氮氢等离子体处理对SiC MOS栅氧化层可靠性的影响

摘要

SiC材料由于具有禁带宽度较大，临界击穿场强较高以及热导率高等优异的物理性质而被称为第三代半导体材料，有望被广泛应用于高温、高频及大功率器件领域。且SiC可通过热氧化方式生长SiO2氧化膜，使得借鉴成熟Si工艺制作SiC MOSFET器件成为可能。但SiC材料的特殊结构使其氧化后会产生较多缺陷结构，使单纯通过热氧化生长的栅氧化层可靠性不能满足实用要求，限制了SiC MOSFET的广泛应用。因此，改进SiC MOS栅氧化层的制作工艺来改善栅氧化层可靠性成为了当今SiC MOSFET器件领域研究的关键问题。
　　本文采用电子回旋共振微波NH等离子体表面处理及氧化后退火处理技术对SiC MOS电容样品进行处理，分别通过电流-电压(I-V)特性及经时击穿(TDDB)特性对处理后样品的栅氧化层可靠性进行评价，并通过电容-电压（C-V)测试及界面组成分析对SiCMOS栅氧化层可靠性改善机理进行分析。I-V特性测试发现经过NH等离子体表面及退火处理的样品的击穿场强可达到11.33MV/cm，而势垒高度可达到2.69eV与SiC/SiO2理想势垒高度2.7eV十分接近，与仅经过NH等离子体退火处理的样品及未处理样品相比，绝缘性及击穿特性明显提高。而通过TDDB特性测试发现经过NH等离子体表面及退火处理的样品的特征失效时间所对应击穿电荷量可达到4C/cm2，是仅经过NH等离子体退火处理样品击穿电荷量的5倍左右，是未处理样品击穿电荷量的50倍左右，且假设实际工作在3MV/cm的场强下，80％以上的被测试样品的寿命均在十年左右或超过十年，是未经过处理样品寿命的100倍左右。同时，经过NH等离子体表面及退火处理的样品的经时击穿场强及均一性均较其他两组样品明显提高，证明该样品的栅氧化层可靠性明显提高。通过C-V测试发现，NH等离子体表面及退火处理的样品的界面态密度明显降低，且其平带电压也明显减小可低至0.02V，证明NH等离子体表面及退火处理可以有效地改善SiC MOS电容的界面情况。而通过对界面组成分析推测氧化后退火处理很好地钝化了SiOxCy和碳团簇等界面缺陷，而表面处理可以使SiC表面平整化，从而有效降低表面态密度，抑制了界面态的产生，进而增加了栅氧化层的实际击穿厚度，共同增强了SiC MOS电容栅氧化层的可靠性。
　　以上实验结果表明，电子回旋共振微波NH等离子体表面处理及氧化后退火处理可以有效地降低SiC/SiO2界面态密度，改善SiC MOS电容的可靠性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究思想及研究内容

2 SiC MOS栅氧化层击穿机理及TDDB测试方法

2．1 SiC MOS栅氧化层击穿机理

2．1．1 栅氧化层结构及性质

2．1．2 栅氧化层击穿机理

2．2 栅氧化层TDDB测试方法

2．2．1 TDDB测试方法分类

2．2．2 TDDB击穿表征参数

2．2．3 栅氧化层TDDB模型

2．3 本章小结

3 氮氢等离子体处理SiC MOS电容制作工艺

3．1 SiC衬底预处理

3．1．1 SiC衬底样品清洗

3．1．2 氮氢等离子体表面处理

3．2 氧化工艺

3．2．1 SiC氧化机理

3．2．2 SiC氧化工艺设计

3．3 氮氢等离子体退火处理工艺

3．4 电极制作工艺

3．5 本章小结

4 SiC MOS栅氧化层可靠性评价及界面组成分析

4．1 栅氧化层绝缘特性评价

4．1．1 Fowler-Nordheim隧穿电流模型

4．1．2 I-V特性测试及数据分析

4．2 栅氧化层TDDB特性评价

4．2．1 威布尔分布统计方法

4．2．2 TDDB特性测试方法及数据分析

4．3 SiO2／SiC界面电学特性评价

4．3．1 MOS电容工作特性

4．3．2 室温hi-lo法C-V测试及数据分析

4．4 SiO2／SiC界面组成分析及可靠性改进分析

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

致谢