氮钝化SiC MOS界面特性的Gray-Brown法研究

摘要

第三代半导体材料碳化硅(SiC)由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率以及高载流子饱和漂移速度等优异特性，而广泛应用于高温、大功率、高频、抗辐射等领域。同时，SiC是唯一一种能通过热氧化形成本征氧化物的宽带隙化合物半导体材料，使得基于SiC MOS的器件更容易在成熟的硅工艺上制作实现。然而，实际制作的4H-SiCMOSFETs的沟道载流子迁移率非常低，严重影响了器件性能。其原因主要是SiO2/SiC界面态密度过高，尤其是导带附近的高界面态密度。因此钝化界面缺陷，降低SiO2/SiC界面态密度，特别是SiC导带附近的界面态密度已成为SiC MOS器件研究的关键技术问题。
　　本文采用电子回旋共振(ECR)氮等离子体对SiO2/SiC界面进行钝化，并制作成MOS电容结构。通过I-V测试研究了栅氧化膜的击穿特性，测得栅氧化膜的击穿场强为9.92MV/cm，根据F-N电流隧穿模型，通过分析J-E曲线获得SiO2与SiC之间势垒高度(φ)b为2.69eV，接近理论值2.72eV，这表明经过氮等离子体处理的氧化膜保持了良好的耐击穿特性。Gray-Brown法被用来提取室温Hi-Lo C-V法无法提取的距导带底EC0.2eV以内的界面态分布情况。采用Gray-Brown法研究分析了MOS电容80-300K的低温高频C-V曲线，从而更加精确地获得距EC～0.05-0.2eV范围内的界面态分布情况，结合室温Hi-Lo C-V法，进而获得了在EC～0.05-0.6eV整个范围内的界面态分布情况。系列实验的研究结果表明，SiO2/SiC界面氮等离子体处理10min的钝化效果最好，界面态密度显著降低。距EC～0.05eV处的界面态密度由未处理的5.53×1013cm-2eV-1降低为处理后的2.91×1013cm-2eV-1。在0.2eV处，由Hi-Lo C-V法计算得到的界面态密度降低至1.33×1012cm-2eV-1。
　　上述结果表明，SiO2/SiC界面经过氮等离子处理可以保持氧化膜良好的击穿特性，并且有效地降低距EC～0.05-0.6eV范围内的界面态密度，改善了MOS界面特性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景与意义

1．2 SiO2／SiC界面研究现状

1．3 论文的研究思想和研究内容

2 氮钝化SiC MOS电容的制作工艺及测试

2．1 SiC MOS电容的制作工艺

2．1．1 衬底预处理

2．1．2 氧化工艺

2．1．3 氮等离子体处理工艺

2．1．4 电极制作工艺

2．2 SiC MOS电容的测试

2．2．1 SiC MOS电容的电流-电压(I-V)特性测试

2．2．2 SiC MOS电容的电容-电压(C-V)特性测试

2．3 本章小结

3 氮钝化SiC MOS栅氧化膜击穿特性评价

3．1 Fowler-Nordheim隧穿电流模型

3．2 SiC MOS棚氧化膜击穿特性分析

3．2．1 氧化物击穿模式

3．2．2 氧化膜击穿特性

3．3 本章小结

4 氮钝化SiC MOS界面特性的Gray-Brown法分析

4．1 用于SiC材料的Gray-Brown法

4．1．1 SiC材料的相关参数

4．1．2 Gray-Brown法的计算

4．2 SiC MOS界面特性评价

4．2．1 MOS界面特性及分析

4．2．2 MOS界面特性改善效果

4．3 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