CN108257858B - 一种高k栅介质层的制备方法及碳化硅MOS功率器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高k栅介质层的制备方法及碳化硅MOS功率器件，所述制备方法包括对具有第一导电类型的碳化硅外延片进行高温牺牲氧化，在其外延层的上表面形成牺牲氧化层；对牺牲氧化层进行腐蚀，直至完全去除外延层上的牺牲氧化层；对去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理，形成光滑的钝化表面；在光滑的钝化表面上依次淀积Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层，并对Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层构成的叠层结构进行退火，形成高k栅介质层。与现有技术相比，本发明提供的一种高k栅介质层的制备方法及碳化硅MOS功率器件，能够减少SiC/SiO₂界面处的因杂质和/或表面晶格缺陷造成的界面缺陷，提高栅介质层的耐压能力。

Description

一种高k栅介质层的制备方法及碳化硅MOS功率器件

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种高k栅介质层的制备方法及碳化硅MOS功率器件。

背景技术

碳化硅半导体材料具有较宽的禁带宽度(3.2eV)、较高的击穿电场强度(2.2MV/cm)、较高的高饱和电子迁移速率(2.0×10⁷cm/s)、较高的高热导率(5.0W/cm K)、极好的物理化学稳定性等特性，适合于作为大功率、高电压、高工作温度、高工作频率功率半导体器件的制造材料，而由于碳化硅在化合物半导体材料中是唯一具有通过氧化生成致密SiO₂介质层的能力，这使得碳化硅工艺与常规CMOS工艺具有更高的工艺兼容性和成熟性，也使得碳化硅MOS功率器件制造具有更成熟的制造工艺。

金属氧化物半导体场效应晶体管是一种广泛使用的一类功率器件，将控制信号提供给栅电极，该栅电极通过插入的绝缘体将半导体表面分开，绝缘体可以为二氧化硅(SiO₂)。通过多数载流子的传输进行电流传导，而不需要在双极型晶体管工作时使用少数载流子注入。同时，碳化硅MOS功率器件能够提供非常大的安全工作区，并且多个单元结构能够并行使用。但是碳化硅还存在下述缺陷：

1、氧化碳化硅生成SiO₂氧化过程中，会出现以悬挂键和团簇的形式存在的碳残余，导致SiC/SiO₂的界面处存在较高密度的界面态。

2、碳化硅的晶格具有各向异性特性，其氧化速率存在着较强的各向异性，导致不同晶面的氧化层存在厚度不均匀的问题；

3、SiO₂的介电材料的介电常数K_OX值仅有3.9，使得SiC/SiO₂界面电场强度分布中SiO₂侧会出现较高电场强度，从而限制碳化硅高击穿电场强度。

发明内容

为了满足克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种高k栅介质层的制备方法及碳化硅MOS功率器件。

第一方面，本发明中一种高k栅介质层的制备方法的技术方案是：

所述制备方法包括：

对具有第一导电类型的碳化硅外延片进行高温牺牲氧化，在其外延层的上表面形成牺牲氧化层；

对所述牺牲氧化层进行腐蚀，直至完全去除所述外延层上的牺牲氧化层；

对所述去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理，形成光滑的钝化表面；

在所述光滑的钝化表面上依次淀积Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层，并对所述Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层构成的叠层结构进行退火，形成高k栅介质层。

第二方面，本发明中一种碳化硅MOS功率器件的技术方案是：

所述碳化硅MOS功率器件包括：

碳化硅外延片，其包括同时具有第一导电类型的碳化硅衬底和外延层，所述外延层设置在碳化硅衬底的正面；其中：所述外延层的上表面为对去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理之后形成的光滑的钝化表面；

高k栅介质层，其设置在所述光滑的钝化表面上，所述高k栅介质层包括叠层布置的Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种高k栅介质层的制备方法，对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化形成牺牲氧化层后，将牺牲氧化层完全腐蚀去除，可以消除碳化硅外延片表面和近表面的晶格损伤和有机、金属和非金属沾污，有助于减少碳化硅外延片氧化层内的杂质含量，及SiC/SiO₂界面处的因杂质和/或表面晶格缺陷造成的界面缺陷(界面态)；对碳化硅外延片进行高温表面化处理有助于减少SiC/SiO₂界面处因表面粗糙度造成的界面缺陷(界面态)，提高载流子沟道迁移率；在光滑的钝化表面上淀积高k栅介质层，而La_xHf_yO的k值范围为17～25，禁带宽度为6～7eV，Al₂O₃的k值范围为9～10，禁带宽度为8.7～8.8eV，使得高k栅介质层具有较高的k值和禁带宽度，可以提高栅介质层的耐压能力；

2、本发明提供的一种碳化硅MOS功率器件，碳化硅外延片的外延层具有光滑的钝化表面，该钝化表面通过对去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理之后形成的，去除牺牲氧化层可以消除碳化硅外延片表面和近表面的晶格损伤和有机、金属和非金属沾污，有助于减少碳化硅外延片氧化层内的杂质含量，及SiC/SiO₂界面处的因杂质和/或表面晶格缺陷造成的界面缺陷(界面态)，同时高温表面化处理有助于减少SiC/SiO₂界面处因表面粗糙度造成的界面缺陷(界面态)，提高载流子沟道迁移率；La_xHf_yO的k值范围为17～25，禁带宽度为6～7eV，Al₂O₃的k值范围为9～10，禁带宽度为8.7～8.8eV，使得高k栅介质层具有较高的k值和禁带宽度，可以提高栅介质层的耐压能力。

附图说明

图1：本发明实施例中一种高k栅介质层的制备方法实施流程图；

图2：本发明实施例中一种碳化硅外延片的结构示意图；

图3：本发明实施例中一种碳化硅外延片的阱区、源极接触区和基极接触区示意图；

图4：本发明实施例中一种碳化硅外延片的牺牲氧化层示意图；

图5：本发明实施例中一种碳化硅外延片的钝化表面示意图；

图6：本发明实施例中一种碳化硅外延片的高k栅介质层示意图；

图7：图6所示高k栅介质层退火之前的结构示意图；

图8：图6所示高k栅介质层退火之后的结构示意图；

图9：本发明实施例中另一种碳化硅外延片的结构示意图；

图10：本发明实施例中另一种碳化硅外延片的基极接触区和沟槽区示意图；

图11：本发明实施例中另一种碳化硅外延片的牺牲氧化层示意图；

图12：本发明实施例中另一种碳化硅外延片的钝化表面示意图；

图13：本发明实施例中另一种碳化硅外延片的高k栅介质层示意图；

图14：图13所示高k栅介质层退火之前的结构示意图；

图15：图13所示高k栅介质层退火之后的结构示意图；

图16：本发明实施例中再一种碳化硅外延片的结构示意图；

图17：本发明实施例中再一种碳化硅外延片的阱区、源极接触区和基极接触区示意图；

图18：本发明实施例中再一种碳化硅外延片的牺牲氧化层示意图；

图19：本发明实施例中再一种碳化硅外延片的钝化表面示意图；

图20：本发明实施例中再一种碳化硅外延片的高k栅介质层示意图；

图21：图20所示高k栅介质层退火之前的结构示意图；

图22：图20所示高k栅介质层退火之前的结构示意图；

其中，101：n型碳化硅衬底；102：n型碳化硅外延层；110：n型碳化硅外延片；111：p型阱区；112：n型源极接触区；113：p型基极接触区；121：牺牲氧化层；131：钝化表面；140：退火之前的高k栅介质层；141：退火之前的Al₂O₃介质覆层；150：退火之前的La_xHf_yO介质层；151：La₂O₃纳米层；152：HfO₂纳米层；160：退火之后的高k介质层；161：退火之后的Al₂O₃介质覆层；162：退火之后的La_xHf_yO介质层；高k栅介质层201：n型碳化硅衬底；202：n型碳化硅外延层；203：p型碳化硅外延层；204：n型碳化硅外延层；210：n型碳化硅外延片；211：p型基极接触区；212：沟槽区；221：牺牲氧化层；231：钝化表面；240：退火之前的高k栅介质层；241：退火之前的Al₂O₃介质覆层；250：退火之前的La_xHf_yO介质层；251：La₂O₃纳米层；252：HfO₂纳米层；260：退火之后的高k介质层；261：退火之后的Al₂O₃介质覆层；262：退火之后的La_xHf_yO介质层；301：半绝缘碳化硅衬底；302：n型碳化硅外延层；310：n型碳化硅外延片；312：n型源极接触区；313：p型基极接触区；321：牺牲氧化层；331：钝化表面；340：退火之前的高k栅介质层；341：退火之前的Al₂O₃介质覆层；350：退火之前的La_xHf_yO介质层；351：La₂O₃纳米层；352：HfO₂纳米层；360：退火之后的高k介质层；361：退火之后的Al₂O₃介质覆层；362：退火之后的La_xHf_yO介质层；高k栅介质层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种高k栅介质层的制备方法进行说明。

本实施例中可以按照下述步骤制备高k栅介质层，具体为：

步骤S101：对具有第一导电类型的碳化硅外延片进行高温牺牲氧化，在其外延层的上表面形成牺牲氧化层。

步骤S102：对牺牲氧化层进行腐蚀，直至完全去除外延层上的牺牲氧化层。

步骤S103：对去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理，形成光滑的钝化表面。

步骤S104：在光滑的钝化表面上依次淀积Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层，并对所述Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层构成的叠层结构进行退火，形成高k栅介质层。

本实施例中对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化形成牺牲氧化层后，将牺牲氧化层完全腐蚀去除，可以消除碳化硅外延片表面和近表面的晶格损伤和有机、金属和非金属沾污，有助于减少碳化硅外延片氧化层内的杂质含量，及SiC/SiO₂界面处的因杂质和/或表面晶格缺陷造成的界面缺陷(界面态)；对碳化硅外延片进行高温表面化处理有助于减少SiC/SiO₂界面处因表面粗糙度造成的界面缺陷(界面态)，提高载流子沟道迁移率；在光滑的钝化表面上淀积高k栅介质层，而La_xHf_yO的k值范围为17～25，禁带宽度为6～7eV，Al₂O₃的k值范围为9～10，禁带宽度为8.7～8.8eV，使得高k栅介质层具有较高的k值和禁带宽度，可以提高栅介质层的耐压能力。

进一步地，本实施例步骤S101还可以包括下述步骤，具体为：

1、在碳化硅外延片的正面形成具有第一导电类型的外延层。

2、对碳化硅外延片清洗后，向其外延层注入离子形成阱区。其中：本实施例中清洗步骤为对碳化硅外延片依次进行Piranha工艺清洗、RCA工艺清洗和DHF工艺清洗。

3、向阱区注入离子分别形成源极接触区和基极接触区，然后在保护性掩膜和惰性气体环境下对碳化硅外延片进行退火。其中：退火温度为1500～2100℃，退火时间为10～30min。

4、对完成退火后的碳化硅外延片进行清洗。其中：本实施例中清洗步骤为对碳化硅外延片依次进行Piranha工艺清洗、RCA工艺清洗和DHF工艺清洗。

5、对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化，具体为：采用箱式炉或管式炉在氧气O₂环境下对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化。其中：高温牺牲氧化的氧化温度为1200～1500℃，氧化时间为10～30min，氧气O₂的纯度为6N，氧气O₂的流量为0.1～10slm。

进一步地，本实施例步骤S101还可以包括下述步骤，具体为：

1、按照由下到上的顺序在碳化硅外延片的正面依次形成具有第一导电类型的第一外延层、具有第二导电类型的第二外延层和具有第一导电类型的第三外延层。

2、对碳化硅外延片清洗后，向其第三外延层注入离子形成基极接触区。其中：本实施例中清洗步骤为对碳化硅外延片依次进行Piranha工艺清洗、RCA工艺清洗和DHF工艺清洗。

3、在保护性掩膜和惰性气体环境下对碳化硅外延片进行退火。其中：退火温度为1500～2100℃，退火时间为10～30min。

4、对第一外延层、第二外延层和第三外延层进行刻蚀，形成沟槽区。其中：沟槽区贯穿第一外延层和第二外延层，且其深度小于第一外延层、第二外延层和第三外延层的结深之和。本实施例中可以采用基于F基气体或Cl基气体的ICP等离子刻蚀方法，其中掩膜为氧化硅掩膜。

5、对形成沟槽区后的碳化硅外延片进行清洗。其中：本实施例中清洗步骤为对碳化硅外延片依次进行Piranha工艺清洗、RCA工艺清洗和DHF工艺清洗。

6、对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化，具体为：采用箱式炉或管式炉在氧气O₂环境下对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化。其中：高温牺牲氧化的氧化温度为1200～1500℃，氧化时间为10～30min，氧气O₂的纯度为6N，氧气O₂的流量为0.1～10slm。

进一步地，本实施例步骤S102还可以包括下述步骤，具体为：在常温下采用湿法腐蚀对牺牲氧化层进行腐蚀。其中：湿法腐蚀的腐蚀溶液为浓度为BOE腐蚀液或1～50％的DHF溶液，BOE腐蚀液可以采用常规的BOE腐蚀液。

进一步地，本实施例步骤S103还可以包括下述步骤，具体为：采用箱式炉或管式炉在氯化氢气体HCL环境下对外延层的上表面进行高温表面化处理。其中：高温表面化处理的温度为1000～2000℃，时间为0.1～4h，氯化氢气体HCL的纯度为6N，氯化氢气体HCL的流量为0.1～10slm。

进一步地，本实施例步骤S104还可以包括下述步骤，具体为：

1、采用ALD原子层沉积法在光滑的钝化表面上淀积Al₂O₃介质覆层；其中：ALD原子层沉积法的反应前驱体为三甲基铝TMA，氧化剂前驱体为臭氧O₃，温度范围为100～35℃。

2、在Al₂O₃介质覆层上淀积La_xHf_yO介质层，具体为：采用ALD原子层沉积法在Al₂O₃介质覆层上交替淀积La₂O₃纳米层和HfO₂纳米层；其中：淀积La₂O₃纳米层的反应前驱体为La(ⁱPrCp)₃，氧化剂前驱体为臭氧O₃，温度范围为200～400℃；淀积HfO₂纳米层的反应前驱体为La₂O₃，氧化剂前驱体为臭氧O₃，温度范围为200～400℃。本实施例中可以通过调节La₂O₃纳米层和HfO₂纳米层之间的相对距离，改变La_xHf_yO介质层中x＝0.1～0.9，y＝1-x。

3、采用ALD原子层沉积法在La_xHf_yO介质层上淀积Al₂O₃介质覆层；其中：ALD原子层沉积法的反应前驱体为三甲基铝TMA，氧化剂前驱体为臭氧O₃，温度范围为100～35℃。

4、采用快速热退设备，并在氮气N₂、氩气Ar或笑气N₂O的环境下对Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层构成的叠层结构进行退火；其中：退火温度为800～1200℃，退火时间为10～60s。

基于上述制备方法，本发明还进一步地提供了三种高k栅介质层制备方法的实施例，下面结合附图分别对各实施例进行说明。

实施例1

步骤S201：制备碳化硅外延片

图2为本发明实施例中一种碳化硅外延片的结构示意图，如图所示，本实施例中碳化硅外延片110包括n型碳化硅衬底101和n型碳化硅外延层102。

步骤S202：制备阱区、源极接触区和基极接触区

图3为本发明实施例中一种碳化硅外延片的阱区、源极接触区和基极接触区示意图，如图所示，本实施例中向n型碳化硅外延层102掺杂p型离子形成p型阱区111，在p型阱区111分别掺杂p型离子和n型离子形成n型基极接触区112和p型源极接触区113。

步骤S203：制备牺牲氧化层

图4为本发明实施例中一种碳化硅外延片的牺牲氧化层示意图，如图所示，本实施例中对碳化硅外延片110进行高温牺牲氧化，在n型碳化硅外延层102上形成牺牲氧化层121。

步骤S204：制备钝化表面

图5为本发明实施例中一种碳化硅外延片的钝化表面示意图，如图所示，本实施例中对牺牲氧化层121进行腐蚀，直至完全去除牺牲氧化层121。然后对去除牺牲氧化层121后的外延层102的上表面进行高温表面化处理，形成光滑的钝化表面131。

步骤S205：制备高k栅介质层

图6为本发明实施例中一种碳化硅外延片的高k栅介质层示意图，如图所示，本实施例中在光滑的钝化表面131上依次淀积Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层，并对Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层构成的叠层结构进行退火，形成高k栅介质层140。

图7为图6所示高k栅介质层退火之前的结构示意图，如图所示，本实施例中高k栅介质层140包括Al₂O₃介质覆层141和La_xHf_yO介质层150，La_xHf_yO介质层150包括La₂O₃纳米层151和HfO₂纳米层152。

图8为图6所示高k栅介质层退火之后的结构示意图，如图所示，本实施例中高k栅介质层160包括Al₂O₃介质覆层161和La_xHf_yO介质层162。

实施例2

步骤S301：制备碳化硅外延片

图9为本发明实施例中另一种碳化硅外延片的结构示意图，如图所示，本实施例中碳化硅外延片210包括n型碳化硅衬底201、n型碳化硅外延层202、p型碳化硅外延层203和n型碳化硅外延层204。

步骤S302：制备基极接触区和沟槽区

图10为本发明实施例中另一种碳化硅外延片的基极接触区和沟槽区示意图，如图所示，本实施例中向n型碳化硅外延层204掺杂p型离子形成基极接触区211，对n型碳化硅外延层202、p型碳化硅外延层203和n型碳化硅外延层204进行刻蚀形成沟槽区212。

步骤S303：制备牺牲氧化层

图11为本发明实施例中另一种碳化硅外延片的牺牲氧化层示意图，如图所示，本实施例中对碳化硅外延片210进行高温牺牲氧化，在碳化硅外延片210上形成牺牲氧化层221。

步骤S304：制备钝化表面

图12为本发明实施例中另一种碳化硅外延片的钝化表面示意图，如图所示，本实施例中对牺牲氧化层221进行腐蚀，直至完全去除牺牲氧化层221。然后对去除牺牲氧化层221后的碳化硅外延片210的上表面进行高温表面化处理，形成光滑的钝化表面231。

步骤S305：制备高k栅介质层

图13为本发明实施例中一种碳化硅外延片的高k栅介质层示意图，如图所示，本实施例中在光滑的钝化表面231上依次淀积Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层，并对Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层构成的叠层结构进行退火，形成高k栅介质层240。

图14为图13所示高k栅介质层退火之前的结构示意图，如图所示，本实施例中高k栅介质层240包括Al₂O₃介质覆层241和La_xHf_yO介质层250，La_xHf_yO介质层250包括La₂O₃纳米层251和HfO₂纳米层252。

图15为图13所示高k栅介质层退火之后的结构示意图，如图所示，本实施例中高k栅介质层260包括Al₂O₃介质覆层261和La_xHf_yO介质层262。

实施例3

步骤S401：制备碳化硅外延片

图16为本发明实施例中再一种碳化硅外延片的结构示意图，如图所示，本实施例中碳化硅外延片310包括n型碳化硅衬底301和半绝缘碳化硅衬底302。

步骤S402：制备阱区、源极接触区和基极接触区

图17为本发明实施例中再一种碳化硅外延片的阱区、源极接触区和基极接触区示意图，如图所示，本实施例中向n型碳化硅外延层302掺杂p型离子形成p型阱区311，在p型阱区311分别掺杂p型离子和n型离子形成n型基极接触区312和p型源极接触区313。

步骤S403：制备牺牲氧化层

图18为本发明实施例中再一种碳化硅外延片的牺牲氧化层示意图，如图所示，本实施例中对碳化硅外延片210进行高温牺牲氧化，在n型碳化硅外延层302上形成牺牲氧化层321。

步骤S404：制备钝化表面

图19为本发明实施例中再一种碳化硅外延片的钝化表面示意图，如图所示，本实施例中对牺牲氧化层321进行腐蚀，直至完全去除牺牲氧化层321。然后对去除牺牲氧化层321后的外延层302的上表面进行高温表面化处理，形成光滑的钝化表面331。

步骤S405：制备高k栅介质层

图20为本发明实施例中一种碳化硅外延片的高k栅介质层示意图，如图所示，本实施例中在光滑的钝化表面331上依次淀积Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层，并对Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层构成的叠层结构进行退火，形成高k栅介质层340。

图21为图20所示高k栅介质层退火之前的结构示意图，如图所示，本实施例中高k栅介质层340包括Al₂O₃介质覆层341和La_xHf_yO介质层350，La_xHf_yO介质层350包括La₂O₃纳米层351和HfO₂纳米层352。

图22为图20所示高k栅介质层退火之后的结构示意图，如图所示，本实施例中高k栅介质层360包括Al₂O₃介质覆层361和La_xHf_yO介质层362。

本发明还提供了一种碳化硅MOS功率器件，并给出具体实施例。

本实施例中碳化硅MOS功率器件包括碳化硅外延片和高k栅介质层。

其中：碳化硅外延片包括同时具有相同导电类型的碳化硅衬底和外延层，外延层设置在碳化硅衬底的正面。本实施例中外延层的上表面为对去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理之后形成的光滑的钝化表面。

高k栅介质层设置在外延层的光滑的钝化表面上。本实施例中高k栅介质层包括叠层布置的Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层。

本实施例中碳化硅外延片的外延层具有光滑的钝化表面，该钝化表面通过对去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理之后形成的，去除牺牲氧化层可以消除碳化硅外延片表面和近表面的晶格损伤和有机、金属和非金属沾污，有助于减少碳化硅外延片氧化层内的杂质含量，及SiC/SiO₂界面处的因杂质和/或表面晶格缺陷造成的界面缺陷(界面态)，同时高温表面化处理有助于减少SiC/SiO₂界面处因表面粗糙度造成的界面缺陷(界面态)，提高载流子沟道迁移率；La_xHf_yO的k值范围为17～25，禁带宽度为6～7eV，Al₂O₃的k值范围为9～10，禁带宽度为8.7～8.8eV，使得高k栅介质层具有较高的k值和禁带宽度，可以提高栅介质层的耐压能力。

进一步地，本实施例中碳化硅衬底可以采用下述碳化硅衬底，具体为：

本实施例中碳化硅衬底为4H-SiC或6H-SiC，碳化硅衬底的厚度为300～1000μm或10～400μm。同时，碳化硅衬底可以为重掺杂氮离子N或磷离子P的碳化硅衬底，电阻率为0.001～0.1Ω·cm。或者，碳化硅衬底也可以为掺杂钒离子V或不掺杂任何离子的碳化硅衬底，电阻率大于10⁵Ω·cm。

进一步地，本实施例中外延层可以采用下述外延层，具体为：

本实施例中外延层可以包括一层碳化硅外延层。其中：该碳化硅外延层为4H-SiC或6H-SiC，该碳化硅外延层的厚度为2～300μm。同时，该碳化硅外延层可以为掺杂氮离子N或磷离子P的碳化硅外延层，该碳化硅外延层的掺杂浓度为1×10¹³～1×10¹⁶cm^-3。

本实施例中外延层也可以包括按照由下到上的顺序依次设置在碳化硅衬底上的第一碳化硅外延层、第二碳化硅外延层和第三碳化硅外延层。其中：第一碳化硅外延层、第二碳化硅外延层和第三碳化硅外延层均为4H-SiC或6H-SiC。同时，

第一碳化硅外延层为掺杂氮离子N或磷离子P的碳化硅外延层，第一碳化硅外延层的掺杂浓度为1×10¹³～1×10¹⁶cm^-3，厚度为2～300μm。

第二碳化硅外延层为掺杂铝离子Al或硼离子B的碳化硅外延层，第二碳化硅外延层的掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3，厚度为0.2～10μm。

第三碳化硅外延层为掺杂氮离子N或磷离子P的碳化硅外延层，第三碳化硅外延层的掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10²¹cm^-3，厚度为0.1～0.5μm。

进一步地，本实施例中Al₂O₃介质覆层的厚度为1～10nm，La_xHf_yO介质层的厚度为1～100nm，x＝0.1～0.9，y＝1-x。

进一步地，本实施例中碳化硅MOS功率器件还可以包括下述结构，具体为：

本实施例中碳化硅MOS功率器件包括阱区、源极接触区和基极接触区：

其中：阱区为具有第二导电类型的阱区，其设置在上述包含一层碳化硅外延层的碳化硅外延的外延层内。本实施例中阱区的结深为0.2～1.0μm，杂质离子为铝离子Al或硼离子B，杂质离子的浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3。

源极接触区为具有第一导电类型的接触区，其设置在阱区内。本实施例中源极接触区的结深为0.1～0.5μm，杂质离子为铝离子Al或硼离子B，杂质离子的浓度为1×10¹⁹～1×10²¹cm^-3。

基极接触区为具有第二导电类型的接触区，其设置在阱区内。本实施例中基极接触区的结深为0.1～0.5μm，杂质离子为氮离子N或磷离子P，杂质离子的浓度为1×10¹⁸～1×10²¹cm^-3。

进一步地，本实施例中碳化硅MOS功率器件还可以包括下述结构，具体为：

本实施例中碳化硅MOS功率器件包括基极接触区和沟槽区：

其中：基极接触区为具有第二导电类型的接触区，其设置在上述包含三层碳化硅外延层的碳化硅外延的第三碳化硅外延层内。本实施例中基极接触区的结深为0.1～0.5μm，杂质离子为氮离子N或磷离子P，杂质离子的浓度为1×10¹⁸～1×10²¹cm^-3。

沟槽区贯穿第一外延层和第二外延层，且其深度小于第一外延层、第二外延层和第三外延层的结深之和。本实施例中沟槽区贯进入第三外延层的深度为0.1～1μm。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

对具有第一导电类型的碳化硅外延片进行高温牺牲氧化，在其外延层的上表面形成牺牲氧化层；

对所述牺牲氧化层进行腐蚀，直至完全去除所述外延层上的牺牲氧化层；

对所述去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理，形成光滑的钝化表面；

在所述光滑的钝化表面上依次淀积Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层，并对所述Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层构成的叠层结构进行退火，形成高k栅介质层；

所述淀积Al₂O₃介质覆层包括：采用ALD原子层沉积法在所述光滑的钝化表面以及所述La_xHf_yO介质层上淀积Al₂O₃介质覆层；其中：所述ALD原子层沉积法的反应前驱体为三甲基铝TMA，氧化剂前驱体为臭氧O₃，温度范围为100～35℃；

所述淀积La_xHf_yO介质层包括：采用ALD原子层沉积法在所述Al₂O₃介质覆层上交替淀积La₂O₃纳米层和HfO₂纳米层；其中：所述淀积La₂O₃纳米层的反应前驱体为La(ⁱPrCp)₃，氧化剂前驱体为臭氧O₃，温度范围为200～400℃；所述淀积HfO₂纳米层的反应前驱体为La₂O₃，氧化剂前驱体为臭氧O₃，温度范围为200～400℃。

2.如权利要求1所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化之前包括：

在所述碳化硅外延片的正面形成具有第一导电类型的外延层；

对所述碳化硅外延片清洗后，向所述外延层注入离子形成阱区；

向所述阱区注入离子分别形成源极接触区和基极接触区；

对注入离子后的碳化硅外延片依次进行退火和清洗。

3.如权利要求1所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化之前包括：

按照由下到上的顺序在所述碳化硅外延片的正面依次形成具有第一导电类型的第一外延层、具有第二导电类型的第二外延层和具有第一导电类型的第三外延层；

对所述碳化硅外延片清洗后，向所述第三外延层注入离子形成基极接触区；

对注入离子后的碳化硅外延片依次进行退火、沟槽刻蚀和清洗；

其中：所述沟槽刻蚀包括对所述第一外延层、第二外延层和第三外延层进行刻蚀，形成沟槽区；所述沟槽区贯穿所述第一外延层和第二外延层，且其深度小于所述第一外延层、第二外延层和第三外延层的结深之和。

4.如权利要求2或3所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对碳化硅外延片清洗包括：对所述碳化硅外延片依次进行Piranha工艺清洗、RCA工艺清洗和DHF工艺清洗。

5.如权利要求1所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化包括：采用箱式炉或管式炉在氧气O₂环境下对碳化硅外延片进行高温牺牲氧化；

其中：所述高温牺牲氧化的氧化温度为1200～1500℃，氧化时间为10～30min，氧气O₂的纯度为6N，氧气O₂的流量为0.1～10slm。

6.如权利要求1所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对牺牲氧化层进行腐蚀包括：在常温下采用湿法腐蚀对牺牲氧化层进行腐蚀；

其中：所述湿法腐蚀的腐蚀溶液为浓度为BOE腐蚀液或1～50％的DHF溶液。

7.如权利要求1所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对外延层的上表面进行高温表面化处理包括：采用箱式炉或管式炉在氯化氢气体HCL环境下对外延层的上表面进行高温表面化处理；

其中：所述高温表面化处理的温度为1000～2000℃，时间为0.1～4h，氯化氢气体HCL的纯度为6N，氯化氢气体HCL的流量为0.1～10slm。

8.如权利要求1所述的一种高k栅介质层的制备方法，其特征在于，所述对Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层构成的叠层结构进行退火包括：采用快速热退设备，并在氮气N₂、氩气Ar或笑气N₂O的环境下对所述叠层结构进行退火；其中：退火温度为800～1200℃，退火时间为10～60s。

9.一种碳化硅MOS功率器件，其特征在于，所述碳化硅MOS功率器件包括：

碳化硅外延片，其包括同时具有第一导电类型的碳化硅衬底和外延层，所述外延层设置在碳化硅衬底的正面；其中：所述外延层的上表面为对去除牺牲氧化层后的外延层的上表面进行高温表面化处理之后形成的光滑的钝化表面；

高k栅介质层，其设置在所述光滑的钝化表面上，所述高k栅介质层包括叠层布置的Al₂O₃介质覆层、La_xHf_yO介质层和Al₂O₃介质覆层；

所述外延层包括一层具有第一导电类型的碳化硅外延层；或者，

所述外延层包括按照由下到上的顺序依次设置在碳化硅衬底中正面的具有第一导电类型的第一外延层、具有第二导电类型的第二外延层和具有第一导电类型的第三外延层；

第一碳化硅外延层、第二碳化硅外延层和第三碳化硅外延层均为4H-SiC或6H-SiC；

所述第一碳化硅外延层为掺杂氮离子N或磷离子P的碳化硅外延层，其掺杂浓度为1×10¹³～1×10¹⁶cm^-3，厚度为2～300μm；

所述第二碳化硅外延层为掺杂铝离子Al或硼离子B的碳化硅外延层，其掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3，厚度为0.2～10μm；

所述第三碳化硅外延层为掺杂氮离子N或磷离子P的碳化硅外延层，其掺杂浓度为1×10¹⁸～1×10²⁰cm^-3，厚度为0.1～0.5μm。

10.如权利要求9所述的一种碳化硅MOS功率器件，其特征在于，所述碳化硅衬底为4H-SiC或6H-SiC，碳化硅衬底的厚度为300～1000μm或10～400μm；

所述碳化硅衬底为重掺杂氮离子N或磷离子P的碳化硅衬底，电阻率为0.001～0.1Ω·cm；或者，所述碳化硅衬底为掺杂钒离子V或不掺杂任何离子的碳化硅衬底，电阻率大于105Ω·cm。

11.如权利要求9所述的一种碳化硅MOS功率器件，其特征在于，所述的一层碳化硅外延层为4H-SiC或6H-SiC，其厚度为2～300μm；所述的一层碳化硅外延层为掺杂氮离子N或磷离子P的碳化硅外延层，其掺杂浓度为1×10¹³～1×10¹⁶cm^-3。

12.如权利要求9所述的一种碳化硅MOS功率器件，其特征在于，所述Al₂O₃介质覆层的厚度为1～10nm；

所述La_xHf_yO介质层的厚度为1～100nm，x＝0.1～0.9，y＝1-x。

13.如权利要求9所述的一种碳化硅MOS功率器件，其特征在于，所述碳化硅MOS功率器件还包括阱区、源极接触区和基极接触区；

所述阱区为具有第二导电类型的阱区，其设置在所述的一层碳化硅外延层内；

所述源极接触区为具有第一导电类型的接触区，其设置在所述阱区内；

所述基极接触区为具有第二导电类型的接触区，其设置在所述阱区内。

14.如权利要求13所述的一种碳化硅MOS功率器件，其特征在于，所述阱区的结深为0.2～1.0μm，杂质离子为铝离子Al或硼离子B，所述杂质离子的浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁷cm^-3；

所述源极接触区的结深为0.1～0.5μm，杂质离子为铝离子Al或硼离子B，所述杂质离子的浓度为1×10¹⁹～1×10²¹cm^-3；

所述基极接触区的结深为0.1～0.8μm，杂质离子为氮离子N或磷离子P，所述杂质离子的浓度为1×10¹⁸～1×10²¹cm^-3。

15.如权利要求11所述的一种碳化硅MOS功率器件，其特征在于，所述碳化硅MOS功率器件还包括基极接触区和沟槽区；

所述基极接触区为具有第二导电类型的接触区，其设置在所述第三碳化硅外延层内；

所述沟槽区贯穿所述第一外延层和第二外延层，且其深度小于所述第一外延层、第二外延层和第三外延层的结深之和。

16.如权利要求15所述的一种碳化硅MOS功率器件，其特征在于，

所述基极接触区的结深为0.1～0.5μm，杂质离子为氮离子N或磷离子P，所述杂质离子的浓度为1×10¹⁸～1×10²¹cm^-3；

所述沟槽区贯穿第三外延层，进入其下方所述的一层碳化硅外延层的深度为0.1～1μm。

Images