SiC MOS界面氮等离子体改性及电学特性研究

论文摘要

碳化硅（SiC）半导体由于具有宽禁带、高击穿电场、高热导率等优异特性，使其在高温、高功率、高频、高辐射等领域应用前景广阔，其研究广为关注。与其它宽带隙半导体相比，SiC能够像硅那样通过热氧化工艺生长氧化膜，这使得它更容易在成型的硅器件体系下设计和制作基于MOS（金属／氧化物／半导体）结构的器件。然而实际制作的SiC MOS器件沟道迁移率较低，其主要原因是由于SiO2／SiC的界面态密度过高。因此如何降低SiO2／SiC的界面态密度成为SiC MOS器件研究中的关键技术问题。本文首先探讨了SiO2／SiC界面态起源及其研究方法，紧接着研究SiC MOS器件工艺，在4H-SiC衬底上通过干氧氧化生长SiO2绝缘层，为了能够更好的改善界面性能，采用对氧化膜损伤较小的ECR（电子回旋共振）等离子体处理系统产生的高活性N等离子体处理SiO2／SiC界面，并与未经处理的样品对比，研究其处理效果。本文着重分析了不同工艺下制作的SiC MOS电容样品的电学特性。通过Ⅰ-Ⅴ测试和Fowler-Nordheim隧道电流模型解析进行氧化膜可靠性评价，获得的氧化膜击穿场强达9．96 MV／cm，SiO2／SiC势垒高度达2．70eV，同时验证了ECR系统的氮等离子体处理没有劣化氧化膜的耐压特性。通过高频-准静态C-V测试评价SiO2／SiC界面特性，获得了不同工艺下界面态密度分布和氧化膜中的电荷分布情况，并且经氮等离子体处理的样品的界面态密度在费米能级附近低减至2．27×1012cm-2eV-1。本文的研究结果表明，SiC MOS工艺中采取干氧氧化结合氮等离子处理工艺的方法能够有效地改善SiO2／SiC界面特性，获得理想的氧化膜击穿耐压的同时，使界面态密度显著降低，这对SiC MOS器件工艺的改善和深入研究具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外发展状况
• 1.3 本文的主要工作
• 2/SiC界面及其评价方法'>2 SiO₂/SiC界面及其评价方法
• 2.1 MOS系统中的界面/近界面电荷
• 2.1.1 界面陷阱电荷
• 2.1.2 固定电荷
• 2.1.3 氧化层陷阱电荷
• 2/SiC界面态起源'>2.2 SiO₂/SiC界面态起源
• 2.2.1 衬底杂质
• 2.2.2 悬挂键
• 2/SiC界面处的C簇'>2.2.3 SiO₂/SiC界面处的C簇
• 2.2.4 边界陷阱
• XC过渡层'>2.2.5 界面处的Si_XC过渡层
• 2.3 界面态评价
• 2.3.1 SiC禁带中界面态的响应时间
• 2.3.2 高频（Terman）方法
• 2.3.3 高频准静态C-V测试
• 2.4 本章小结
• 3 SiC MOS电容工艺
• 3.1 衬底的前处理
• 3.2 氧化工艺设计
• 3.2.1 SiC热氧化机理
• 3.2.2 SiC热氧化速率
• 3.2.3 氧化工艺设计
• 3.3 氮等离子体处理工艺
• 3.3.1 处理装置
• 3.3.2 处理条件的讨论
• 3.4 金属电极制作工艺
• 3.4.1 金属掩膜板
• 3.4.2 金属电极制作工艺
• 3.5 本章小结
• 4 氧化膜特性评价
• 4.1 Fowler-Nordheim隧道电流模型
• 4.2 Ⅰ-Ⅴ测试及数据解析
• 4.3 氧化膜特性评价
• 4.4 背电极的欧姆特性
• 4.5 本章小结
• 5 MOS界面特性评价
• 5.1 SiC MOS电容特性分析
• 5.1.1 SiC中杂质的不完全离化
• 5.1.2 SiC MOS电容的C-V特性
• 5.1.3 SiC MOS的平带电容
• 5.2 C-V测试与分析
• 5.3 MOS界面特性评价
• 5.4 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