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 Rz - шероховатость поверхности границы раздела SiC/SiO2, Dit - плотность поверхностных состояний на границе раздела SiC/SiO2 на 0.4 эВ ниже дна зоны проводимости, μFE - подвижность носителей заряда в канале латерального МДП транзистора с концентрацией акцепторов в p-базе около 1⋅1018 см-3, <Eb> - 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 Dit на границе раздела SiC/SiO2 проводилось методом спектроскопии адмиттанса. Измерение подвижности носителей заряда в канале латерального МДП транзистора μFE проводилось методом вольт-амперных измерений на латеральных МДП транзисторах с использованием полупроводникового карбидокремниевого элемента, величина μFE 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления полевых транзисторов с повышенной стабильностью параметров.

Изобретение относится к устройствам дифракционных периодических микроструктур для видимого диапазона, выполненным на основе пористого кремния. Техническим результатом изобретения является создание дифракционной периодической микроструктуры на основе пористого кремния с различными металлосодержащими наночастицами.
Изобретение относится к технике, связанной с процессами ионно-плазменного легирования полупроводников и может быть использовано в производстве солнечных элементов, полупроводниковых приборов и интегральных микросхем на основе кремния.

Изобретение относится к области технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления силицидных слоев с низким сопротивлением.

Способ изготовления дифракционной периодической микроструктуры на основе пористого кремния включает в себя формирование заданной дифракционной периодической микроструктуры с помощью имплантации ионами благородных или переходных металлов через поверхностную маску, с энергией 5-100 кэВ.

Изобретение относится к области технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления полевого транзистора с пониженными значениями контактного сопротивления.

Изобретение относится к области технологии производства полупроводниковых приборов, в частности к технологии изготовления тонкопленочных транзисторов с низким значением тока утечки.

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, чувствительных к инфракрасному излучению, и может быть использовано при изготовлении фотодиодов на кристаллах InGaAs n-типа проводимости, фототранзисторов, фоторезисторов на основе кристаллов p-типа проводимости.

Изобретение относится к оптике. Способ изготовления дифракционной решетки заключается в формировании на поверхности исходной подложки элементов заданной структуры дифракционной решетки путем ионной имплантации через поверхностную маску, при этом имплантацию осуществляют ионами металла с энергией 5-1100 кэВ, дозой облучения, обеспечивающей концентрацию вводимых атомов металла в облучаемой подложке 3·1020-6·1022 атомов/см3, плотностью тока ионного пучка 2·1012-1·1014 ион/см2с в оптически прозрачную диэлектрическую или полупроводниковую подложку.

Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в частности, к способам изготовления планарных pin-фотодиодов большой площади на основе высокоомного кремния p-типа проводимости.
Наверх