Способ получения полупроводникового карбидокремниевого элемента

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии производства электронных приборов на карбиде кремния (SiC), например, МДП транзисторов с улучшенными рабочими характеристиками. В способе получения полупроводникового карбидокремниевого элемента, включающем введение ионов фосфора в SiC подложку путем ионной имплантации и дальнейшее формирование на ней слоя SiO₂, имплантацию ионов фосфора проводят с энергией ионов в диапазоне 0,1-50 кэВ и дозой ионов в диапазоне 10¹²-10¹⁵ см^-2, а слой SiO₂ формируют методом осаждения и далее проводят отжиг полученной структуры. Сформированный методом осаждения слой SiO₂ может иметь толщину 25-100 нм, а отжиг полученной структуры могут проводить в атмосфере сухого, либо влажного кислорода, либо в атмосфере инертного газа с парциальным давлением кислорода при температуре 900-1250°С в течение 1-180 мин. Способ позволяет повысить надежность и срок службы полупроводникового карбидокремниевого элемента при сокращении времени и затрат на его получение. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии производства электронных приборов на карбиде кремния (SiC), например, МДП транзисторов с улучшенными рабочими характеристиками.

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 SiO₂ (SiC/SiO₂) 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/SiO₂ (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/SiO₂ обуславливает снижение подвижности носителей заряда в канале SiC МДП транзистора. Помимо плотности состояний на границе раздела SiC/SiO₂, высокая шероховатость границы раздела SiC/SiO₂ также ведет к снижению подвижности носителей заряда в канале SiC МДП транзистора из-за их рассеяния на шероховатостях границы раздела SiC/SiO₂. Низкая подвижность носителей заряда в канале SiC МДП транзистора приводит к увеличению сопротивления канала SiC МДП транзистора и ухудшению рабочих характеристик прибора в целом.

Одним из наиболее широко распространенных способов получения полупроводниковых карбидокремниевых элементов с низкой плотностью состояний на границе раздела SiC/SiO₂ является пассивация поверхностных состояний азотом при помощи отжига или роста слоя SiO₂ в азотосодержащей атмосфере (NO, N₂O). Атомы азота диффундируют через слой SiO₂ и образуют химические связи с атомами углерода на границе раздела SiC/SiO₂, 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/SiO₂ (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)).

Известны различные способы получения полупроводниковых карбидокремниевых элементов с пониженной плотностью состояний на границе раздела SiC/SiO₂ при помощи роста слоя SiO₂ методом термического окисления в атмосфере N₂O (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 SiO₂ в атмосфере NO или N₂O (WO 0229874, JP 2004511101), либо в смеси NO или N₂O с транс 1,2-дигалогенэтиленом (JP 2011049368), либо в азотосодержащей атмосфере, не содержащей кислород (TWI312176). Также известен способ изготовления слоя SiO₂ на SiC подложке, являющийся частью способа получения полупроводникового карбидокремниевого элемента и заключающийся в формировании слоя SiO₂ методом термического окисления SiC в атмосфере N₂O либо отжига SiO₂, сформированного на SiC подложке методом осаждения или термического окисления, в атмосфере N₂O с целью снижения плотности поверхностных состояний на границе раздела SiC/SiO₂ (WO 0229874).

Перечисленные способы получения полупроводникового карбидокремниевого элемента с использованием пассивации поверхностных состояний на границе раздела SiC/SiO₂ азотом позволяют получить полупроводниковый карбидокремниевый элемент с недостаточно низкой плотностью состояний на границе раздела SiC/SiO₂, 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.

Также известны способы изготовления полупроводниковых карбидокремниевых элементов с низкой плотностью состояний на границе раздела SiC/SiO₂ с использованием пассивации поверхностных состояний на границе раздела SiC/SiO₂ фосфором.

Известен способ изготовления полупроводникового карбидокремниевого элемента, включающий этап формирования слоя SiO₂ на SiC подложке и этап введения фосфора в слой SiO₂ 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).

В ходе термической обработки SiC подложки со сформированным на ней слоем SiO₂ фосфор диффундирует через слой SiO₂ к границе раздела SiC/SiO₂ и химически связывается с молекулами SiO₂, оставаясь в объеме слоя SiO₂, что позволяет получить полупроводниковый карбидокремниевый элемент, в котором ионы фосфора присутствуют в слое SiO₂, 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.

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 SiO₂ толщиной 45 нм на SiC подложке методом термического окисления SiC в сухом кислороде, введении ионов фосфора в слой SiC через полученный слой SiO₂ методом ионной имплантации, последующим удалении сформированного ранее жертвенного слоя SiO₂, и повторного формирования слоя SiO₂ методом термического окисления в сухом кислороде.

В ходе повторного формирования слоя SiO₂ 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 SiO₂, что позволяет получить полупроводниковый карбидокремниевый элемент, в котором ионы фосфора присутствуют в слое SiO₂, 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 SiO₂ достаточной толщины методом термического окисления SiC, и имеет высокую себестоимость из-за дополнительного этапа формирования жертвенного слоя SiO₂.

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.

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 SiO₂, имплантацию ионов фосфора проводят с энергией ионов в диапазоне 0,1-50 кэВ и дозой ионов в диапазоне 10¹²-10¹⁵ см^-2, а слой SiO₂ формируют методом осаждения и далее проводят отжиг полученной структуры в присутствии кислорода. Сформированный методом осаждения слой SiO₂ 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.

Существенность отличий заключается в том, что способ изготовления полупроводникового карбидокремниевого элемента позволяет сформировать полупроводниковый карбидокремниевый элемент со слоем SiO₂ свободным от ионов фосфора и таким образом повысить срок службы и надежность полупроводникового карбидокремниевого элемента. Ионы фосфора не присутствуют в слое SiO₂, поскольку слой SiO₂ 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/SiO₂ на этапе отжига в присутствии кислорода, в ходе которого кислород диффундирует через слой SiO₂ и окисляет очень тонкий слой SiC с имплантированными в него ионами фосфора. Фосфор, в результате данного процесса, встраивается на границу раздела SiC/SiO₂, снижает плотность состояний на границе раздела SiC/SiO₂ и не проникает в слой SiO₂. Кроме того, время, необходимое для проведения операций нанесения слоя SiO₂ и отжига в присутствии кислорода, значительно короче, чем время, необходимое для роста слоя SiO₂ достаточной толщины методом термического окисления. Вдобавок, в предлагаемом способе изготовления полупроводникового карбидокремниевого элемента отсутствуют этапы формирования и удаления жертвенного слоя SiO₂, что сокращает время и стоимость изготовления полупроводникового карбидокремниевого элемента.

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/SiO₂ 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/SiO₂, что приводит к уменьшению рассеяния носителей заряда на шероховатостях границы раздела и увеличению подвижности носителей заряда вблизи границы раздела SiC/SiO₂. 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.

Ионы фосфора вводятся в SiC подложку путем ионной имплантации с энергией 0,1-50 кэВ и дозой 10¹²-10¹⁵ см^-2. 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/SiO₂, 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.

При введении ионов фосфора методом ионной имплантации с дозой менее 10¹² см^-2 концентрация ионов фосфора на границе раздела SiC/SiO₂ в полупроводниковом карбидокремниевом элементе будет недостаточной для снижения плотности состояний на границе раздела SiC/SiO₂. При введении ионов фосфора методом ионной имплантации с дозой более 10¹⁵ см^-2 концентрация ионов фосфора на границе раздела SiC/SiO₂ в полупроводниковом карбидокремниевом элементе будет избыточной, дальнейшее увеличение дозы не будет приводить к уменьшению плотности состояний на границе раздела SiC/SiO₂.

Далее формируется слой SiO₂ методом осаждения. Предпочтительное значение толщины слоя SiO₂ составляет 25-100 нм. При толщине слоя SiO₂ менее 25 нм увеличивается вероятность протекания туннельного тока через слой SiO₂ при использовании такого полупроводникового карбидокремниевого элемента, например, в структуре МДП транзистора на карбиде кремния. При толщине слоя SiO₂ 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 SiO₂ не является критическим и может выходить за рекомендованные границы в зависимости от структуры прибора, где используется полупроводниковый карбидокремниевый элемент, изготовленный данным способом.

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/SiO₂, а значит плотность состояний будет недостаточно низкой на границе раздела SiC/SiO₂. При времени отжига более 180 мин будет окисляться слишком толстый слой SiC, а значит значительное количество ионов фосфора будет содержаться в слое SiO₂, снижая надежность полупроводникового карбидокремниевого элемента, кроме того, будет увеличиваться шероховатость границы раздела SiC/SiO₂, 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.

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 SiO₂, 3 - граница раздела SiC/SiO₂.

ПРИМЕР 1.

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⋅10¹³ см^-2 на установке «High Voltage Engineering)) (модель «350 keV Schwerionen-Beschleuniger»). Нанесение слоя SiO₂ 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.

Введение ионов фосфора в SiC подложку осуществляли путем ионной имплантации с энергией 1 кэВ и дозой 1⋅10¹² см^-2. 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.

Введение ионов фосфора в SiC подложку осуществляется путем ионной имплантации с энергией 40 кэВ и дозой 1-10¹⁵ см^-2. 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.

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_z - шероховатость поверхности границы раздела SiC/SiO₂, D_it - плотность поверхностных состояний на границе раздела SiC/SiO₂ на 0.4 эВ ниже дна зоны проводимости, μ_FE - подвижность носителей заряда в канале латерального МДП транзистора с концентрацией акцепторов в p-базе около 1⋅10¹⁸ см^-3, <E_b> - среднее значение поля диэлектрического пробоя слоя SiO₂, являющийся критерием надежности подзатворного диэлектрика, чем выше поле пробоя, тем выше надежность. Измерение шероховатости поверхности границы раздела SiC/SiO₂ проводилось при помощи атомно-силового микроскопа на поверхности SiC после удаления слоя SiO₂ методом жидкостного травления. Измерение плотности поверхностных состояний D_it на границе раздела SiC/SiO₂ проводилось методом спектроскопии адмиттанса. Измерение подвижности носителей заряда в канале латерального МДП транзистора μ_FE проводилось методом вольт-амперных измерений на латеральных МДП транзисторах с использованием полупроводникового карбидокремниевого элемента, величина μ_FE получена из передаточных характеристик транзисторов. Измерение среднего значения поля диэлектрического пробоя слоя SiO₂ проводилось методом вольт-амперных измерений на полупроводниковом карбидокремниевом элементе, за ток пробоя принят ток равный 0,01 А.

Из таблицы можно видеть, что данный способ изготовления полупроводникового карбидокремниевого элемента позволяет достичь сопоставимых с прототипом значений плотности поверхностных состояний на границе раздела SiC/SiO₂, но при этом значительно уменьшить шероховатость поверхности границы раздела SiC/SiO₂, 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.

1. Способ получения полупроводникового карбидокремниевого элемента, включающий введение ионов фосфора в SiC подложку путем ионной имплантации и дальнейшее формирование на ней слоя SiO₂, отличающийся тем, что имплантацию ионов фосфора проводят с энергией ионов в диапазоне 0,1-50 кэВ и дозой ионов в диапазоне 10¹²-10¹⁵ см^-2, а слой SiO₂ формируют методом осаждения и далее проводят отжиг полученной структуры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сформированный методом осаждения слой SiO₂ имеет толщину 25-100 нм.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отжиг полученной структуры проводят при температуре 900-1250°С в течение 1-180 мин.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что отжиг полученной структуры проводят в атмосфере сухого кислорода.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что отжиг полученной структуры проводят в атмосфере влажного кислорода.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что отжиг полученной структуры проводят в атмосфере инертного газа с парциальным давлением кислорода.