SiC MOS电容近界面氧化层陷阱的等离子体钝化及电压稳定性研究

摘要

碳化硅(SiC)半导体具有优良的物理和电学性能，凭借着禁带宽度大、热导率高、击穿电场高和饱和漂移速率高等优点成为了第三代宽禁带半导体，在高温、高压和大功率等极限条件中广泛应用。同时，与其它半导体材料相比，SiC是唯一一种可以直接热氧化生长二氧化硅(SiO2)的化合物半导体材料，因此，SiC材料更适用于加工以形成金属-氧化物-半导体场效应晶体管。然而，在实际的生产应用中，SiC材料的优异性能并不能得到很好的体现，归因于在热氧化工艺下生长出的SiO2层中存在着大量的缺陷和陷阱，尤其是近界面氧化层陷阱(NIOTs)，其在偏压温度应力下的俘获和解陷行为严重地影响了碳化硅金属氧化物半导体(SiC MOS)器件的电压稳定性。因此，对NIOTs的钝化及SiC MOS器件的电压稳定性研究成为了当今SiC MOS器件领域的重要问题。 本工作结合电子回旋共振(ECR)微波氮等离子体和ECR微波氮氢混合等离子体钝化工艺对SiC MOS电容进行了制备，深入探究了两种等离子体钝化工艺对SiC MOS电容器中NIOTs的钝化效果，并对氮和氢对NIOTs的钝化微观机理进行了研究。 为了将氧化层陷阱电荷对曲线漂移的影响单独分离出来，并评估SiC MOS电容器的电压稳定性，我们提出了一种改进了的低温中带电压漂移法。实验结果表明，通过增加ECR微波氮等离子体钝化时间可以提高钝化NIOTs的效率和器件的电压稳定性。然而，过多的氮钝化处理会产生深能级界面和近界面氧化层陷阱，使样品在高温负应力测试下的C-V曲线出现“鼓包”现象，从而降低器件的稳定性。而混合等离子体钝化工艺中少量的氢可以将其钝化解决这一问题。用ECR氮氢混合等离子体钝化工艺进行钝化处理的样品比由氮等离子体钝化工艺处理的样品具有更小的电压漂移量和更高的器件稳定性。但是过量的氢的引入也会产生额外的缺陷，使得MOS器件的稳定性对ECR氮氢混合等离子体钝化的时间很敏感。然而，从器件的整体性能来看，氮氢混合等离子体钝化工艺更适用于钝化NIOTs。只要混合等离子体钝化的时间合适，器件的电压稳定性就可以达到最大化。 以上的工作为钝化SiC MOS电容器中的NIOTs和提高器件的电压稳定性提供了新的思路，为进一步探究器件可靠性工作奠定了良好的基础。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

(1) 从Si材料到宽带隙半导体

(2) SiC材料的优异特性及应用

(3) SiC器件存在的问题

(4) 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

(1) 氧化层陷阱的组成及结构

(2) 氧化层陷阱的钝化工艺

(3) 氧化层陷阱的测试方法

1.3 研究思想及研究内容

2SiC MOS电容的制备工艺及改进的低温中带电压漂移法

2.1 引言

2.2SiC MOS电容的制备工艺

2.2.1 改进的RCA清洗工艺

2.2.2 热氧化工艺

2.2.3 ECR微波氮/氮氢混合等离子体钝化工艺

2.2.4 电极制作工艺

2.3 改进的低温中带电压漂移法

2.3.1 传统的中带电压法

2.3.2 改进的低温中带电压漂移法的原理

2.3.3 低温中带电压漂移法的测试方法

2.4 本章小结

3 氮/氮氢混合等离子体钝化工艺的钝化效果

3.1 引言

3.2 等离子体钝化工艺对电压稳定性的影响

3.3 中带电压和平带电压漂移的物理机制

3.4 等离子体钝化工艺对NIOTs的钝化效果

3.5 氮的过钝化及氢钝化效果

3.6 本章小结

4 氮/氮氢混合等离子体对NIOTs的钝化机理研究

4.1 引言

4.2 近界面氧化层的组成及结构分析

4.3 氮/氮氢混合等离子体钝化NIOTs的微观机理

4.4 氮的过钝化及氢钝化机理研究

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

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