shí)施方案中，氮化的氧化物層是熱生長的氧化物層和/或沉積的氧化物層。
附圖簡述

圖1是說明本發(fā)明實(shí)施方案的實(shí)施過程的流程圖；圖2是說明本發(fā)明另外的實(shí)施方案的實(shí)施過程的流程圖；圖3是可根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案處理的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是適用于本發(fā)明實(shí)施方案的反應(yīng)器的示意圖；圖5是說明幾種退火條件下界面陷阱密度(DIT)與SiO2/SiC界面處能帶隙的導(dǎo)電帶邊緣附近能量水平的關(guān)系圖；圖6是兩種晶片的等效并聯(lián)電導(dǎo)(GP/ω)與頻率的關(guān)系圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案加工的氧化物的泄漏電流與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系圖；圖8是說明幾種退火條件下界面陷阱密度(DIT)與SiO2/SiC界面處能帶隙的導(dǎo)電帶邊緣附近能量水平的關(guān)系圖；和圖9和10是使用本發(fā)明的實(shí)施方案制造的MOSFET的漏電流(空心圓)和溝道遷移率(實(shí)心圓)圖。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述下面將參考附圖更全面地描述本發(fā)明，在附圖中給出了本發(fā)明的實(shí)施方案。但是，本發(fā)明可以具有許多不同的具體形式，不應(yīng)該解釋為只限定于本文所列的實(shí)施方案。更確切而言，提供這些實(shí)施方案是為了使公開內(nèi)容徹底而完全，并且向本領(lǐng)域技術(shù)人員全面公開本發(fā)明的范圍。在附圖中，為了清楚起見，將層和區(qū)域的厚度放大了。通篇同樣的數(shù)字表示同樣的元件。應(yīng)該理解，當(dāng)談到一個(gè)元件，如層、區(qū)域或基底位于或超出另一個(gè)元件“之上”時(shí)，它可以直接位于或直接超出另一個(gè)元件之上，或者也可以存在中間元件。相反，當(dāng)提到一個(gè)元件“直接”位于或“直接”超出另一個(gè)元件“之上”時(shí)，則不存在中間元件。
根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案，已經(jīng)在N2O和/或NO環(huán)境中有SiO2層生長于其上的SiC基底在基本無氧的環(huán)境，例如使用NH3作為退火氣體的情況下進(jìn)行氮化。因?yàn)橥嘶饸怏w不含氧，所以SiO2層在氮化過程期間不能繼續(xù)生長。由此得到降低了的界面態(tài)密度(DIT)，而不對(duì)氧化物的擊穿場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。
根據(jù)本發(fā)明另外的實(shí)施方案，使用常規(guī)熱氧化物和/或其它生長技術(shù)使SiO2層生長于SiC層上。然后，根據(jù)常規(guī)技術(shù)使用常規(guī)的N2O或NO退火氣體進(jìn)行氮化。隨后，在基本無氧的環(huán)境中進(jìn)行SiO2/SiC界面的氮化，在某些實(shí)施方案中使用NH3作為退火氣體。
此處所用基本無氧的環(huán)境是指含氧源的氣體不是故意引入到反應(yīng)室中的環(huán)境。由此，術(shù)語“基本無氧”用于指不故意引入氧的環(huán)境或方法，雖然可以存在一些氧。
在特定的實(shí)施方案中，基本無氧氮化在例如使用NH3退火的情況下可以在高于約900℃進(jìn)行的，而在其它實(shí)施方案中在至少約1000℃進(jìn)行。在某些實(shí)施方案中，基本無氧的氮化退火是在1atm或更小的壓力下進(jìn)行的，而在其它實(shí)施方案中在約0.2atm下進(jìn)行。
現(xiàn)在參考說明本發(fā)明具體實(shí)施方案的實(shí)施過程的流程圖的圖1和圖2描述本發(fā)明的實(shí)施方案。如圖1所示，本發(fā)明的某些實(shí)施方案利用基本無氧的氮化退火氧化物層來降低二氧化硅/碳化硅邊界處的界面態(tài)密度。
在圖1中，在塊50中提供碳化硅層。碳化硅層可包括碳化硅基底或位于基底上的碳化硅外延層?；卓梢允翘蓟杌蚩梢允悄撤N其它材料，例如硅。在塊52中，在碳化硅層上提供氧化物層?？梢岳贸Ｒ?guī)濕和/或干氧化技術(shù)生長氧化物層，和/或利用CVD技術(shù)沉積氧化物層，所有這些技術(shù)均是本領(lǐng)域熟知的。在塊54中，二氧化硅/碳化硅界面在N2O和/或NO中經(jīng)受后氧化退火以氮化界面。該退火過程可例如如本文參考的美國專利申請(qǐng)所述進(jìn)行。在塊56中，碳化硅層上的氧化物層在含有氮且基本不含氧的環(huán)境中退火。退火可在高于900℃，并且在某些實(shí)施方案中在超過約1000℃的溫度下進(jìn)行足以降低二氧化硅/碳化硅界面的界面態(tài)密度的時(shí)間。在某些實(shí)施方案中，環(huán)境中包含NH3。
圖2說明了本發(fā)明的其它實(shí)施方案，其中在塊60中提供了SiC層。碳化硅層可以是以上參考圖1所述的碳化硅層。在塊62中，氮化的氧化物層生長在SiC層上。氮化的氧化物層可以在N2O和/或NO環(huán)境中生長。N2O和/或NO氧化物生長可例如如本文參考的美國專利申請(qǐng)所述進(jìn)行。在塊64中，二氧化硅/碳化硅界面在含有氮且基本不含氧的環(huán)境中退火。退火可在高于900℃，并且在某些實(shí)施方案中在超過約1000℃的溫度下進(jìn)行足以降低二氧化硅/碳化硅界面的界面態(tài)密度的時(shí)間。在某些實(shí)施方案中，環(huán)境中包含NH3。
圖3說明了可以根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案處理的示例性結(jié)構(gòu)1，其顯示了基底10，使用常規(guī)技術(shù)使包含SiO2的氧化物層12生長在基底10上?；?0可以包含碳化硅基底6、位于碳化硅基底6上的碳化硅外延層8、或位于非碳化硅基底6上的碳化硅外延層8。結(jié)構(gòu)1可以是利用在碳化硅上的SiO2層制備各種電子器件，如MOSFET、電容器和其它器件的前體。如上所述，碳化硅基底10和氧化物層12之間的界面14的不完整性和不完全結(jié)合可在結(jié)構(gòu)中引起“陷阱”，該“陷阱”可引起不希望的電狀態(tài)。通過鈍化(或中和)存在于界面14中的陷阱可以降低這種不希望狀態(tài)的密度DIT。
圖4說明了適用于本發(fā)明實(shí)施方案的反應(yīng)器20的示意圖。從圖4可見，反應(yīng)器20包括室22，室22中配有用以支撐基底10的基座26。RF感應(yīng)線圈24環(huán)繞室22并提供用于加熱基座26的RF能量。加熱也可用電阻式加熱元件完成。通過進(jìn)氣口32A、32B將退火氣體提供到室中。從出氣口34將氣體排出反應(yīng)器。通過真空泵35和節(jié)流閥36調(diào)節(jié)室22內(nèi)的壓力。通過質(zhì)量流控制器30A和30B控制進(jìn)入反應(yīng)室22的氣流。在某些實(shí)施方案中，反應(yīng)器20能夠在反應(yīng)室22中產(chǎn)生超過約1000℃的基底溫度。
根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施方案，提供碳化硅基底10，其上生長有包含SiO2的氧化物層12。將基底10放置在反應(yīng)室22中的基座26上。將反應(yīng)室的壓力抽空至約1個(gè)大氣壓或更低。通過進(jìn)氣口32A或32B將含有氮但不含氧的退火氣體引入到室22中，同時(shí)保持室22中的壓力在約1atm以下，在某些實(shí)施方案中為約0.01-1atm，而在另一些實(shí)施方案中為約0.2atm。在某些實(shí)施方案中，退火氣體包含NH3。可使用惰性載氣如N2、Ar和/或He或不使用載氣進(jìn)行NH3退火。使用惰性氣體勝于使用諸如H2等氣體，后者通過形成和除去諸如SiH4等氣體可以加速氧化物層厚度的減少。在某些實(shí)施方案中可以使用氮作為載氣，主要是因?yàn)槠涑杀镜颓乙椎?。?yōu)選NH3與N2的比為約1∶3。此外，在某些實(shí)施方案中，在室22中可以存在少量H2。
另外，SiH4氣體可以流過例如進(jìn)氣口32A，以便降低和/或限制厚度的減少，消除厚度減少，或甚至如果需要生長另外的SiOxNy和/或SiNz。在某些實(shí)施方案中，SiH4和NH3直到接近基底10時(shí)才混合以防止預(yù)反應(yīng)。因此，例如，SiH4可從進(jìn)氣口32A提供，而NH3從進(jìn)氣口32B提供，其中設(shè)計(jì)進(jìn)氣口32A和32B直到氣體接近基底10時(shí)才混合引入到室22中的氣體。在某些實(shí)施方案中，退火在適于穩(wěn)定流動(dòng)條件的較高溫度和減壓下進(jìn)行。退火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以是典型的用于III-組氮化物外延生長的系統(tǒng)。雖然在本說明書中提供了典型和特定的范圍，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，精確的退火條件可根據(jù)反應(yīng)器系統(tǒng)幾何而改變，因此可根據(jù)給定的系統(tǒng)幾何進(jìn)行優(yōu)化。所以，本發(fā)明的實(shí)施方案不應(yīng)該限定為本文中典型和/或特定的工藝值、參數(shù)和范圍。
但是，NH3流量取決于所用的特定設(shè)備，在特定的實(shí)施方案中退火期間流量保持在約1-約10標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘(SLM)。對(duì)于特定體系，低至約0.1cm/sec或高至約1000cm/sec的氣體速率均是適宜的，盡管也可以使用約1cm/sec-約100cm/sec的氣體速率。
隨后將反應(yīng)室22加熱到超過約900℃，在特定的實(shí)施方案中，超過約1000℃，但低于約1400℃的溫度，以降低或防止對(duì)氧化物層12的損害，并且保持在超過約900℃，在特定的實(shí)施方案中，超過約1000℃的預(yù)定溫度范圍。在某些實(shí)施方案中，在退火期間室22保持在約1000℃-約1300℃。退火可進(jìn)行約30分鐘。但是，可以進(jìn)行約5分鐘-約5小時(shí)或更長時(shí)間的退火。然后讓反應(yīng)室22冷卻至室溫，從室22中取出基底10。在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，升溫和/或冷卻的持續(xù)時(shí)間包括在退火時(shí)間內(nèi)。但是，在本發(fā)明的其它實(shí)施方案中，退火時(shí)間為氧化物層12處于超過約1000℃的含氮無氧環(huán)境中的時(shí)間。
在某些實(shí)施方案中，在于無氧環(huán)境中退火之前使用N2O或NO將氧化物層12氮化。氧化物層的氮化可通過在N2O和/或NO環(huán)境中生長和/或在N2O和/或NO環(huán)境中后生長而完成，如以上參考的美國專利公開2002/0102358所述。
可單獨(dú)使用上述的NO生長和/或退火或者與N2O生長和/或退火合用。如果通過在N2O環(huán)境中生長和/或退火提供氮化的氧化物層，則該生長和/或退火可在本文所述的預(yù)定溫度和預(yù)定流量下進(jìn)行。
對(duì)于N2O退火，可使用預(yù)定溫度范圍使氧化物退火，所述溫度范圍包括室中高于約1100℃的退火溫度，其中以預(yù)定流量限度內(nèi)的流量供給該室N2O。在某些實(shí)施方案中退火溫度為約1175℃或更高，而在其它實(shí)施方案中可以使用約1300℃。N2O的流量限度可根據(jù)使用該工藝的特定設(shè)備選擇。但是，在特定的實(shí)施方案中，N2O的流量限度可以低至約2標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘(SLM)或高至約8SLM。在另外的實(shí)施方案中，可以使用約3-約5SLM的流量限度。對(duì)于特定爐子，低至約0.37cm/sec或高至約1.46cm/sec或約0.55cm/sec-約0.95cm/sec的氣體速率可能是適宜的。但是，N2O和/或NO退火可以進(jìn)行約3小時(shí)，也可以使用約30分鐘-約6小時(shí)的退火，盡管也可以使用更短或更長的時(shí)間。
對(duì)于N2O生長，可使用預(yù)定溫度范圍使SiC基底10氧化，所述溫度范圍包括室中高于約1200℃的氧化溫度，其中以預(yù)定流量限度內(nèi)的流量供給該室N2O。氧化溫度可以高于1200℃，例如約1300℃。N2O的流量限度可根據(jù)使用該工藝的特定設(shè)備選擇。但是，在特定的實(shí)施方案中，N2O的流量限度可以低至約2標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘(SLM)或高至約6SLM或更高。在另外的實(shí)施方案中，優(yōu)選約3.5SLM-約4SLM的流量限度。因此，對(duì)于特定設(shè)備，在某些實(shí)施方案中可以使用低至約0.37cm/sec或高至約1.11cm/sec的氣體速率，而在其它實(shí)施方案中可以使用約0.65cm/s-約0.74cm/s的速率。N2O氧化進(jìn)行的時(shí)間可以根據(jù)所要求的氧化物層的厚度確定。例如，可以使用約3小時(shí)或更長的氧化時(shí)間。本文中N2O是指純N2O或與其它氧化劑，如蒸汽、O2和/或惰性氣體合用的N2O。
在NO和/或N2O環(huán)境中氧化和/或在NO和/或N2O環(huán)境中退火之后，可以在惰性氣體或諸如氬、氫、和/或N2或其與其它氣體的組合物等氣體中進(jìn)行任選的退火。這種退火可以進(jìn)行約30分鐘，但是也可以退火長達(dá)約3小時(shí)或更長。這種在氫中的后氮化退火可如美國專利申請(qǐng)10/045,542所述，該專利申請(qǐng)是在2001年10月26日提交的，題目為“利用在氫環(huán)境中退火在碳化硅層上制備氧化物層的方法”，在此引入該申請(qǐng)的全部公開內(nèi)容作為參考。
實(shí)施例下列實(shí)施例和實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該僅視為是說明性的并且不應(yīng)該解釋為是對(duì)本發(fā)明的限制。在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)美國專利5,972,801所述方法，通過傳統(tǒng)干氧化工藝，包括再次氧化在由Cree，Inc.制造的4H-SiCn-型晶片上形成450埃厚的SiO2層，該專利是在1999年10月26日授權(quán)的，并轉(zhuǎn)讓給了本發(fā)明的受讓人，在此引入其全部內(nèi)容作為參考。然后根據(jù)以上參考的于2001年4月12日提交的題為“碳化硅層上的氧化物層的N2O退火方法”的美國專利申請(qǐng)09/834,283所述的方法將SiO2/SiC界面氮化。具體而言，界面在1300℃的爐管中于4SLM的N2O流量下退火3小時(shí)。隨后，從管式爐中取出晶片。
NH3退火在能夠減壓(Vacuum-Pressurized)的退火室中進(jìn)行。(出于比較的目的，一片晶片未進(jìn)行N2O退火，并且經(jīng)N2O退火的晶片中的一片未進(jìn)行NH3退火。)退火室減壓至0.2atm，并以6SLM的速率將NH3引入該室中。將該室的溫度升高至900℃并使晶片退火。使用1000、1100和1200℃的NH3退火溫度重復(fù)該過程，退火時(shí)間為30-60分鐘。
在氧化物層上沉積鋁點(diǎn)以形成金屬-氧化物-半導(dǎo)體電容器(MOS-C)，對(duì)其進(jìn)行下列測(cè)試。
圖5說明了幾種退火條件下界面陷阱密度(DIT)與SiO2/SiC界面處能帶隙的導(dǎo)電帶邊緣附近能量水平的關(guān)系圖?？梢允褂帽绢I(lǐng)域技術(shù)人員已知的技術(shù)測(cè)試DIT。在這種情況下，結(jié)果是使用靈敏且精確的在MOS結(jié)構(gòu)上測(cè)試界面態(tài)密度的電導(dǎo)技術(shù)獲得的，因?yàn)樗且环N直接測(cè)量由于界面態(tài)的俘獲和釋放而引起的信號(hào)損失的測(cè)試技術(shù)。
如圖5所示，在帶邊緣附近DIT呈指數(shù)變化。因此，通常從導(dǎo)帶中引用0.2eV處(EC-E＝0.2eV)的DIT值，因?yàn)樵擖c(diǎn)符合電導(dǎo)技術(shù)開始失去其精確性的平帶條件。如圖5所示，干燥氧化物+N2O退火界面在EC-E＝0.2eV產(chǎn)生約6×1011eV-1cm-2的DIT值，這與N2O和NO氮化技術(shù)領(lǐng)域的目前狀態(tài)是相當(dāng)?shù)?。在N2O退火之后，在最高達(dá)900℃進(jìn)行的NH3退火未顯示出對(duì)界面態(tài)密度明顯的改進(jìn)。在900℃以上進(jìn)行NH3退火，發(fā)生DIT的顯著下降。對(duì)于干燥氧化物+N2O+1200℃NH3退火界面獲得約為2.3×1011eV-1cm-2的最小DIT值。相比之下，在干燥氧化物+1100℃NH3退火界面測(cè)得約為1×1012eV-1cm-2的DIT。
圖6是如上所述加工的兩種晶片的等效并行電導(dǎo)(GP/ω)與頻率的圖。兩種晶片均包括使用干燥氧化物技術(shù)進(jìn)行熱生長的氧化物層，并且兩種晶片均如上所述使用N2O退火進(jìn)行氮化。一片晶片在1000℃NH3中退火，而另一片晶片在1100℃NH3中退火。
等效并行電導(dǎo)的高斯曲線峰值與DIT成正比，而峰寬提供了對(duì)表面電勢(shì)波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)的量度。如以上所討論，由于在氧化物中和在界面處的局部不均勻性，表面電勢(shì)產(chǎn)生波動(dòng)。隨著鄰近能量水平開始響應(yīng)信號(hào)，這導(dǎo)致電導(dǎo)-頻率曲線變寬。一般，對(duì)于SiC MOS-C，這種測(cè)試得到非常寬的曲線，σ＝3-4，干燥氧化物+N2O+1000℃NH3退火曲線即是這種情況。干燥氧化物+N2O+1100℃NH3退火界面顯示了較緊湊的分布(σ＝1)，表明該結(jié)構(gòu)具有更大的電荷均勻性。
Chung等注意到，通過NH3對(duì)從前未曾經(jīng)過氮化的氧化物進(jìn)行的氮化的一個(gè)潛在缺點(diǎn)是氧化物層的介電強(qiáng)度降低。熱生長的二氧化硅一般具有約10MV/cm的擊穿場(chǎng)。經(jīng)觀察NH3退火氧化物的擊穿場(chǎng)約為4-5MV/cm。圖7顯示干燥氧化物+N2O+1200℃NH3氧化物在約9.5MV/cm的氧化物場(chǎng)擊穿之前符合經(jīng)典的Fowler-Nordheim(直線)特征，表明本發(fā)明的實(shí)施方案不必降低氧化物層的介電強(qiáng)度。
圖8是幾種退火條件下界面陷阱密度(DIT)與SiO2/SiC界面處能帶隙的導(dǎo)電帶邊緣附近能量水平的另一個(gè)關(guān)系圖。具體而言，圖8說明了干燥氧化物800、干燥氧化物+N2O 802、干燥氧化物+N2O+1100NH3804和干燥氧化物+N2O+1300 NH3804的DIT值。從圖8可見，以1300℃NH3退火得到1.86×1011eV-1cm-2的DIT值。
圖9和10說明了引入了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案制造的閘氧化層(gate oxide)的MOSFET的溝道遷移率(實(shí)心圓)和漏電流(空心圓)。圖9說明的是用1300℃N2O退火和1300℃NH3退火的氧化物。對(duì)于圖9的器件，提供的是2V的閾值電壓VT和μ＝50cm2/V-s。圖10說明的是用1300℃N2O退火和1300℃NH3退火的低溫氧化物(LTO)。對(duì)于圖10的器件，提供的是0.6V的閾值電壓VT和μ＝73cm2/V-s。引入1300℃NH3退火分別將熱和沉積氧化物MOSFET中的溝道遷移率增至雙倍和三倍。
在于NO中退火后進(jìn)行1300℃NH3退火可比N2O退火后進(jìn)行1300℃NH3退火提供更大的改進(jìn)。
在附圖和說明書中，已經(jīng)公開了本發(fā)明的實(shí)施方案，并且雖然使用了特定的術(shù)語，但它們僅具有一般性和說明性含義，而非出于限制性目的。
權(quán)利要求
1.一種處理在碳化硅層上的氮化的氧化物層的方法，該方法包括在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火。
2.權(quán)利要求1的方法，其中在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火是在高于約900℃的溫度進(jìn)行的。
3.權(quán)利要求1的方法，其中在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火是在高于約1000℃的溫度進(jìn)行的。
4.權(quán)利要求1的方法，其中在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火是在約1100℃進(jìn)行的。
5.權(quán)利要求1的方法，其中在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火是在約1200℃進(jìn)行的。
6.權(quán)利要求1的方法，其中在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火是在低于約1個(gè)大氣壓的壓力下進(jìn)行的。
7.權(quán)利要求1的方法，其中在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火是在約0.01-約1atm的壓力下進(jìn)行的。
8.權(quán)利要求1的方法，其中在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火是在約0.2atm的壓力下進(jìn)行的。
9.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在含有N2O和/或NO的環(huán)境中生長氧化物層，以提供氮化的氧化物層。
10.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在含有N2O和/或NO的環(huán)境中使氧化物層退火，以提供氮化的氧化物層。
11.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在含有N2O和/或NO的環(huán)境中生長氧化物層；并在含有N2O和/或NO的環(huán)境中使生長的氧化物層退火，以提供氮化的氧化物層。
12.權(quán)利要求1的方法，其中該基本無氧的含氮環(huán)境包括含有NH3的環(huán)境。
13.權(quán)利要求12的方法，其中該基本無氧的含氮環(huán)境包括NH3和至少一種惰性氣體。
14.權(quán)利要求12的方法，其中NH3的流量為約1-約10標(biāo)準(zhǔn)升每分鐘(SLM)。
15.權(quán)利要求12的方法，其中NH3的流量提供約0.1cm/sec-約1000cm/sec的氣體速率。
16.權(quán)利要求12的方法，其中NH3的流量提供約1cm/sec-約100cm/sec的氣體速率。
17.權(quán)利要求12的方法，其中該基本無氧的含氮環(huán)境包括NH3和N2、Ar和/或He中的一種或多種。
18.權(quán)利要求12的方法，其中該基本無氧的含氮環(huán)境包括比例為約1∶3的NH3和N2。
19.權(quán)利要求12的方法，其中該基本無氧的含氮環(huán)境包括NH3和H2。
20.權(quán)利要求12的方法，其中該基本無氧的含氮環(huán)境包括NH3和SiH4。
21.權(quán)利要求20的方法，其中將SiH4和NH3供給包含氮化的氧化物層的反應(yīng)室，以使SiH4和NH3在一直到氮化的氧化物層附近的反應(yīng)室區(qū)域才混合。
22.權(quán)利要求1的方法，其中該氮化的氧化物層包括熱生長的氧化物層。
23.權(quán)利要求1的方法，其中該氮化的氧化物層包括沉積的氧化物層。
24.權(quán)利要求1的方法，其中在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火包括在高于約1000℃的溫度和低于1個(gè)大氣壓的壓力下在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火。
25.權(quán)利要求24的方法，其中該基本無氧的含氮環(huán)境包括NH3。
26.權(quán)利要求1的方法，其中在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火是在約1300℃進(jìn)行的。
全文摘要
通過在基本無氧的含氮環(huán)境中使氮化的氧化物層退火處理在碳化硅層上的氧化物層。退火可在高于約900℃，例如約1100℃、約1200℃或約1300℃的溫度進(jìn)行。使氮化的氧化物層退火可在低于約1個(gè)大氣壓，例如約0.01－約1atm或特別是約0.2atm的壓力下進(jìn)行。氮化的氧化物層可以是在含有N
文檔編號(hào)H01L21/02GK1679149SQ03820297
公開日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2003年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月30日
發(fā)明者A·W·薩克斯勒, M·K·達(dá)斯 申請(qǐng)人:克里公司