4H-SiC隐埋沟道MOSFET理论和实验研究

论文题目: 4H-SiC隐埋沟道MOSFET理论和实验研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 微电子学与固体电子学

作者: 郜锦侠

导师: 张义门

关键词: 碳化硅,埋沟,工作模式,特性,电流电压关系,工艺,测试

文献来源: 西安电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 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SiC MOSFET器件和电路的实现成为可能。SiC MOSFET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SiC MOSFET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

论文目录:

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

发布时间: 2007-01-10

参考文献

[1].Electrical Characteristics and Reliability of MOSFET Capacitors with Ultra-thin Oxides[D]. YANJU YU.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）2005
[2].基于LaON界面钝化层的Ge MOS器件界面及电特性研究[D]. 程智翔.华中科技大学2017
[3].碲镉汞红外焦平面探测器芯片的优化设计及工艺验证[D]. 张鹏.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)2016
[4].基于柔性基体的InGaAs MOSFET的设计及关键工艺研究[D]. 刘琛.西安电子科技大学2016

4H-SiC隐埋沟道MOSFET理论和实验研究

猜你喜欢