基于叠层栅氧的SiC MOS电容制备工艺及特性研究

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碳化硅(SiC)材料具有较宽的带隙,较高的电子迁移率和优越的导热性,因此在电子器件开发中极有吸引力。众所周知,绝缘特性的SiO2层具有优异的介电性能的同时,在SiC上热生长的氧化物的质量与在Si上生长的SiO2层的质量相当,因此被广泛用作SiC MOS(Metal-Oxide-Semiconductor,金属-氧化物-半导体)器件的栅极。但是,SiC/SiO2结构中的高缺陷密度使得器件反型层迁移率较低、栅氧可靠性较差,导致阈值电压不稳定并引起漏电流从而直接影响器件性能。因此,SiC/SiO2栅介质层质量的改善对于MOS应用至关重要。对于SiC材料来说,热氧化时间的增加(氧化层厚度的增加)会导致C的不完全溢出以及Si的不完全氧化,从而产生高密度的缺陷。为了避免长时间高温氧化导致的问题,本文将基于等离子体增强化学气相沉积的SiO2、热氧化薄层SiO2组成栅极绝缘层的栅氧结构MOS器件,制备SiC MOS电容,并研究两层栅介质层的工艺制备条件对器件性能的影响。首先低温热氧化产生薄的中间介质层,再通过PECVD方式获得较厚的SiO2层,随后进行沉积后退火,最后在正面和背面分别淀积金属电极Ni,制成MOS电容。初步实验结果显示,沉积后退火工艺对器件的性能影响较大,初步实验中采用的退火温度不足以有效改善栅介质层质量。进一步,通过不同PECVD SiO2沉积后退火条件的研究(550°C、650°C、750°C、850°C、950°C),确定了沉积后退火的温度至少需要950°C。同时,在950°C的沉积后退火温度下,我们设计了不同厚度的中间介质层工艺,实验结果显示,所有叠栅结构的样品都从深耗尽区转到积累区。说明经过950°C,N2,1h退火之后,栅介质陷阱电荷密度减小。从C-V(电容-电压)曲线上可以看出,与直接沉积的样品相比,中间薄层的加入可以改善器件的界面质量。随着中间层厚度的增大,平带电压漂移值呈减小趋势,迟滞电压值也有减小趋势,但是Dit增大。说明中间薄层厚度增大的同时引起界面处缺陷增多。高温条件下制备中间层的样品可以得到最低的界面态密度,可能与高温氧化产生的界面缺陷较少有关。通过I-V(电流-电压)测量结果发现引入SiO2过渡层后漏电流明显减小,且击穿电场增大。通过对比800°C条件下氧化的不同厚度薄过渡层对电容界面特性及漏电流特性的影响,发现随着厚度的增大,击穿场强减小。说明界面处存在更多的C缺陷或其它杂质缺陷,导致中间介质层质量变差。通过本文的研究工作,验证了退火能够改善叠层栅氧结构的SiC MOS器件的电学性能。理清了中间SiO2厚度对于基于PECVD SiO2/热氧化薄层SiO2/SiC的SiC MOS电容特性的影响规律,并基于现有结果预测了进一步的器件性能改进方向,为相关领域的深入研究提供一定的理论依据和实验参考。
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