專利名稱：使用原子氧在碳化硅層上制造氧化層的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體器件的制造，更特別地，本發(fā)明涉及在碳化硅 (SiC)上制造氧化層。
技術背景碳化硅(SiC)具有電性質(zhì)和物理性質(zhì)的組合，使其對于用于高溫、 高壓、高頻和高功率電子器件的半導體材料相當有吸引力。這些性質(zhì)包 括3. OeV的帶隙、4MV/cm的電場擊穿、4. 9W/cm-K的熱導率以及2. 0 x107cm/s的電子漂移速度。在寬帶隙化合物半導體材料中碳化硅具有形成自然氧化層的特有 性質(zhì)。因此，可以在SiC層上形成熱SiOz層。在SiC上形成熱氧化物的 能力為使用碳化硅形成金屬氧化物半導體(MOS)器件打開了大門，例 如包括MOS場效應晶體管(MOSFET) 、 MOS電容器、絕緣柵雙極晶體管 (IGBT ) 、 MOS控制的半導體閘流管(MCT )、橫向擴散MOSFET( L睡SFET ) 以及其他相關的器件。在SiC具有上述的特有材料性質(zhì)的前提下，與使 用其他半導體材料形成的器件相比，這種器件可以具有好得多的理論工 作特性，尤其是對于要求高功率、高電流容量和/或高頻操作的應用。 相應地，充分利用MOS器件和得到的集成電路中SiC的電子性質(zhì)需要適 當?shù)腟iC氧化技術。在硅襯底上熱增長的SiOz的界面質(zhì)量非常好。然而，熱增長的 SiC/Si02界面的質(zhì)量還沒有達到與Si/Si02界面相同的水平。因此，對 于發(fā)展商業(yè)上可行的碳化硅MOS器件來說，碳化硅(SiC)上氧化物的 質(zhì)量是個主要的障礙。實際上，在SiC晶體質(zhì)量的最新發(fā)展下，氧化物 質(zhì)量也許是實現(xiàn)商業(yè)上可行的SiC MOS功率器件和集成電路的最大障 礙。已經(jīng)廣泛報道SiC上的氧化物具有不可接受的高密度界面態(tài)(或"陷 阱"(trap))和固定的氧化物電荷，這兩者對MOS器件性能都有不利影響。如此處所用的，術語"態(tài)"或"陷阱"指的是在半導體或絕緣體 材料的帶隙內(nèi)可得到的能級位置。界面陷阱或界面態(tài)可能位于半導體/絕緣體界面處或附近。界面態(tài)可能由于材料內(nèi)懸桂的或未端接的原子鍵: 的存在而發(fā)生。因此，界面處電子態(tài)的密度可以指示界面處結(jié)晶無序的量。界面陷阱可以捕獲電子電荷載體(即電子和/或空穴)，這在并入該界面的器件中可以產(chǎn)生不希望的工作特性。特別地，在SiC/Si02界面 處呈現(xiàn)的電子態(tài)可以減小SiC層中的表面電子遷移率。如果MOS器件的 柵氧化物具有高密度的界面態(tài)，則得到的器件可能具有減小的反型溝道 遷移率，增加的閾值電壓、增加的導通電阻和/或其他不希望的特性。最近，熱氧化物在一氧化氮(NO)環(huán)境中的退火已經(jīng)顯示了在不要 求P型阱注入的平面4H-SiC MOSFET結(jié)構(gòu)中的希望。參考 M. K. Das， L. A. Lipkin， J. W. Palmour， G. Y. Chung, J. R. Wi 11 iams, K. Mcd-o nald和L. C. Feldman, "High Mobility 4H-SiC Inversion Mode M0SFETs Using Thermally Grown, NO Annealed Si02" ，IEEE Device Research Conference, Denver, C0， June 19-21， 2000以及G. Y. Chung, C. C, Tin, J. R. Wi 11 iams， K. Mcdonald, R. A. Wei ler, S. T. Pa-n tel ides， L. C. Feldman，M. K. Das和J. W. Paltnour，已接收發(fā)表的 "Improved Inversion Channel Mobility for 4H-SiC MOSFETs Fol lowing High Temperature Anneals in Ni trie Oxide" ， IEEE Electron Device Letters ，其公開在此引入以供參考，好像全部在這里陳述一樣。 顯示這個退火相當大地減小了導帶邊緣附近的界面態(tài)密度，如在 G. Y. Chung， C. C. Tin, J. R. Wi 11 iams， K. Mcdonald, M. Di ventra,S. T. Pantelides，L. C. Feldman，和R.A. Weller， "Effect of nitric oxide annealing on the interface trap densities near the band edges in the 4H poly type of s i 1 icon carbide" ， Appl ied phys ics letters, Vol. 76, No. 13， pp. 1713-1715, March 2000中所描述的，其公 開在此引入好像全部陳述一樣。由于改進的M0S界面在表面反型層中獲 得高電子遷移率(35-95cmVVs)。不幸的是，N0是健康危害，其美國國家消防協(xié)會(NFPA)健康危險 等級是3，并且通常進行氧化后退火(post-oxidation anneal )的裝置 朝著潔凈室的大氣打開。通常它們會被排出，但是室內(nèi)超過安全水平的NO污染的危險是不可忽略的。在^0中生長氧化物是可能的，如在J. P.Xu, P.T. Lai， C. L. Chan， B.Li和Y. C. Cheng, "Improved performance and reliability ofN20-grown oxynitride on 6H-SiC，， ， IEEE Electron Device Letters, Vol. 21， No. 6， pp. 298-300, June 2000中描述的，其公開在此引入以供參 考，好像在這里完全陳述一樣。Xu等描述了在純N20環(huán)境中在IIOO'C下 對SiC氧化360分鐘并且在N2中在1100'C下退火一小時。在N力中IIOO'C下6H-SiC上氧化物的生長后氮化也由P. T. Lai， Supratic Chakraborty， C, L. Chan和Y. C. Cheng進4亍了研究，"Effects of nitridation and annealing on interface properties of thermally oxidized Si02/SiC metal-oxide-semiconductor system" ，Applied physics letters, Vol. 76， No. 25， pp. 3744-3746， June 2000 (之后， 稱為"Lai等")，其公開在此引入以供參考，好像在這里完全陳述一樣。 然而，Lai等得出結(jié)論說這種處理降低了界面質(zhì)量，隨后用氧氣中的濕 或干退火可以改進界面質(zhì)量，該退火可以修復仏0中的氮化引起的損害。 此外，即使利用隨后的氧氣退火，與沒有N20中的氮化的情況相比，Lai 等沒有看到界面態(tài)密度的任何明顯減小。除了 NO和N20生長和退火，也對其他環(huán)境中的生長后退火進行了研 究。例如，Suzuki等研究了氫氣中的氧化后退火。Suzuki等，"Effects of post-oxidation-annealing in hydrogen on Si02/4H_SiC interface" ，Material Science forum， Vols. 338-342， pp.1073-1076， 2000。這些研究者報告可以通過氬氣和氬氣中的氧化后退火改進平帶電 壓飄移和界面態(tài)密度。在這個研究中，在干燥氧氣中在120(TC下對 4H-SiC氧化。然后在氬氣或氬氣中在400、 700、 800和1 OO(TC下4丸行 氧化后退火三十分鐘。然而，其他研究者報告氫氣中的氧化后退火比其 他氣體中的氧化后退火相比并沒有提供增加的好處，如在Mrinal Das, 1999年12月提交的"Fundamental studies of the silicon carbide MOS structure" ，Doctoral Thesis， Purdue University中所描述的。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的實施例提供了在碳化硅層上形成氧化層的方法，包括將碳 化硅層放置在基本沒有金屬雜質(zhì)的諸如氧化爐管的腔室中；加熱腔室的 大氣到大約50(TC到大約130(TC的溫度；在腔室中引入原子氧，并且使原子氧在碳化硅層的表面上流動，以借此在碳化硅層上形成氧化層。在 一些實施例中，引入原子氧包括在腔室中提供源氧化物并且使氮氣和氧 氣的混合物在源氧化物上流動。源氧化物可以包括鋁的氧化物(aluminum oxide)或諸如氧化錳的另 一氧化物。在一些實施例中，源氧化物基本上沒有金屬雜質(zhì)。例如，源氧化物 可以包括多孔藍寶石圓片。在這種情況中，根據(jù)本發(fā)明的一些實施例包 括用非金屬雜質(zhì)注入藍寶石圓片，以形成多孔多孔藍寶石圓片，并且將 多孔藍寶石圓片放置在腔室中。在一些實施例中，引入原子氧包括使用諸如鉑的催化劑產(chǎn)生原子 氧。在一些實施例中，引入原子氧包括產(chǎn)生臭氧流，并且裂解臭氧生成 原子氧?？梢允褂脽岷?或電磁能裂解臭氧。在一些實施例中，原子氧可以在腔室的外面產(chǎn)生并且被提供給腔室。在特定實施例中，腔室的大氣可以被加熱到大約IOO(TC到1100。C 的溫度。根據(jù)本發(fā)明 一些實施例的在碳化硅層上形成氧化層的方法包括將 碳化硅層放置在氧化腔室中，將氧化鋁(alumina)圓片(wafer)放置 在腔室中，加熱腔室的大氣到大約50(TC到大約1300'C的溫度，使氮氣 在氧化鋁圓片上流動以在腔室中產(chǎn)生原子氧，并且使原子氧在碳化硅層 的表面上流動以借此在碳化硅層上形成氧化層。在特定實施例中，腔室 的大氣可以被加熱到大約IOO(TC到1100。C的溫度。此外，可以使氧氣 在氧化鋁圓片上流動。在這種情況中，根據(jù)本發(fā)明實施例的方法還可以 包括使原子氧與氧氣反應生成臭氧，使臭氧在氧化鋁圓片上流動，并且 裂解臭氧以在碳化硅層的附近產(chǎn)生原子氧。根據(jù)本發(fā)明的其他實施例包括將碳化硅層放置在腔室中，將氧化鋁 圓片放置在腔室中，加熱腔室的大氣到大約500。C到大約130(TC的溫度， 氮化氧化鋁圓片以釋放原子氧，并且使原子氧在碳化硅層的表面上流動 以借此在碳化硅層上形成氧化層。在特定的其他實施例中，腔室的大氣 可以被加熱到大約IOOO'C到1100。C的溫度。此外，可以使氧氣在氧化 鋁圓片上流動。在這種情況中，根據(jù)本發(fā)明實施例的方法還可以包括使 原子氧與氧氣反應生成臭氧，使臭氧在氧化鋁圓片上流動，并且裂解臭 氧在碳化硅層的附近產(chǎn)生原子氧。在一些實施例中，由于源氧化物圓片可以定向在與碳化硅層的取 向平行的垂直方向上，以便提供源氧化物圓片和碳化硅層之間基本均勻 的距離，這可以導致改進的氧化物均勻性。換種說法，碳化硅層和源氧 化物圓片可以如此排列使得相應源氧化物圓片的主表面與碳化硅層平 行定向，使得碳化硅層的表面上的相應點與相鄰源氧化物圓片的主表面 上的相應點的距離相等。本發(fā)明的其他實施例包括根據(jù)常規(guī)技術在碳化硅層上形成氧化層 并且在包含原子氧的環(huán)境中退火形成的氧化層。例如，根據(jù)本發(fā)明一些 實施例的在碳化硅層上形成氧化層的方法包括在碳化硅層上形成氧化層，將其上形成氧化層的碳化硅層放置在基本沒有金屬雜質(zhì)的腔室中； 加熱腔室的大氣到大約500'C到大約130(TC的溫度；在腔室中引入原子 氧，并且使原子氧在其上形成氧化層的碳化硅層的表面上流動。通過熱 過程和/或淀積過程可以形成氧化層。引入原子氧可以包括在腔室中提供源氧化物并且使氮氣和氧氣的 混合物在源氧化物上流動。源氧化物可以包括鋁的氧化物或諸如氧化錳 的另一氧化物。在一些實施例中，源氧化物基本沒有金屬雜質(zhì)。例如， 源氧化物可以包括多孔藍寶石圓片。在這種情況中，根據(jù)本發(fā)明的一些^且將多孔藍寶石圓片放置在腔室中:、''


圖1A-1C是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的用于在碳化硅層上形成氧化層 的處理步驟的流程圖；圖2是適于用在本發(fā)明實施例中的爐管的示意圖；圖3是適于用在本發(fā)明實施例中的爐管中的碳化硅圓片的配置的示意圖；圖4A是對于具有根據(jù)本發(fā)明一些實施例形成的氧化物的電容器的 電容與電壓的關系曲線圖；圖4B是對于具有根據(jù)一些常規(guī)技術形成的氧化物的電容器的電容 與電壓的關系曲線圖；圖5是對于具有根據(jù)本發(fā)明一些實施例形成的氧化物的電容器以及 具有根據(jù)一些常規(guī)技術形成的氧化物的電容器的電容與電壓的關系曲線圖；圖6是對于具有根據(jù)本發(fā)明一些實施例形成的氧化物的電容器以及 具有根據(jù) 一些常規(guī)技術形成的氧化物的電容器的DT與來自導帶的能級 的關系曲線圖；圖7是對于具有根據(jù)本發(fā)明一些實施例形成的氧化物的電容器的電 容與電壓的關系曲線圖；圖8是對于具有根據(jù)本發(fā)明一些實施例形成的氧化物的電容器的Dn與來自導帶的能級的關系曲線圖；圖9和IO是適合用于本發(fā)明其他實施例的爐管中的碳化硅圓片的 配置的示意圖；以及圖11是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的用于在碳化硅層上形成氧化層的 處理步驟的流程圖。
具體實施方式
現(xiàn)在將參考附圖在下文中更全面地描述本發(fā)明，其中附圖中示出了 本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，本發(fā)明可以許多不同的形式實現(xiàn)，并且不 應當被解釋為限制于這里所述的實施例；相反，提供這些實施例使得本 公開詳盡、完整，并且向本領域技術人員完全傳達本發(fā)明的范圍。在附 圖中，為了清楚起見，夸大了層和區(qū)域的厚度。相似的數(shù)字指的是整個 附圖中相似的元件。如這里所使用的，術語"和/或"包括相關所列項目的其中一個或 多個的任何和所有組合。將理解的是雖然這里可能使用術語第一、第二、 第三等描述各個元件、部件、區(qū)域、材料、層和/或部(section),這 些元件、部件、區(qū)域、材料、層和/或部不應當被這些術語所限制。這 些術語僅用來區(qū)分一個元件、部件、區(qū)域、層、材料或部與另一個元件、 部件、區(qū)域、層、材料或部。因此，以下討論的第一元件、部件、區(qū)域、 材料、層和/或部可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層、材料或部， 而不脫離本發(fā)明的教導。這里所用的術語僅是為了描述特定實施例的目的，不打算限制本發(fā) 明。如這里所使用的，單數(shù)形式"一"、"一個"和"該"旨在包括復 數(shù)形式，除非上下文另有明確指示。還將理解術語"包括"和/或"包 含"當用在說明書中時，指定所迷特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/ 或部件的存在，但是不排除存在或附加一個或多個其他特征、整數(shù)、步 驟、操作、元件、部件和/或其組。如這里所用的，從拉丁文"exempligratia"衍生的常用縮寫"例如"可以用于引入或指定先前所述項的一 個或多個通用例子，并且不打算限制該項。如果用在此處，從拉丁文"id est"衍生的常用縮寫"即"可以用于從更一般的引用指定特定的項。除非另有定義，這里所用的所有術語(包括技術和科學術語)具有 與本發(fā)明所屬領域的普通技術人員所通常理解相同的含義。還將理解諸相關技術的上^i中一致的含義;i不應以理想化i過分正式的方式來解釋，除非此處明確這樣定義。本發(fā)明的實施例提供了使得能夠在碳化硅層上形成具有改進的界 面的氧化層的方法。這些方法在碳化硅層上產(chǎn)生的金屬氧化物半導體 (M0S)器件的制造中尤為有利。使用本發(fā)明的實施例，可以大大減少 能級在碳化硅的導帶附近的界面態(tài)。這些缺陷的減少可以是有利的，因 為這些缺陷可以限制MOS器件的有效表面溝道遷移率。此外，使用本發(fā) 明的實施例可以減小M0S器件的平帶電壓(即器件中不發(fā)生帶彎曲的電 壓)。熱氧化涉及Si02層在包含硅的半導體層上的生長。如同Si的熱氧 化，在碳化硅的熱氧化中， 一部分底下的半導體層被生長的氧化層"消 耗"。隨著層生長，氧氣可以擴散在生長的氧化層中，與碳化硅表面處 的硅反應形成新的Si(h分子。因此，隨著Si02層的生長，生長界面進入 碳化硅層。常規(guī)的利用分子氧(02或H20 )對碳化硅氧化以生成MOS質(zhì)量S i -S i 02 界面已經(jīng)受到低氧化率(即氧化層的生長率)和較差界面質(zhì)量的制約。 這些缺點可以歸因于由于在SiC-Si02界面處從SiC到化學計量的Si02 的轉(zhuǎn)化而引起的子氧化物(sub-oxide)的形成?？梢酝ㄟ^在高溫下(例 如1200'C或更高)進行氧化來提高氧化率。然而，高溫氧化比較昂貴并 且可以導致將不希望的雜質(zhì)引入到生長的Si02層中，這會導致在Si02 層中不希望的固定氧化物電荷的存在。使用分子氧進行氧化可能引起一 些界面無序，該界面無序可以通過在包含氮(NO、 N20和/或NH,)的大 氣中對氧化物退火，如上所述(所謂的"氮化"退火)，而被鈍化。然 而，這種退火不可能完全鈍化表面無序。本發(fā)明的 一些實施例提供了使用原子氧氧化碳化硅層的方法。原子 氧可以呈現(xiàn)出在碳化硅表面處的增加的反應性以及在生長的二氧化硅層內(nèi)的增加的遷移率。因此，使用原子氧氧化碳化硅層可以導致具有減 少的結(jié)晶無序的界面。此外，與使用分子氧的氧化相比，氧化率可以增 加。此外，與使用分子氧的氧化相比，使用原子氧的氧化可以在更低的 溫度完成，這導致氧化物中從爐環(huán)境中引入更少的雜質(zhì)。此外，使用原子氧氧化碳化硅層可以減少SiC-Si02界面處得到的界 面無序，并且從而減少了在SiC-Si02界面處的界面態(tài)的密度。下面參考圖1A-1C描述本發(fā)明的實施例，圖U-1C是示出根椐使用 原子氧在碳化硅層上生長氧化層的本發(fā)明的一些實施例的操作的流程 圖。轉(zhuǎn)到圖1A，將碳化硅層放置在腔室中(塊52)。該腔室可以是能 夠忍受超過500。C的溫度的石英管。因此，該腔室可以充當氧化爐。碳 化硅層可以是碳化硅襯底和/或在同質(zhì)外延或異質(zhì)外延的襯底上形成的 碳化硅外延層。在特定實施例中，碳化硅層是4H-SiC和/或6H-SiC的 單晶、體(bulk)或外延層。在一些實施例中，配置腔室以容納多個碳 化硅層。例如，可以配置腔室以接收多個碳化硅圓片和/或碳化硅層在 其上形成的多個圓片?？梢约訜崆皇业酱蠹s500'C到大約1300。C的溫度 (塊54)。在一些實施例中，可以將腔室內(nèi)的空氣加熱到大約500'C到 大約130(TC的溫度。接著，將原子氣引入到腔室中(塊56)。然后使原子氧在碳化硅層 上流動(塊58),導致在碳化硅層上形成二氧化硅層。如圖1B所示，在腔室中引入原子氧包括在腔室內(nèi)或腔室外面提供 諸如鋁的氧化物的源氧化物(塊62 )并且氮化鋁的氧化物以釋放原子氧 (塊64)?？梢栽S多不同的形式提供源氧化物。例如，源氧化物可以包 括藍寶石圓片或燒結(jié)的氧化鋁圓片。在一些實施例中，源氧化物可以包 括多孔藍寶石圓片。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過拋光的無孔藍寶石圓片不能生產(chǎn)足夠 量的原子氧支持氧化過程。雖然沒有完全理解，現(xiàn)在人們相信經(jīng)過拋光 的無孔藍寶石圓片具有相對較小的可被氮化的表面區(qū)域。提供多孔藍寶 石圓片可以提供要氮化的鋁的氧化物的增加的表面區(qū)域，這導致釋放比 使用無孔藍寶石圓片獲得的更大量的氧氣?？梢酝ㄟ^在大約500到大約1 300'C的溫度下使氮氣(N2)在鋁的氧 化物上流過來執(zhí)行氮化鋁的氧化物，這么高的溫度足以導致氮與鋁的氧 化物反應，從而形成氮化鋁并且釋放得到的一些原子氧。該過程可以是 受自身制約的，因為在鋁的氧化物表面處A1N的形成減小了原子氧產(chǎn)生過程。然而，可以通過增加鋁的氧化物的表面區(qū)域來減緩這個擔心。可以釆用引入原子氧的其他方法。例如，可以在腔室內(nèi)或從腔室的 上游離解分子氧來提供原子氧。例如，可以在腔室內(nèi)或從腔室的上游提供臭氧(03)。由于腔室內(nèi)升高的溫度可以在腔室內(nèi)離解臭氧，以提供原子氧?？蛇x地，可以從腔室的上游離解分子氧，并且將得到的原子氧 引入到腔室中。然而，目前人們相信原子氧的平均自由路徑是這樣的， 如果在腔室外面生成，至少一部分原子氧在其被用于生長氧化層之間將 與其他原子氧充分反應。因此，在一些實施例中，可以在腔室內(nèi)產(chǎn)生原子氧。在一些實施例中，例如通過離解分子氧或者通過氮化鋁的氧化物， 在與要氧化的碳化硅層隔開的位置處(或者在腔室內(nèi)或者在其外面)產(chǎn) 生原子氧。例如，在一些實施例中，可以在腔室中距碳化硅層的距離比原子氧的自由平均路徑遠的位置處產(chǎn)生原子氧。可以在大約500到大約 130(TC的溫度下提供分子氧氣(02),使得原子氧可以與分子氧氣反應 以生成臭氧。得到的臭氧比原子氧具有更大的平均自由路徑，在大約500 到大約130(TC的溫度下在碳化硅襯底上流過臭氧，該溫度足以導致臭氧 離解("裂解，，)，從而產(chǎn)生可以氧化碳化硅層的原子氧。圖1C示出了根據(jù)本發(fā)明其他實施例的方法。如圖1C中所示，將碳 化硅層放置在腔室中(塊70)。在腔室中將氧化鋁圓片靠近碳化硅層放 置(塊72)。腔室內(nèi)的大氣被加熱到500到130(TC的溫度(塊74 )。 接著，可以氮化氧化鋁圓片以產(chǎn)生原子氧(塊76)。例如，可以使加熱 到IOOO到1300。C的溫度的氮氣在氧化鋁圓片上流過，以從氧化鋁圓片 釋放原子氧。然后使原子氧在碳化硅層上流過，以在碳化硅層上生成二 氧化硅層(塊78)。在一些實施例中，可以使氧氣在氧化鋁圓片上流過， 以上述的方式形成臭氧。可以使臭氧在碳化硅圓片上流過，在那里臭氧 裂解，從而在碳化硅層的附近生成可以氧化碳化硅層的原子氧。圖2是適合用在本發(fā)明特定實施例中的爐管的示意圖。如在圖2中 看到的，腔室10可以是爐管，其具有多個圓片12，圓片包括在其上要 形成氧化層的碳化硅層。優(yōu)選地，碳化硅層是4H-SiC。圓片12被放置 在載體14上，使得圓片在腔室10中通常具有固定的位置。定位載體14 使得圓片距腔室10的進口的距離為L1+L2,并且在腔室10內(nèi)延伸距離 L3。可以包括Nz、 02、 03和/或惰性氣體的輸入氣體16進入腔室10,并且在它們穿過距離Ll時基于預定的溫度分布圖被加熱，以便提供加熱 的氣體18。加熱的氣體18可以保持在基于預定溫度分布圖的溫度并且 穿過距離L2到達圓片12的第一個。加熱的氣體18繼續(xù)穿過腔室10直 到它們通過出口作為廢氣20離開腔室10。因此，加熱的氣體18穿過距 離U。優(yōu)選地在基本恒定的溫度下對距離L2和L3維持加熱的氣體18， 然而，如本領域技術人員按照本公開可以理解的，也可以使用各種溫度 分布圖。這些分布圖可以包括溫度隨時間和/或距離的變化。在一些實施例中，可以使用預定的溫度分布圖在按照預定流速極限 內(nèi)的流速分布圖提供^和02的腔室中氧化圓片12上的碳化硅層，其中 所述預定溫度分布圖包括大于約50(TC的氧化溫度。優(yōu)選地，氧化溫度 大約為IOOO'C?？梢曰谄渲惺褂迷摴に嚨奶囟ㄔO備來選擇N2和02的 流速極限。然而，在特定實施例中，仏和02的流速極限可以低至大約2 標準升每分鐘(SLM)或高達大約IOSLM或更高。在其他實施例中，優(yōu) 選大約5SLM的流速極限?？梢詧?zhí)行依賴于希望的氧化層厚度的一定時 間的氧化。例如，可以使用從幾分鐘到幾個小時或更多的氧化時間。通 常，與使用分子氧的氧化相比，使用原子氧的氧化的氧化速率要更高。如上所述，在一些實施例中，可以通過氮化多孔藍寶石圓片來產(chǎn)生 原子氧。單晶藍寶石圓片通?？傻玫?，作為用于化合物半導體材料異質(zhì) 外延生長的襯底?？梢酝ㄟ^離子注入形成多孔藍寶石圓片，例如通過將 諸如氬和/或氮的惰性物質(zhì)注入到圓片中形成多孔藍寶石圓片。優(yōu)選的 是使用多孔藍寶石圓片而不是氧化鋁作為原子氧的源。如下面所討論 的，氧化鋁可以包括許多不希望的可能并入到氧化物中的金屬雜質(zhì)。這 些雜質(zhì)可能導致固定和/或移動的氧化物電荷的存在，氧化物電荷對MOS 器件的操作會有不利影響。使用多孔藍寶石圓片的其他優(yōu)勢是在氧化工 藝之后，在圓片上形成的氮化鋁層可以被移除，并且圓片重新使用(可 能在重新注入圓片之后)作為隨后氧化過程中的原子氧源?？梢陨厦缘姆绞绞褂闷渌趸锊牧献鳛樵友醯脑?。例如，可以 使用氧化錳而不是鋁的氧化物。在一些實施例中，可以使用諸如鉑的催化劑來幫助和/或促進原子 氧的產(chǎn)生?；蛘咴谇皇覂?nèi)或者從腔室的上游，可以采用催化劑離解分子 氧以產(chǎn)生原子氧和/或從碳化硅層的上游離解臭氧。催化劑放置在碳化 硅層和氣體源之間，使得當氣體流過催化劑時，從氣體釋放原子氧?？梢圆捎门c本發(fā)明的實施例有關的其他離解氧的方法。例如，可以通過使用光或電能(例如暴露于uv光和/或靜電放電)離解分子氧來形 成原子氧。此外，可以從腔室的上游產(chǎn)生氧等離子體，以形成隨后被提 供給腔室的原子氧和/或臭氧。圖3示出了腔室10中的碳化硅圓片和氧化物的特定配置。如圖3 中所示，在一些實施例中，可以在碳化硅片(paddle) 20上放置碳化硅 舟22。 一個或多個碳化硅圓片24 (如上討論，可以包括體碳化硅圓片 和/或其上已形成碳化硅層的圓片)可以垂直取向被裝載到舟22上。可 以在相鄰碳化硅圓片24之間的舟22上提供氧化鋁塊或圓片26。然后將 片20放置在腔室IO諸如石英爐管中。在500到130(TC的溫度下使氮氣 (N2)和任選地氧氣(02)流過氧化鋁塊26和碳化硅圓片24。從氧化鋁 塊26釋放的原子氧氧化碳化硅圓片24的表面。雖然在圖3中示出了兩 個碳化硅圓片24,但是附圖中示出的圓片數(shù)目是任意的。將理解的是根 據(jù)本發(fā)明實施例的可以在腔室10中處理的圓片的數(shù)目依賴于諸如腔室 10的尺寸和幾何形狀之類的因素。圖4-8示出了使用本發(fā)明實施例可以獲得的結(jié)果。這里所述的實驗 結(jié)果僅作為示例提供并且不應被當作限制本發(fā)明。體4H-SiC圓片被放 置在碳化硅舟上，如圖3中所示。氧化鋁圓片被定位在相鄰的碳化硅圓 片之間，并且將舟放置在氧化腔室中。腔室的大氣被加熱到IOOO'C的溫 度。使氮氣和氧氣在氧化鋁襯底和碳化硅圓片上流動5. 5小時，此時切 斷氧氣流，繼續(xù)氮氣流4個小時，之后從腔室中移走舟。觀察到氧化物 已經(jīng)生長在碳化硅圓片上，并且觀察到氮化鋁層已經(jīng)形成在氧化鋁圓片 上。在經(jīng)過氧化的碳化硅圓片上的各個位置處形成MOS電容器，并且在 得到的器件上進行電容-電壓(C-V)測量。從C-V測量中，計算界面陷 阱密度和氧化物厚度。為了比較，使用常規(guī)的分子氧化技術形成MOS電合為。圖4A是對于根據(jù)本發(fā)明一些實施例的使用原子氧制造的電容器的 測量的和理論的電容與電壓關系的曲線圖。如圖4A所示，測量的電容 (如點30所指示的)幾乎與理論的理想曲線32—致。因此，本發(fā)明的 實施例使得能夠形成由于減小的界面無序而具有非常高的反型層遷移 率的碳化硅MOSFET,從而生成具有大大減小的接通電阻的功率MOSFET 和具有高頻開關能力的LDMOSFET。此外，觀察到相比常規(guī)的分子氧化，氧化速率加倍。為了比較，圖4B示出了使用常規(guī)分子氧化形成的M0S電容器的C-V 測量。如圖4B中所示，常規(guī)MOS電容器的C-V曲線(如點34所示)呈 現(xiàn)出與理想C-V曲線36相當大的偏離。同樣，圖5是對于如上所述形成的MOS電容器和使用一些常規(guī)的分 子氧化技術形成的MOS電容器的歸一化電容(C/C。x)與電壓關系的曲線 圖。對于圖5中示出的數(shù)據(jù)，常規(guī)的MOS電容器另外在NO環(huán)境中在1300 。C的溫度下進行了兩個小時的退火，以改進SiC-Si02界面質(zhì)量。如圖5 中所示，使用原子氧形成的Si02層的測量的電容值(點40 )幾乎與理想 曲線(線42)—致，這表示在SiC-Si02界面處結(jié)晶無序的量低。使用 分子氧形成的NO退火的Si02層的測量的電容值(點44)與理想曲線(線 46)相比顯示了相當大的伸出，表示存在界面陷阱。特別地，NO退火的 氧化物生成了溝道遷移率為50cmVV-s的橫向MOSFET，該溝道遷移率受 近導帶態(tài)的限制，造成在平帶到累計范圍的C-V曲線中的伸出。原子 氧C-V數(shù)據(jù)(點40)在這個區(qū)域中幾乎沒有顯示出可檢測的伸出。假 設可忽略的界面陷阱，對于用原子氧存在下生長的柵氧化物制造的橫向 MOSFET,期望溝道遷移率增加到150cm7V-s。圖6是對于使用分子氧和原子氧形成的SiC-Si02界面，界面態(tài)密 度(D1T)與導帶(E。-E)內(nèi)的位置的曲線圖。如圖6所示，使用原子氧 形成的SiC-SiO,界面的界面態(tài)密度(點45)比使用分子氧形成的SiC -Si02界面的界面態(tài)密度(點47)大大減小了。使用氧化鋁圓片作為原子氧的源的一個問題是圓片中雜質(zhì)的存在。 這些雜質(zhì)可以嵌入到氧化物中并且可以導致存在于氧化物中的固定或 移動電荷，這會影響MOS器件的工作。例如，由于電荷移動和/或狀態(tài) 俘獲(trapping)或去俘獲(detrapping)，固定的和/或移動的氧化物 電荷可以導致器件的C-V特性中的電壓偏移。例如，如圖7中所示， 隨著施加的電壓從高到低再返回高的循環(huán)，滯后環(huán)可能呈現(xiàn)在C-V曲 線41中。這種滯后的存在在實際器件中可以表示電壓閾值不穩(wěn)定性。 此外，使用氧化鋁形成的MOS界面可能有溫度穩(wěn)定性的顧慮。如圖8所 示，在200'C的偏置(biased)的熱處理后，測量的界面陷阱密度Dn 趨向于向上偏移(線51),表示界面陷阱的濃度從熱處理之前進行的測 量(線53)的增加。最后，根據(jù)結(jié)合圖3所示的實施例生長的氧化層的氧化物厚度可能隨碳化硅圓片24的位置改變。例如，在圓片上靠近腔 室10內(nèi)的氧化鋁圓片的位置處測量450A的氧化物厚度，而在順序遠離 氧化鋁圓片的圓片上的位置處測量300A、 270A， 200A的氧化物厚度。 圖9示出了可以克服上述一些限制的腔室10中的碳化硅圓片和氧 化物的其他配置。如圖9中所示，碳化硅舟22可以放置在碳化硅片20 上。 一個或多個碳化硅圓片24可以垂直取向被裝栽到舟22上?？梢栽?相鄰碳化硅圓片24之間在舟22上在垂直取向提供氧化鋁圓片28。然后 將片20放置在腔室IO諸如石英爐管中。在500。C到130(TC的溫度下使 氮氣(N2)和任選地氧氣(02)流過氧化鋁圓片28和碳化硅圓片24。從 氧化鋁圓片28釋放的原子氧氧化碳化硅圓片24的表面。在這些實施例 中，由于氧化鋁圓片28在平行于碳化硅圓片的取向的垂直方向上定向， 使得在氧化鋁圓片28和碳化硅圓片24之間提供基本均勻的距離，可以 改進得到的氧化物均勻性。換句話說，如此排列氧化鋁圓片28和碳化 硅圓片24使得相應氧化鋁圓片28的主表面平行于碳化硅圓片26定向， 使得碳化硅圓片26的表面上的相應點與相鄰氧化鋁圓片28的主表面上 的相應點等距。圖IO示出了可以克服上述一些限制的腔室10中的碳化硅圓片和氧 化物的其他配置。如圖IO中所示，碳化硅舟22可以放置在碳化硅片20 上。 一個或多個碳化硅圓片24可以垂直取向被裝栽到舟22上?？梢栽?相鄰碳化硅圓片24之間在舟22上以垂直取向提供多孔藍寶石圓片38。 然后將片20放置在腔室IO諸如石英爐管中。在50(TC到1300'C的溫度 下使氮氣(N2)和任選地氧氣(02)流過多孔藍寶石圓片38和碳化硅圓 片24。從多孔藍寶石圓片38釋放的原子氧氧化碳化硅圓片24的表面。 在這些實施例中，由于多孔藍寶石圓片可以具有高的純度，腔室10基 本上沒有可以并入到二氧化硅層中的金屬雜質(zhì)。如這里所使用的，"基 本上沒有...金屬雜質(zhì)，，意味著得到的二氧化硅層其中可以具有比 SiC/Si02界面的界面態(tài)密度D,T低大約兩階幅度或更多的劑量的金屬雜 質(zhì)，即小于大約10"cnT2。提供原子氧的其他方法，諸如臭氧的離解，也 可以導致基本上沒有金屬雜質(zhì)的氧化腔室10。此外，由于藍寶石圓片 38在垂直方向上定向使得提供了藍寶石圓片38和碳化硅圓片24之間的 恒定距離，可以改進得到的氧化物均勻性。本發(fā)明的其他實施例包括根椐常規(guī)的技術在碳化硅層上形成二氧化硅層并且在包含原子氧的環(huán)境中對形成的二氧化硅層退火。例如，圖9中示出了根據(jù)本發(fā)明一些實施例的在碳化硅層上形成氧化物層的方 法。如那里所使用的，根據(jù)本發(fā)明一些實施例的方法包括在碳化硅層上 形成氧化物層(塊72 )，將其上形成氧化物層的碳化硅層放置在基本沒 有金屬雜質(zhì)的腔室中(塊74);加熱腔室的大氣到大約50(TC到大約1300 。C的溫度(塊76);在腔室中引入原子氧(塊78)，并且使原子氧流 過其上形成氧化物層的碳化硅層表面(塊79)。通過熱過程和/或淀積 過程可以形成氧化物層。引入原子氧可以包括在腔室中提供源氧化物并且使氮氣和氧氣的 混合物在源氧化物上流動。源氧化物可以包括鋁的氧化物或諸如氧化錳 的另一氧化物。在一些實施例中，源氧化物基本上沒有金屬雜質(zhì)。例如， 源氧化物可以包括多孔藍寶石圓片。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的一些 實施例包括用非金屬雜質(zhì)注入藍寶石圓片以形成多孔藍寶石圓片，并且 將多孔藍寶石圓片放置在腔室中。在一些實施例中，引入原子氧包括使用諸如鉑的催化劑產(chǎn)生原子 氧。在一些實施例中，引入原子氧包括產(chǎn)生臭氧流并且裂解臭氧生成原 子氧。使用熱和/或電磁能可以裂解臭氧。在一些實施例中，可以在腔室的外面產(chǎn)生原子氧并且將其提供給腔室。在特定實施例中，可以將腔室的大氣加熱到大約IOO(TC到UO(TC 的溫度。在附圖和說明書中，已經(jīng)公開了本發(fā)明的典型優(yōu)選實施例，并且雖 然采用了具體的術語，它們僅是在一般并且描述性的意義上使用，并不 是為了限制的目的，本發(fā)明的范圍在以下權利要求書中闡述。
權利要求
1.一種在碳化硅層上形成氧化層的方法，包括將碳化硅層放置在基本沒有金屬雜質(zhì)的腔室中；將腔室的大氣加熱到大約500℃到大約1300℃的溫度；在腔室中引入原子氧；以及使原子氧流過碳化硅層的表面，從而在碳化硅層上形成氧化層。
2. 權利要求l的方法，其中引入原子氧包括 在腔室中提供源氧化物；以及使氮氣和氧氣的混合物流過源氧化物。
3. 權利要求2的方法，其中源氧化物包括鋁的氧化物。
4. 權利要求2的方法，其中源氧化物包括氧化錳。
5. 權利要求2的方法，其中源氧化物基本沒有金屬雜質(zhì)。
6. 權利要求2的方法，其中源氧化物包括多孔藍寶石圓片。
7. 權利要求l的方法，還包括用非金屬雜質(zhì)注入藍寶石圓片以形成多孔藍寶石圓片；以及 將多孔藍寶石圓片放置在腔室中。
8. 權利要求l的方法，其中引入原子氧包括使用催化劑產(chǎn)生原子氧。
9. 權利要求8的方法，其中催化劑包括鉑。
10. 權利要求l的方法，其中引入原子氧包括產(chǎn)生臭氧流；以及裂解臭氧生成原子氧。
11. 權利要求l的方法，其中引入原子氧包括在腔室外產(chǎn)生原子氧；以及 將產(chǎn)生的原子氧提供給腔室。
12. 權利要求l的方法，其中腔室包括氧化爐管。
13. 權利要求l的方法，其中加熱腔室的大氣包括將腔室的大氣加 熱到大約IOO(TC到大約IIOO'C的溫度。
14. 一種在碳化硅層上形成氧化層的方法，包括 將碳化硅層放置在腔室中；將氧化鋁圓片放置在腔室中；將腔室的大氣加熱到大約500'C到大約130(TC的溫度； 使氮氣流過氧化鋁圓片，以在腔室中產(chǎn)生原子氧；以及使原子氧流過碳化硅層的表面，從而在碳化硅層上形成氧化層。
15. 權利要求14的方法，其中加熱腔室的大氣包括將腔室的大氣 加熱到大約IOO(TC到大約IIO(TC的溫度。
16. 權利要求14的方法，還包括使氧氣流過氧化鋁圓片。
17. 權利要求16的方法，還包括 使原子氧與氧氣反應以生成臭氧； 使臭氧流過氧化鋁圓片；以及 裂解臭氧以在碳化硅層的附近生成原子氧。
18. —種在碳化硅層上形成氧化層的方法，包括 將碳化硅層放置在腔室中；將氧化鋁圓片放置在腔室中；將腔室的大氣加熱到大約500'C到大約1 300。C的溫度； 氮化氧化鋁圓片以釋放原子氧；以及將原子氧流過碳化硅層的表面，以在碳化硅層上形成氧化層。
19. 權利要求18的方法，其中加熱腔室的大氣包括將腔室的大氣 加熱到大約IOO(TC到大約IIO(TC的溫度。
20. 權利要求18的方法，還包括使氧氣流過氧化鋁圓片。
21. 權利要求20的方法，還包括 使原子氧與氧氣反應以生成臭氧； 使臭氧流過氧化鋁圓片；以及裂解臭氧以在碳化硅層的附近生成原子氧。
22. 權利要求18的方法，其中氧化鋁圓片的主表面平行于碳化硅 層的主表面。
23. —種在碳化硅層上形成氧化層的方法，包括 在碳化硅層上形成氧化層；將其上具有氧化層的碳化硅層放置在基本沒有金屬雜質(zhì)的腔室中； 將腔室的大氣加熱到大約50(TC到大約130(TC的溫度； 在腔室中引入原子氧；以及 使原子氧流過碳化硅層的表面。
24. 權利要求23的方法，其中引入原子氧包括 在腔室中提供源氧化物；以及使氮氣和氧氣的混合物流過源氧化物。
25. 權利要求24的方法，其中源氧化物包括鋁的氧化物。
26. 權利要求24的方法，其中源氧化物包括氧化錳。
27. 權利要求24的方法，其中源氧化物基本沒有金屬雜質(zhì)。
28. 權利要求24的方法，其中源氧化物包括多孔藍寶石圓片。
29. 權利要求23的方法，還包括用非金屬雜質(zhì)注入藍寶石圓片以形成多孔藍寶石圓片；以及 將多孔藍寶石圓片放置在腔室中。
30. 權利要求23的方法，其中引入原子氧包括使用催化劑產(chǎn)生原 子氧。
31. 權利要求30的方法，其中催化劑包括鉑。
32. 權利要求23的方法，其中引入原子氧包括產(chǎn)生臭氧流；以及 裂解臭氧生成原子氧。
33. 權利要求23的方法，其中引入原子氧包括 在腔室外產(chǎn)生原子氧；以及 將產(chǎn)生的原子氧提供給腔室。
34. 權利要求23的方法，其中腔室包括氧化爐管。
35. 權利要求23的方法，其中加熱腔室的大氣包括將腔室的大氣 加熱到大約IOO(TC到大約IIO(TC的溫度。
全文摘要
公開了在碳化硅層上形成氧化層的方法，包括將碳化硅層放置在基本沒有金屬雜質(zhì)的腔室中；將腔室的大氣加熱到大約500℃到大約1300℃的溫度；在腔室中引入原子氧；以及使原子氧流過碳化硅層的表面，從而在碳化硅層上形成氧化層。在一些實施例中，引入原子氧包括在腔室中提供源氧化物；以及使氮氣和氧氣的混合物流過源氧化物。源氧化物可以包括鋁的氧化物或諸如氧化錳的另一源氧化物。一些方法包括在碳化硅層上形成氧化層并且在包含原子氧的大氣中退火氧化層。
文檔編號H01L21/321GK101263586SQ200680034000
公開日2008年9月10日 申請日期2006年7月11日 優(yōu)先權日2005年9月16日
發(fā)明者A·K·阿加瓦爾, D·格里德, J·W·帕爾穆爾, M·K·達斯 申請人:克里公司