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《大连理工大学》 2013年
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SiO_2/SiC界面过渡区及其等离子体钝化工艺研究

朱巧智  
【摘要】:SiC半导体具有禁带宽度大、临界击穿电场高、热导率高、载流子饱和漂移速度高等优异特性,在高温、高频、大功率器件领域具有极大应用潜力。同时,SiC是唯一种可以热氧化形成Sio2膜的宽带隙化合物半导体,这一特点使SiC MOSFET可以在成熟的硅工艺上实现。SiC MOSFET是一类重要的功率器件,也是构成SiC IGBT的重要组成部分。然而,实际制作的SiC MOSFET器件存在沟道迁移率低的问题,其主要原因是SiO2/SiC界面态密度(Dit)过高。因此,明确SiO2/SiC界面态起源、降低SiO2/SiC界面态密度是SiC MOSFET器件研究领域的关键问题。 本论文利用X射线光电子能谱(XPS)技术和对深度结构敏感的变角XPS (ADXPS)技术,结合电子衰减理论和半经验分子动力学分析了热氧化SiO2/SiC界面过渡区的组成及结构;基于电子回旋共振(ECR)微波等离子体系统,开发了SiO2/SiC界面的N等离子体和N-H混合等离子体钝化新工艺,并对其钝化效果和微观机理进行了深入分析;研究了湿氧二次氧化退火(wet-ROA)工艺对n型SiC MOS电容浅界面态的钝化效果及微观机理。主要研究内容及结果如下: (1) SiO2/SiC界面过渡区组成及结构研究。利用XPS和ADXPS技术分析了热氧化SiO2/SiC界面过渡区的组成及结构,建立了该过渡区的结构模型,并采用电子衰减理论和半经验分子动力学对建立的结构模型进行计算及验证。XPS分析结果表明,热氧化SiO2/SiC界面过渡区中同时存在SiOC3、SiO2C2、SiO3C三种SiC的不完全氧化产物。ADXPS分析结果表明,三种过渡区成分在Sio2/SiC界面处有不同的深度分布,可以用一个简化的非突变四层结构模型对其进行描述。电子衰减理论计算和半经验分子动力学模拟从理论角度验证了该结构模型的合理性。这一研究结果揭开了热氧化SiO2/SiC界面过渡区的组成及结构难题,推进了人们对Si02/SiC界面态起源的认识,为有针对性地进行界面钝化实验奠定基础。 (2)ECR微波N等离子体退火工艺的钝化效果及微观机理研究。针对热氧化SiO2/SiC界面,提出了ECR微波N等离子体氧化后退火工艺,借助电流-电压(I-V)、电容-电压(C-V)、二次离子质谱(SIMS)和XPS测试技术分析了该工艺对SiO2/SiC界面电学特性的改善效果及微观机理。I-V和C-V测试结果表明,该工艺可以在保证Si02膜绝缘特性的同时,降低整个SiC禁带上半部分的Du. SIMS和XPS分析结果表明,该工艺改善SiO2/SiC界面电学特性的主要原因是引入的N可以将部分SiOxCy和碳团簇缺陷转变成深能级的Si-N和C-N键,进而降低SiOxCy和碳团簇界面缺陷的含量。该研究提供了一种有效的Si02/SiC界面N等离子体钝化新工艺,避免了传统NO/N2O工艺引入氧、传统N等离子体工艺劣化氧化膜绝缘特性的问题,同时明确了氮钝化工艺的微观机理,建立了氮钝化工艺、界面电学特性、界面缺陷三者之间的关系,为进一步探索更有效的SiO2/SiC界面钝化工艺,改善SiC MOSFET器件性能提供参考。 (3)ECR微波N-H混合等离子体退火工艺的钝化效果及微观机理研究。针对热氧化SiO2/SiC界面,提出了ECR微波N-H混合等离子体氧化后退火工艺,利用I-V、C-V和SIMS测试技术分析了该工艺对SiO2/SiC界面电学特性的改善效果及微观机理。I-V和C-V测试结果表明,该工艺不仅可以保证氧化膜的绝缘特性,还可以实现N、H钝化作用的结合,显著降低整个SiC禁带上半部分的Dit。N对浅能级Dit的消减效果较明显,而H则对深能级Dit的消减效果较明显。SIMS测试结果表明,该工艺可以在SiO2/SiC界面同时引入N和H。N和H对Dit的改善效果不同很可能是因为N主要与浅能级的SiOxCy和碳团簇缺陷反应生成深能级的Si-N和C-N键,而H则主要与已经被N钝化的界面缺陷和深能级C悬挂键反应。该研究提供了一种可以有效结合N、H钝化作用的SiO2/SiC界面N-H混合等离子体钝化新工艺,实现了Dit的显著降低,同时明确了N、H各自的钝化作用及作用机理,有利于进一步提高SiC MOSFET器件性能。 (4) wet-ROA工艺对n型SiC MOS电容浅界面态的钝化效果及微观机理研究。结合变温C-V测试技术和XPS分析方法研究了wet-ROA工艺对n型SiC MOS电容浅界面态的钝化效果及微观机理。变温C-V特性分析结果表明,wet-ROA工艺可以有效降低n型SiC MOS电容的浅能级Diy,降低幅度约为60%。XPS分析结果表明,wet-ROA工艺降低浅能级Dit的主要原因是引入的氧可以与SiOxCy缺陷发生反应,释放界面处的部分C,使各种SiOxCy向较高氧化态转变,进而降低SiOxCy界面缺陷含量。该研究澄清了wet-ROA工艺对n型SiC MOS电容浅界面态的钝化作用及微观机理,建立了wet-ROA工艺、界面电学特性、界面缺陷三者之间的关系,为探索更有效的Si02/SiC界面钝化工艺奠定基础。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TN304

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