SiC MOS器件界面特性的ECR等離子體SiC表面改性研究.pdf

1、SiC半導(dǎo)體具有禁帶寬度高、臨界擊穿電場(chǎng)大、熱導(dǎo)率高和電子飽和速度高等優(yōu)異的物理特性，是功率器件領(lǐng)域中Si半導(dǎo)體材料的首選“繼承者”。SiC MOSFETs具有導(dǎo)通電阻低、輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、阻斷電壓高的特點(diǎn)，是一類(lèi)重要的功率控制器件，在能源、軌道交通、工業(yè)電子和汽車(chē)電子中扮演著關(guān)鍵的角色。然而在實(shí)際的制作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)SiC MOSFETs的溝道遷移率極低，可靠性差，功耗大，這些問(wèn)題嚴(yán)重制約著SiC MOSFETs特性的發(fā)揮及應(yīng)用。其

2、原因可以歸結(jié)為兩點(diǎn):①SiO2/SiC界面態(tài)密度(Dit)過(guò)高，使之成為溝道載流子俘獲和散射中心，導(dǎo)致MOSFETs載流子遷移率過(guò)低;②金屬/SiC歐姆接觸的比接觸電阻(ρc）大，導(dǎo)致功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重，進(jìn)而使SiC器件性能容易退化。目前，降低SiO2/SiC界面態(tài)密度和金屬/SiC歐姆接觸的比接觸電阻是制作SiC MOSFETs器件的兩大核心技術(shù)。然而，與Si相比，SiC具有更為復(fù)雜的表面態(tài)，如懸掛鍵、污染物、吸附物和結(jié)構(gòu)粗糙等，使得S

3、iO2/SiC界面和金屬/SiC界面電學(xué)特性依賴(lài)于SiC初始表面特性。因此，開(kāi)發(fā)SiC表面鈍化新技術(shù)，降低表面態(tài)密度(Ds)，改善SiO2/SiC界面特性及金屬/SiC歐姆特性顯得尤為重要。
　　本文開(kāi)發(fā)了低溫低離予損傷的電子回旋共振(ECR)微波氫氮混合等離子體(HNP)SiC表面鈍化的新技術(shù);利用HNP對(duì)n型4H-SiC表面態(tài)調(diào)控，研究了該工藝對(duì)SiO2/SiCDit降低效果及微觀機(jī)理;利用H等離子體(HP)和HNP對(duì)SiC表

4、面態(tài)調(diào)控，研究了該工藝對(duì)金屬/SiC歐姆特性的改善效果及微觀機(jī)理。論文主要內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　(1)ECR微波HNP的SiC表面鈍化工藝研究。采用反射式高能電子衍射儀(RHEED)、原子力顯微鏡(AFM)、X射線光電子能譜(XPS)分析了該工藝對(duì)SiC表面微結(jié)構(gòu)、形貌、化學(xué)成分的改善效果及微觀機(jī)理。RHEED分析結(jié)果表明，HNP表面鈍化的最佳工藝為溫度400℃，處理時(shí)間8min，H2/N2流量為60/6 sccm;鈍化后的SiC

5、表面單晶取向好，原子排列更為有序，未發(fā)生重構(gòu)。AFM分析結(jié)果表明，經(jīng)HNP處理后SiC表面形貌平整，均方根粗糙度降至0.29 nm。XPS分析結(jié)果表明，經(jīng)HNP處理后SiC表面的污染物和吸附物被去除，Ds降至5.47×1010 cm-2·eV-1。用能帶圖進(jìn)一步解釋了H和N同時(shí)發(fā)揮鈍化作用降低Ds的機(jī)理，其原因是形成的Si-H鍵位于SiC的禁帶外，對(duì)Ds沒(méi)有貢獻(xiàn)，而形成深能級(jí)的Si-N和SiOxNy鍵作為施主位于SiC價(jià)帶附近，對(duì)Ds貢

6、獻(xiàn)較小。HNP處理不但解決了傳統(tǒng)工藝帶來(lái)的離子損傷和表面重構(gòu)等問(wèn)題，同時(shí)與相同工藝條件的HP相比，鈍化效果更好，SiC表面對(duì)時(shí)間不再敏感，不易出現(xiàn)過(guò)處理現(xiàn)象，更加可控，為制作良好的SiO2/SiC界面和金屬/SiC歐姆接觸奠定了基礎(chǔ)。
　　(2)ECR微波HNP表面預(yù)處理結(jié)合HNP氧化后退火(POA)工藝改善SiO2/SiC界面特性及機(jī)理研究。利用電流-電壓(I-V)、電容-電壓(C-V)、AFM、XPS和二次離子質(zhì)譜(SIMS)

7、分析了該工藝對(duì)SiO2/SiC界面特性的改善效果和微觀機(jī)理。I-V和C-V測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)HNP預(yù)處理后，SiO2的擊穿特性顯著提高，Dit顯著降低;HNP預(yù)處理結(jié)合POA工藝，SiO2的擊穿場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)一步提高至11.1 MV/cm，可靠性顯著提高，Dit進(jìn)一步降低。AFM和XPS分析結(jié)果表明，HNP預(yù)處理可使氧化后的SiO2/SiC界面變得非常平整，表面污染成分被去除，Ds被降低?？梢?jiàn)HNP預(yù)處理后Ds的降低是SiO2/SiC Dit降低

8、的主要原因。SIMS分析結(jié)果顯示，HNP預(yù)處理可使C在界面處的分布范圍變窄(由4.5 nm降至3.7 nm)，表明預(yù)處理可減少SiC表面C污染，并可抑制氧化過(guò)程中產(chǎn)生的C缺陷;經(jīng)HNP預(yù)處理結(jié)合POA工藝，可在界面處引入更多的H和N，C在界面處的分布范圍進(jìn)一步縮小(3.1 nm)，表明POA可以減少氧化后形成的缺陷。從缺陷能級(jí)角度分析降低Dit的機(jī)理:引入到界面的H和N均使淺能級(jí)處的缺陷移至深能級(jí)，或者移出SiC禁帶外，進(jìn)而減小了SiC

9、禁帶上半部分的Dit。該工藝提供了一種同時(shí)發(fā)揮HNP SiC表面預(yù)處理及HNP POA作用的SiO2/SiC界面鈍化新技術(shù)，建立了SiC表面特性與SiO2/SiC界面電學(xué)特性?xún)烧咧g的規(guī)律，為提高SiC MOSFET器件性能和可靠性提供參考。
　　(3)ECR微波HP/HNP預(yù)處理結(jié)合金屬化退火工藝改善TiC/n型4H-SiC接觸歐姆特性及機(jī)理研究。利用I-V、AFM、X射線衍射(XRD)測(cè)試技術(shù)分析了該工藝對(duì)低金屬功函數(shù)（φm）

10、TiC/SiC歐姆接觸特性的改善效果及微觀機(jī)理。Ⅰ-Ⅴ結(jié)果表明，TiC與中等摻雜濃度(1×1018 cm-3)的SiC室溫下即可形成歐姆接觸，采用HP/HNP預(yù)處理后，能夠明顯降低ρc，尤其經(jīng)HP預(yù)處理后，在較低的退火溫度下(600℃)，ρc低至1.5×10-5Ω·cm2。結(jié)果表明，TiC/SiC歐姆接觸的形成機(jī)理在于TiC/SiC界面的有效勢(shì)壘高度（qφBn）的降低。AFM結(jié)合XPS結(jié)果表明，HP預(yù)處理去除了SiC表面污染物，表面更加

11、平整化，降低了Ds，使得費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)被消除，進(jìn)而減小了qφBn。XRD結(jié)果表明，隨著退火溫度的增加，TiC/SiC界面形成的碳空位逐漸增加，碳空位作為施主提供電子，減小了耗盡層的寬度，更有利于電子的隧穿。然而退火溫度升高到800℃時(shí)，SiC表面的H原子會(huì)出現(xiàn)解吸附現(xiàn)象，增加了Ds;同時(shí)，TiC/SiC界面處形成了Si與Ti的化合物，這些化合物具有比TiC更高的φm，不利于形成低的qφBn。利用界面能帶圖分析了SiC表面預(yù)處理及退火工