СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КАРБИДОКРЕМНИЕВОГО ЭЛЕМЕНТА
METHOD FOR SEMICONDUCTING SILICON CARBIDE ELEMENT PRODUCTION

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии производства электронных приборов на карбиде кремния (SiC), например, МДП транзисторов с улучшенными рабочими характеристиками.
2
2
2
2
2
2
2
Карбид кремния - полупроводниковый материал типа AIV-BIV, состоящий из углерода и кремния, обладающий свойством политипии. Карбид кремния является наиболее перспективным широкозонным полупроводником для создания компонентной базы радиационно стойкой, силовой и быстродействующей электроники нового поколения благодаря своим исключительным электрофизическим свойствам, таким как большая ширина запрещенной зоны, высокое критическое поле лавинного пробоя, высокая теплопроводность и термостабильность. Электрические свойства границы раздела карбида кремния и слоя SiO (SiC/SiO) являются ключевой проблемой при создании современных силовых МДП транзисторов на карбиде кремния. Формирование подзатворного диэлектрика методом термического окисления в атмосфере сухого кислорода неизменно приводит к высокой плотности состояний на границе раздела SiC/SiO (интерфейс) связанных с кластерами углерода и так называемыми около-интерфейсными ловушками (R. , P. Friedrichs, D. Peters and D. Stephani, IEEE Electron Device Let. 20, 241 (1999)). Высокая плотность состояний на границе раздела SiC/SiO обуславливает снижение подвижности носителей заряда в канале SiC МДП транзистора. Помимо плотности состояний на границе раздела SiC/SiO, высокая шероховатость границы раздела SiC/SiO также ведет к снижению подвижности носителей заряда в канале SiC МДП транзистора из-за их рассеяния на шероховатостях границы раздела SiC/SiO. Низкая подвижность носителей заряда в канале SiC МДП транзистора приводит к увеличению сопротивления канала SiC МДП транзистора и ухудшению рабочих характеристик прибора в целом.
2
2
2
2
2
2
Одним из наиболее широко распространенных способов получения полупроводниковых карбидокремниевых элементов с низкой плотностью состояний на границе раздела SiC/SiO является пассивация поверхностных состояний азотом при помощи отжига или роста слоя SiO в азотосодержащей атмосфере (NO, NO). Атомы азота диффундируют через слой SiO и образуют химические связи с атомами углерода на границе раздела SiC/SiO, ответственными за возникновение электронных состояний в запрещенной зоне SiC, изменяя их энергетическое положение и перемещая данные состояния ближе к середине запрещенной зоны, что эффективно снижает плотность состояний на границе раздела SiC/SiO (М. Krieger, S. Beljakowa, L. Trapaidze, Т. Frank, H.В. Weber, G. Pensl, N. Hatta, M. Abe, H. Nagasawa and A. , Phys. Stat. Sol. (b) 245, No. 7, 1390-1395 (2008)).
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Известны различные способы получения полупроводниковых карбидокремниевых элементов с пониженной плотностью состояний на границе раздела SiC/SiO при помощи роста слоя SiO методом термического окисления в атмосфере NO (G.Y. Chung, С.С. Tin, J.R. Williams, K. McDonald, M. Di Ventra, S.T. Pantelides, L.C. Feldman and R.A. Weller, Appl. Phys. Lett. 76, 1713 (2000), WO 0229874, JP 2004511101, JP 2011049368) или отжига сформированного на SiC подложке слоя SiO в атмосфере NO или NO (WO 0229874, JP 2004511101), либо в смеси NO или NO с транс 1,2-дигалогенэтиленом (JP 2011049368), либо в азотосодержащей атмосфере, не содержащей кислород (TWI312176). Также известен способ изготовления слоя SiO на SiC подложке, являющийся частью способа получения полупроводникового карбидокремниевого элемента и заключающийся в формировании слоя SiO методом термического окисления SiC в атмосфере NO либо отжига SiO, сформированного на SiC подложке методом осаждения или термического окисления, в атмосфере NO с целью снижения плотности поверхностных состояний на границе раздела SiC/SiO (WO 0229874).
2
2
Перечисленные способы получения полупроводникового карбидокремниевого элемента с использованием пассивации поверхностных состояний на границе раздела SiC/SiO азотом позволяют получить полупроводниковый карбидокремниевый элемент с недостаточно низкой плотностью состояний на границе раздела SiC/SiO, что приводит к низкой подвижности носителей заряда, а значит к существенному ухудшению рабочих характеристик МДП транзисторов на карбиде кремния, например, увеличению сопротивления канала транзистора, а значит увеличению электрических потерь в приборе.
2
2
Также известны способы изготовления полупроводниковых карбидокремниевых элементов с низкой плотностью состояний на границе раздела SiC/SiO с использованием пассивации поверхностных состояний на границе раздела SiC/SiO фосфором.
2
2
Известен способ изготовления полупроводникового карбидокремниевого элемента, включающий этап формирования слоя SiO на SiC подложке и этап введения фосфора в слой SiO путем термической обработки в фосфорсодержащей атмосфере при температуре 800-1100°С, причем фосфор вводится в атмосферу камеры путем пробулькивания газа через фосфорсодержащую жидкость (Патент US №8546815 «SiC semiconductor element and manufacturing method for same», МПК H01L 21/265; H01L 29/38, опубл. 2013-10-01).
2
2
2
2
2
2
В ходе термической обработки SiC подложки со сформированным на ней слоем SiO фосфор диффундирует через слой SiO к границе раздела SiC/SiO и химически связывается с молекулами SiO, оставаясь в объеме слоя SiO, что позволяет получить полупроводниковый карбидокремниевый элемент, в котором ионы фосфора присутствуют в слое SiO, что приводит к увеличению силы протекающего через него тока по механизму Пула-Френкеля, а значит сокращению срока службы и надежности полупроводникового карбидокремниевого элемента и прибора в целом.
2
2
2
2
Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления полупроводникового карбидокремниевого элемента (A. Mikhaylov, Т. Sledziewski, A. Afanasyev, V. Luchinin, S. Reshanov, A. , M. Krieger, Materials Science Forum, 806, p. 133, 2014), заключающийся в формировании жертвенного слоя SiO толщиной 45 нм на SiC подложке методом термического окисления SiC в сухом кислороде, введении ионов фосфора в слой SiC через полученный слой SiO методом ионной имплантации, последующим удалении сформированного ранее жертвенного слоя SiO, и повторного формирования слоя SiO методом термического окисления в сухом кислороде.
2
2
2
2
2
В ходе повторного формирования слоя SiO методом термического окисления в сухом кислороде атомы фосфора, присутствующие в SiC подложке в результате предшествующей операции ионной имплантации, неизбежно остаются в объеме термически выращенного слоя SiO, что позволяет получить полупроводниковый карбидокремниевый элемент, в котором ионы фосфора присутствуют в слое SiO, и это приводит к увеличению силы протекающего через него тока по механизму Пула-Френкеля, а значит сокращению срока службы и надежности полупроводникового карбидокремниевого элемента. К тому же, такой способ достаточно длителен, что обусловлено долгим процессом формирования слоя SiO достаточной толщины методом термического окисления SiC, и имеет высокую себестоимость из-за дополнительного этапа формирования жертвенного слоя SiO.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения полупроводникового карбидокремниевого элемента, который позволяет достигать технический результат, заключающийся в сокращении времени и затрат на получение полупроводникового карбидокремниевого элемента с повышенной надежностью и сроком службы.
2
2
2
12
15
-2
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе получения полупроводникового карбидокремниевого элемента, включающем введение ионов фосфора в SiC подложку путем ионной имплантации и дальнейшее формирование на ней слоя SiO, имплантацию ионов фосфора проводят с энергией ионов в диапазоне 0,1-50 кэВ и дозой ионов в диапазоне 10-10 см, а слой SiO формируют методом осаждения и далее проводят отжиг полученной структуры в присутствии кислорода. Сформированный методом осаждения слой SiO может иметь толщину 25-100 нм. Отжиг полученной структуры могут проводить при температуре 900-1250°С в течение 1-180 мин. Отжиг может проводиться в атмосфере сухого кислорода, в атмосфере влажного кислорода или в атмосфере инертного газа с парциальным давлением кислорода.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Существенность отличий заключается в том, что способ изготовления полупроводникового карбидокремниевого элемента позволяет сформировать полупроводниковый карбидокремниевый элемент со слоем SiO свободным от ионов фосфора и таким образом повысить срок службы и надежность полупроводникового карбидокремниевого элемента. Ионы фосфора не присутствуют в слое SiO, поскольку слой SiO формируется методом осаждения, а не методом термического окисления слоя SiC, содержащего ионы фосфора. При этом снижение плотности поверхностных состояний осуществляется также эффективно за счет внедрения фосфора на границу раздела SiC/SiO на этапе отжига в присутствии кислорода, в ходе которого кислород диффундирует через слой SiO и окисляет очень тонкий слой SiC с имплантированными в него ионами фосфора. Фосфор, в результате данного процесса, встраивается на границу раздела SiC/SiO, снижает плотность состояний на границе раздела SiC/SiO и не проникает в слой SiO. Кроме того, время, необходимое для проведения операций нанесения слоя SiO и отжига в присутствии кислорода, значительно короче, чем время, необходимое для роста слоя SiO достаточной толщины методом термического окисления. Вдобавок, в предлагаемом способе изготовления полупроводникового карбидокремниевого элемента отсутствуют этапы формирования и удаления жертвенного слоя SiO, что сокращает время и стоимость изготовления полупроводникового карбидокремниевого элемента.
2
2
2
Кроме того, в случае роста подзатворного диэлектрика методом термического окисления SiC происходит увеличение шероховатости поверхности SiC, поскольку используемые подложки SiC имеют угол разориентирования 4°, что технологически необходимо для формирования верхнего слоя подложки высокого качества, а в ходе окисления SiC увеличивается размер ступеней роста. Шероховатость границы раздела SiC/SiO полупроводникового карбидокремниевого элемента, сформированного предложенным способом, значительно ниже за счет того, что подзатворный диэлектрик сформирован методом осаждения и последующего отжига в присутствии кислорода, в ходе которого окисляется очень тонкий слой SiC. Это предотвращает увеличение шероховатости границы раздела SiC/SiO, что приводит к уменьшению рассеяния носителей заряда на шероховатостях границы раздела и увеличению подвижности носителей заряда вблизи границы раздела SiC/SiO. Увеличение подвижности носителей заряда в канале МДП транзистора с использованием полупроводникового карбидокремниевого элемента, изготовленного заявляемым способом, приводит к существенному улучшению рабочих характеристик МДП транзисторов на карбиде кремния, например, уменьшению сопротивления канала транзистора, а значит уменьшению электрических потерь в приборе.
Изобретение иллюстрирует фиг. 1, на которой изображена структура полупроводникового карбидокремниевого элемента.
Способ реализуют следующим образом.
12
15
-2
2
Ионы фосфора вводятся в SiC подложку путем ионной имплантации с энергией 0,1-50 кэВ и дозой 10-10 см. При введении ионов фосфора методом ионной имплантации с энергией более 50 кэВ существенно повреждается поверхность SiC вследствие бомбардировки поверхности высокоэнергетическими ионами фосфора, что будет увеличивать концентрацию дефектов в приповерхностной области SiC подложки и увеличивать плотность состояний на границе раздела SiC/SiO, а также снижать надежность полупроводникового карбидокремниевого элемента. При введении ионов фосфора методом ионной имплантации с энергией менее 0,1 кэВ энергии ионов не достаточно для того, чтобы внедриться в SiC подложку.
12
-2
15
-2
2
2
2
2
При введении ионов фосфора методом ионной имплантации с дозой менее 10 см концентрация ионов фосфора на границе раздела SiC/SiO в полупроводниковом карбидокремниевом элементе будет недостаточной для снижения плотности состояний на границе раздела SiC/SiO. При введении ионов фосфора методом ионной имплантации с дозой более 10 см концентрация ионов фосфора на границе раздела SiC/SiO в полупроводниковом карбидокремниевом элементе будет избыточной, дальнейшее увеличение дозы не будет приводить к уменьшению плотности состояний на границе раздела SiC/SiO.
2
2
2
2
2
2
Далее формируется слой SiO методом осаждения. Предпочтительное значение толщины слоя SiO составляет 25-100 нм. При толщине слоя SiO менее 25 нм увеличивается вероятность протекания туннельного тока через слой SiO при использовании такого полупроводникового карбидокремниевого элемента, например, в структуре МДП транзистора на карбиде кремния. При толщине слоя SiO более 100 нм уменьшается эффективность работы затвора транзистора при использовании такого полупроводникового карбидокремниевого элемента, например, в структуре МДП транзистора на карбиде кремния. Однако значение толщины слоя SiO не является критическим и может выходить за рекомендованные границы в зависимости от структуры прибора, где используется полупроводниковый карбидокремниевый элемент, изготовленный данным способом.
2
2
2
2
Отжиг полученной структуры проводят в присутствии кислорода (в атмосфере сухого кислорода, в атмосфере влажного кислорода или в атмосфере инертного газа с парциальным давлением кислорода). Рекомендуемый диапазон температур 900-1250°С и времени отжига 1-180 мин. При температуре менее 900°С необходимое окисление тонкого слоя SiC будет либо незначительным, либо слишком долгим. При температуре более 1250°С более вероятно диффундирование ионов фосфора в объем диэлектрика, что будет снижать надежность полупроводникового карбидокремниевого элемента, кроме того, в таком случае затрудняется контроль толщины окисленного слоя SiC, поскольку процесс окисления проходит слишком быстро. При времени отжига менее 1 мин не будет происходить окисления слоя SiC достаточной толщины для эффективного встраивания ионов фосфора на границу раздела SiC/SiO, а значит плотность состояний будет недостаточно низкой на границе раздела SiC/SiO. При времени отжига более 180 мин будет окисляться слишком толстый слой SiC, а значит значительное количество ионов фосфора будет содержаться в слое SiO, снижая надежность полупроводникового карбидокремниевого элемента, кроме того, будет увеличиваться шероховатость границы раздела SiC/SiO, что негативно скажется на рабочих характеристиках МДП транзисторов на карбиде кремния. Однако длительность и температура отжига не являются критическими и могут выходить за рекомендованные величины в зависимости от конкретной реализации.
2
2
Рассмотрим осуществление предлагаемого способа на конкретных примерах. Поперечное сечение полупроводникового карбидокремниевого элемента, формируемого заявляемым способом изготовления, приведено на фиг. 1, где 1 - SiC подложка, 2 - слой SiO, 3 - граница раздела SiC/SiO.
ПРИМЕР 1.
13
-2
2
Для получения полупроводникового карбидокремниевого элемента с высокой подвижностью носителей заряда и высокой надежностью введение ионов фосфора в SiC подложку осуществляли путем ионной имплантации с энергией 20 кэВ и дозой 3⋅10 см на установке «High Voltage Engineering)) (модель «350 keV Schwerionen-Beschleuniger»). Нанесение слоя SiO толщиной 50 нм выполняли методом ALD (атомно-слоевое осаждение) на SiC подложку на установке «Oxford Instruments)). Отжиг полученной структуры проводили в атмосфере сухого кислорода при температуре 1150°С в течение 30 мин в печи «Thermco». Характеристики полученного карбидокремниевого полупроводникового элемента приведены в таблице.
ПРИМЕР 2.
12
-2
Введение ионов фосфора в SiC подложку осуществляли путем ионной имплантации с энергией 1 кэВ и дозой 1⋅10 см. Нанесение слоя диоксида кремния толщиной 100 нм выполняется методом ALD на SiC подложку. Отжиг полученной структуры проводится в атмосфере влажного кислорода при температуре 1250°С в течение 15 мин. Характеристики полученного карбидокремниевого полупроводникового элемента приведены в таблице 1.
ПРИМЕР 3.
15
-2
Введение ионов фосфора в SiC подложку осуществляется путем ионной имплантации с энергией 40 кэВ и дозой 1-10 см. Нанесение слоя диоксида кремния толщиной 25 нм выполняется методом ALD (атомно-слоевое осаждение) на SiC подложку. Отжиг полученной структуры проводится в атмосфере азота смешанного с кислородом в пропорции 3:1 при температуре 900°С в течение 150 мин. Характеристики полученного карбидокремниевого полупроводникового элемента приведены в таблице 1.
z
2
it
2
FE
b
2
2
2
it
2
FE
FE
2
18
-3
По приведенной технологии была изготовлена партия полупроводниковых карбидокремниевых элементов, а также латеральных полевых МДП транзисторов с использованием данных полупроводниковых карбидокремниевых элементов. В таблице приведены основные характеристики полупроводниковых карбидокремниевых элементов и латеральных полевых транзисторов на их основе, где R - шероховатость поверхности границы раздела SiC/SiO, D - плотность поверхностных состояний на границе раздела SiC/SiO на 0.4 эВ ниже дна зоны проводимости, μ - подвижность носителей заряда в канале латерального МДП транзистора с концентрацией акцепторов в p-базе около 1⋅10 см, <E> - среднее значение поля диэлектрического пробоя слоя SiO, являющийся критерием надежности подзатворного диэлектрика, чем выше поле пробоя, тем выше надежность. Измерение шероховатости поверхности границы раздела SiC/SiO проводилось при помощи атомно-силового микроскопа на поверхности SiC после удаления слоя SiO методом жидкостного травления. Измерение плотности поверхностных состояний D на границе раздела SiC/SiO проводилось методом спектроскопии адмиттанса. Измерение подвижности носителей заряда в канале латерального МДП транзистора μ проводилось методом вольт-амперных измерений на латеральных МДП транзисторах с использованием полупроводникового карбидокремниевого элемента, величина μ получена из передаточных характеристик транзисторов. Измерение среднего значения поля диэлектрического пробоя слоя SiO проводилось методом вольт-амперных измерений на полупроводниковом карбидокремниевом элементе, за ток пробоя принят ток равный 0,01 А.
2
2
Из таблицы можно видеть, что данный способ изготовления полупроводникового карбидокремниевого элемента позволяет достичь сопоставимых с прототипом значений плотности поверхностных состояний на границе раздела SiC/SiO, но при этом значительно уменьшить шероховатость поверхности границы раздела SiC/SiO, увеличить подвижность носителей заряда в канале латерального МДП транзистора, а также среднюю напряженность поля диэлектрического пробоя полупроводникового карбидокремниевого элемента, что приводит к повышению надежности и срока службы полупроводникового карбидокремниевого элемента при сокращении времени и затрат на его получение.