4H-SiC隐埋沟道MOSFET理论和实验研究

摘要

碳化硅(SiC)是近十几年来迅速发展起来的宽禁带半导体材料之一。与广泛应用的半导体材料Si，Ge以及GaAs相比，SiC材料具有宽禁带、高击穿电场、高载流子饱和漂移速率、高热导率、高功率密度等等许多优点。而与GaN和金刚石等宽禁带半导体相比，SiC的优点是可以热氧化生成二氧化硅，使得SiCMOSFET器件和电路的实现成为可能。SiCMOSFET器件的研制工艺已得到了迅速发展，但是高温退火所造成的界面粗糙以及禁带中呈不均匀分布的大密度界面态使得反型层沟道迁移率非常小，一般在5-40cm2/Vs之间。因此提高MOSFET沟道迁移率就成为SiCMOSFET工艺中亟需解决的问题。为减小界面对器件沟道迁移率的降低作用，最直接的方法就是使器件沟道离开界面，因此，埋沟MOS结构就成了一种有希望的器件结构。但是，国内对SiC埋沟MOSFET的研究还是一片空白，本文从以下方面开展碳化硅埋沟MOSFET的研究工作： (1)深入研究了埋沟MOSFET的工作机理。埋沟MOSFET有四种不同的工作模式：表面沟道模式，表面沟道/埋沟混合模式，埋沟模式以及夹断模式。用解一维泊松方程的方法分析了埋沟MOS结构空间电荷区的特性，加深了对该结构各种工作模式的理解。分析了不完全离化对4H-SiC隐埋沟道MOS结构空间电荷区电特性的影响，计算表明，如果考虑场致离化效应，耗尽区内的电子电势分布趋近于完全离化的情况，而沟道区不完全离化的影响较为明显。 (2)由于pn结的存在，使得埋沟MOS结构的C-V特性较为复杂，这对器件的参数提取会带来影响，本文第三章详细分析了埋沟MOS结构的C-V特性。分析表明，在沟道夹断之前，pn结电容不起作用，但是，当沟道被表面耗尽区和pn结耗尽区夹断以后，pn结上相当于加了一个大小为Vbi-Vch的正向电压，pn结电容将会起作用，使总的栅电容出现下降的畸变现象。用解析的方法得到了夹断模式下表面耗尽区电容和pn结电容的解析表达式。并用实验测量结果进行了验证。分析了器件参数对隐埋沟道MOS结构C-V特性的影响。对用C-V法提取参数进行了分析。通过分析可知，积累层的栅电容仍然可以用来提取氧化层厚度，用埋沟模式下表面耗尽区的A/C2～VGS曲线线性关系的斜率可以提取沟道载流子浓度，但在衬底掺杂浓度较低或者沟道深度较浅的情况下，这种方法不再适用。可用夹断区A/C2～VGS线性关系的斜率来提取衬底载流子浓度，用该线性关系的截距来提取注入沟道深度。 (3)系统地研究了SiC埋沟MOSFET的电流电压特性。分析了沟道载流子迁移率与栅压的关系，首次提出了一个简单的平均迁移率模型，推导了各种工作模式下漏电流随栅压和漏压的关系式。通过Ⅳ特性理论值和实验值的比较验证了平均迁移率模型。在亚阈区仅考虑扩散电流，用一个等效沟道厚度的概念来表示电流流动的通道，推出了一个计算等效沟道厚度的表达式，并通过巧妙的处理，简化了等效沟道厚度的计算。在满足ND+/NA-＜43的条件下，等效沟道厚度仅与沟道中净离化施主浓度有关，与栅压和注入沟道深度无关。利用泰勒级数展开可以看出，亚阈区内峰值电势随栅压的变化而线性变化，得到一个简单的亚阈漏电流表达式。 (4)国内首次设计并研制成功了4H-SiC埋沟MOSFET。首先根据实验材料，对实验工艺和器件参数进行了设计。设计了一种用离子注入方法形成欧姆接触区和沟道区的4H-SiC埋沟MOSFET的版图。利用耗尽层近似和均匀掺杂近似，对埋沟掺杂和埋沟深度的范围进行了分析。在埋沟掺杂固定的情况下，为发挥埋沟的优势并且保证器件的正常工作，埋沟深度存在着最大值xi,max和最小值xi,min。利用pearsonⅣ方程设计了埋沟注入和源漏注入的剂量和能量。分析了各种氧化方法的区别，给出了干氧，湿氧，NO和N2O氧化速度随氧化温度的关系，给栅氧化的设计提供了参考。回顾了欧姆接触的研究现状，给出了欧姆接触电阻率的测试方法。根据设计的版图和具体工艺参数，设计了4H-SiC埋沟MOSFET器件研制的基本工艺流程。 (5)根据设计的工艺流程进行了投片，并对器件特性进行了详细的测试和分析。两个样品中，最小的比接触电阻约为9.6×10-5Ω-cm2。采用C-V法从测试曲线提取器件参数：沟道掺杂浓度，沟道注入深度，氧化层厚度以及平带电压等等。用漏压很小时的转移特性提取出了器件的阈值电压，正的阈值电压说明我们的器件是增强型的。分析了阈值电压的温度特性，120℃时的阈值电压小于室温下的值。测试了室温下和120℃时器件的Ⅳ特性，并依据所得到的Ⅳ特性对器件跨导，有效迁移率，场效应迁移率进行了分析，研究了界面态和串联电阻对迁移率的影响。分析和测试结果表明，大部分器件都具有较好的线性区和饱和区；120℃时的漏电流和跨导分别大于室温下的值；样品1和样品2最高的有效迁移率约为40和90cm2/Vs；界面态和串联电阻对迁移率的影响是非常显著的，串联电阻不仅会影响场效应迁移率的大小，还会影响峰值场效应迁移率所对应的栅压，用一个二次多项式可以准确地描述峰值场效应迁移率随串联电阻的变化关系。对样品1，消除掉界面态和串联电阻影响的真实沟道迁移率可达77cm2/Vs。 在材料和实验条件都不甚理想的情况下，我们仍然得到了较高的有效迁移率，这个值已经初步体现了埋沟MOSFET优势，说明用埋沟结构来解决SiCMOSFET沟道迁移率低的问题是完全可行的。但这个迁移率值与期望值还有一定的差距，因此我们在上述测试和分析的基础上，提出了工艺及版图的改进方案。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1 SiC材料基本特性

1.2 SiC MOSFET器件和电路研究进展

1.2.1 SiC功率MOSFET的研究进展

1.2.2 SiC MOSFET电路研究进展

1.2.3 SiC MOSFET中沟道迁移率的提高

1.3 SiC 隐埋沟道MOSFET的研究现状

1.4本文的主要研究工作

第二章埋沟MOSFET工作机理研究

2.1埋沟MOSFET的工作模式

2.1.1器件结构

2.1.2埋沟器件工作模式

2.2 SiC隐埋沟道MOS结构电特性的分析

2.2.1各种表面状态下的能带图

2.2.2数值分析

2.3埋沟MOS结构电子和电势分布

2.3.1电子和电势分布

2.3.2器件参数对埋沟MOS结构电特性的影响

2.3.3杂质不完全离化的影响

2.4本章小结

第三章4H-SiC隐埋沟道MOS结构C-V特性研究

3.1埋沟模式和夹断模式下泊松方程解析解

3.1.1各种工作模式下泊松方程的形式

3.1.2埋沟模式下的电势分布

3.1.3夹断模式下泊松方程的求解

3.2 C-V特性的计算

3.2.1隐埋沟道MOS结构和常规MOS结构C-V特性曲线的比较

3.2.2 C-V特性计算的基本公式

3.2.3表面电容分析

3.2.4计算结果和实验结果的比较

3.2.5各参数对埋沟MOS结构C-V特性的影响

3.2.6高频C-V特性分析

3.3参数提取分析

3.3.1衬底载流子浓度提取分析

3.3.2沟道载流子浓度提取分析

3.3.3注入沟道深度的提取

3.4本章小结

第四章4H-SiC隐埋沟道MOSFET电流-电压特性研究

4.1阈值电压

4.2 4H-SiC电流电压特性的数学分析

4.2.1非饱和区的电流电压关系

4.2.2饱和漏电压的计算

4.2.3线性区漏电流的计算

4.2.4平均电容对器件特性的影响

4.3平均迁移率模型的建立

4.3.1迁移率模型概述

4.3.2平均迁移率模型的建立

4.4亚阈特性研究

4.4.1关断条件下的电流电压关系

4.4.2等效沟道厚度的计算

4.4.3沟道中峰值电势的计算

4.4.4亚阈电流的计算

4.4.5亚阈摆幅的计算及参数提取分析

4.5本章小结

第五章4H-SiC隐埋沟道MOSFET实验设计

5.1材料参数和器件结构

5.1.1.实验材料

5.1.2器件结构

5.2 4H-SiC隐埋沟道MOSFET工艺版图设计

5.3离子注入工艺设计

5.3.1离子注入研究现状

5.3.2离子注入杂质分布的模拟

5.3.3注入沟道深度的设计考虑

5.3.4源漏离子注入和埋沟注入的实验设计

5.3.5高温退火工艺

5.3.6高温退火后SiC表面评估

5.4栅氧化工艺设计

5.4.1 SiC热氧化机理

5.4.2 SiC热氧化工艺研究现状

5.4.3 SiC的氧化速率

5.4.4栅氧化工艺实验设计

5.5欧姆接触工艺设计

5.5.1研究现状

5.5.2欧姆接触金属的选择

5.5.3欧姆接触比接触电阻的测试方法

5.6工艺流程

5.7 4H-SiC埋沟MOSFET初步测试

5.7.1欧姆接触的测试

5.7.2电流电压关系的初步测试

5.8本章小结

第六章4H-SiC隐埋沟道MOSFET测试分析

6.1参数提取方法

6.1.1氧化层厚度的提取

6.1.2衬底载流子浓度提取方法

6.1.3注入沟道深度提取方法

6.1.4沟道载流子浓度提取方法

6.2 CV特性的测试

6.2.1栅源电容测试及分析

6.2.2沟道载流子浓度的提取

6.2.3一种新的提取界面态密度的方法

6.3电流电压关系的测试

6.3.1阈值电压的测试

6.3.2输出特性的测试

6.3.3转移特性和跨导

6.3.4亚阈特性分析

6.3.5栅氧化层漏电分析

6.3.6埋沟MOSFET实验研制中的寄生效应

6.4沟道迁移率的提取

6.4.1漏导和有效迁移率

6.4.2跨导和场效应迁移率

6.5源漏串联电阻和界面态对迁移率的影响

6.5.1理论分析

6.5.2源漏串联电阻和界面态对迁移率的影响

6.6工艺改进方案

6.6.1初次投片所存在的主要问题和改进方案

6.6.2离子注入及退火以后的表面分析

6.7本章小结

第七章总结

致谢

参考文献

攻读博士学位期间参加的科研项目及完成的学术论文