1、4H-SiC MOSFET栅氧界面性能提升工艺吴望龙1,2,王小周1,2*,李京波1,2,3*1.华南师范大学工学部半导体科学与技术学院,佛山 528225;2.广东省芯片与集成技术重点实验室,广州 510631;3.浙江大学光电科学与工程学院,杭州 310027*联系人,E-mail:;2022-11-21 收稿,2023-02-03 修回,2023-02-06 接受,2023-02-07 网络版发表国家自然科学基金(62004071,11904108,62175040,62074060)、广东省基础与应用基础研究基金(2020B1515020032)、中国博士后科学基金(2020M6726
2、80)、广州市科技计划(202103030001)和“珠江人才引进计划”(2019ZT08X639)资助摘要MOSFET器件是现代微电子学的关键核心器件之一,其应用范围从高度集成的CMOS芯片到高功率器件.目前,SiC MOSFET存在沟道迁移率较低、阈值电压漂移、栅氧介质在高温下的长期可靠性不足、体二极管正向导通状态下产生双极型漂移等问题.值得注意的是,其中众多问题都与栅氧界面缺陷有关.由于SiC/SiO2界面缺陷的存在,SiC MOSFET器件的沟道迁移率被严重限制,栅氧化层的可靠性和阈值电压的稳定性也受到较大影响,导致其栅氧界面性能较差.为了改善这些问题,本文从退火、高k介质层的使用、栅
3、氧化物掺杂、沟槽型MOSFET沟槽深宽优化四个方面,综述了提升4H-SiC MOSFET栅氧界面性能的制备工艺,从多个角度介绍了多种可行的方案,以期进一步综合提升4H-SiC MOSFET栅氧界面性能,使其更好地应用于电力电子系统.关键词4H-SiC MOSFET,栅氧界面,场效应,载流子迁移率,界面缺陷由于碳化硅(silicon carbide,SiC)具有宽带隙、高击穿电场等较为优异的电学性能1,SiC基功率器件在电力电子系统中的潜在应用受到越来越多的研究关注2.其中,SiC基金属氧化物半导体场效应晶体管(me-tal-oxide-semiconductor filed-effect tr
4、ansistor,MOSFET)器件是现代微电子芯片中的关键元件,具有从高集成CMOS到高功率器件的广泛应用3.对比Si基的IGBT器件,SiC MOSFET具有更低的开关损耗和导通损耗等优势4.然而,由于SiC/SiO2界面附近的界面陷阱、近界面氧化物陷阱以及氧化物层中可移动电荷的存在,SiC基MOSFET器件的稳定性问题较为严重5,6,会出现器件的迁移率受到影响、器件的阈值电压产生漂移等问题.此外,因为SiO2与4H-SiC(一种最小堆叠周期为4的六方晶系结构SiC)之间的势垒高度小于SiO2与Si之间的势垒高度,SiC MOSFET器件的栅极漏电会比Si基器件更大7.同时,界面缺陷的存在
5、降低了SiC MOS-FET的开关速度,影响其工作频率和开关损耗8.本文从提升4H-SiC MOSFET栅氧界面性能出发,以改善沟道载流子迁移率(fe)、阈值电压(Vth)稳定性、栅氧化层可靠性等问题为中心进行讨论.对于fe而言,需要关注的情况主要有以下两种:一个是在相对较低的电场下,一般为刚好超过Vth;另一个是在较高的电场下,一般为1525 V,这是因为MOSFET的迁移率在这两种电场情况下有较为明显的差异.大量实验表明913,fe一般在栅压达到Vth后出现峰值,之后随电场的增大呈现非线性衰减趋势.对于Vth而言,若其正向偏移足够大,则可能增加导通电阻.同样,如果Vth负向偏移足够大,那么
6、在断开或阻塞状态下,漏电流可能会显引用格式:吴望龙,王小周,李京波.4H-SiC MOSFET栅氧界面性能提升工艺.科学通报,2023,68:17771786Wu W L,Wang X Z,Li J B.Gate-oxide interface performance improvement technology of 4H-SiC MOSFET(in Chinese).Chin Sci Bull,2023,68:17771786,doi:10.1360/TB-2022-1196 2023中国科学杂志社2023 年第 68 卷第 14 期:1777 1786后摩尔时代第三代半导体材料与器件专题
7、评 述著增加,若增幅足够大,则可能导致器件故障14.栅氧化层可靠性与栅氧化层的种类和厚度等因素有关,栅氧化层厚度的降低可增强晶体管的电流驱动能力,提升开关速度和功率特性,然而薄的氧化层会加重电流的隧穿效应并使氧化层可靠性降低.在给定的栅极介质厚度下,高k栅极介质材料的引入可显著降低电场值,导致总的栅电流密度降低,使栅氧化层的可靠性提升.1MOSFET缺陷分布及栅氧性能主要影响参数1.14H-SiC MOSFET结构缺陷分布图1所示为4H-SiC MOSFET的结构缺陷分布,可分为SiC/SiO2界面附近的界面陷阱(Dit)、近界面氧化物陷阱(near interface oxide traps
8、,NIOTs)、氧化层中的陷阱及可移动电荷和固定电荷(Qox)几类.Dit主要指位于4H-SiC表面的陷阱,主要包括界面处由于热氧化产生的含C的副产物缺陷、悬挂键和晶格失配等界面处结构缺陷形成的陷阱15.Dit会影响沟道载流子的输运及复合,降低可移动载流子的浓度,增加界面散射,导致fe下降,比导通电阻上升.NIOTs则主要由界面附近氧化物中的氧空位相关缺陷形成,这类缺陷主要存在于由SiOxCy构成的过渡层中15,会严重影响器件Vth的稳定性.氧化层陷阱主要为在氧化层沉积阶段中产生的自身氧化缺陷,以及一些残留的氧化副产物如CO、CO2等引起的缺陷陷阱16,这类陷阱在高温下会由于陷阱活化而影响Vt
9、h的稳定性和栅氧化层的可靠性.在低电场下,Dit和固定电荷对fe的峰值有较大的影响;而在高场强下,表面粗糙度和NIOTs是影响fe的主要参数;移动电荷和NIOTs则是导致阈值电压不稳定的主要原因17.1.24H-SiC MOSFET栅氧性能主要影响参数1.2.1沟道迁移率迁移率决定着半导体的电导率,影响器件的工作速度.在MOSFET中,反型层中产生的电子被高密度的Dit和NIOTs捕获,导致沟道有效载流子的数目直接减少.此外,部分陷阱在俘获电子之后会变成带电中心,致使沟道表面的库仑散射效应加剧,进而导致沟道迁移率降低16.在含N环境(NO、N2O)中进行处理,可以有效地将迁移率提升至2550
10、cm2V1s113,18,相比未经退火处理样品的迁移率值(12 cm2V1s1)有所提升;在三氯氧化磷中进行栅极氧化物的热退火,可使4H-SiC MOSFET迁移率提高到89 cm2V1s1,但会出现较为严重的阈值电压漂移现象11;采用La2O3作为高k介质层,得到的迁移率值为133 cm2V1s1,且有相对稳定的阈值电压19,20;此外,族元素如As21和Sb22的栅氧化物掺杂,可以使得迁移率峰值分别达到160和100120 cm2V1s1,但是在高电场下迁移率明显衰减.以上研究表明,通过退火引入N、P、O等元素或使用高k介质层可以有效改善fe.1.2.2阈值电压稳定性Vth稳定性主要受Di
11、t和氧化层陷阱的影响.若Vth正向偏移足够大,则可能增加导通电阻;若Vth负向偏移足够大,那么在断开或阻塞状态下,栅极漏电流可能会显著增加.此外,当器件长时间受正向偏置电压作用,且放置在125C以上环境中时,器件的Vth不稳定性会显著增加.这是因为器件在高温环境中且受正向偏置电压的作用下,一些中性Si-二聚体态能够转化为活性诱捕位点(E中心),这是一种与氧化物中的氧空位有关的点缺陷14.在高温偏压胁迫下,前驱体诱捕位点活化为E中心,这种缺陷能够在高温(正向偏置电压作用下)捕获额外的电子,从而有效地充当电子陷阱,导致更大的Vth正向漂移.但这种高温氧化物电子陷阱在冷却到室温时可能会失去额外捕获的
12、电荷,特别是当栅极偏压从正转换到零或施加负电压时5.图2为一个SiC MOS-FET器件在150C、+15 V环境下Vth不稳定性随应力时间变化图像,菱形点表示撤销应力并在室温下放置36 h后的阈值电压漂移量,可以看出,器件的阈值电压漂移有了较好的恢复.1.2.3栅氧化层可靠性栅氧化层厚度的降低,可增强晶体管的电流驱动能力,提升开关速度和功率特性.然而,薄的氧化层会加重电流的隧穿效应并使氧化层可靠性降低.4H-SiC图 14H-SiC MOSFET结构缺陷分布Figure 1Defect distribution of the 4H-SiC MOSFET structure2023 年 5 月
13、第 68 卷第 14 期1778与SiO2的相对介电常数分别为9.7和3.9,由高斯定理(式(1)16可知,栅氧化层需要承受约为SiC层2.5倍的电场强度,当SiC内部场强与临界击穿场强相接近时,氧化层中所承受的场强足以使载流子通过隧穿进入氧化层,使得栅极漏电流上升,最终导致栅氧化层完整性失效.EE=,(1)SiCSiCSiOSiO22式中,SiC和SiO2分别为SiC和SiO2的介电常数,ESiC和ESiO2分别为SiC和SiO2所承受的电场强度.提升器件可靠性的方法有:在界面引入更多的O元素来打破前驱体态的弱SiSi键,减少弱SiSi键的数量14;改变界面附近SiSi键应变来限制活化过程2
14、3;通过额外的活化后的氮或磷退火来中和已经活跃的陷阱等24.此外,由于沟槽型MOSFET采用槽栅结构,消除了器件中寄生JFET(junction field effect transistor)的影响,器件的比导通电阻得以降低;但是沟槽型MOS-FET的电场集中在槽栅的拐角处及底部,会对器件可靠性产生不利影响25,可通过改善槽栅的深度及宽度来提升器件的可靠性.24H-SiC MOSFET栅氧性能提升工艺2.1退火退火工艺可以在一定程度上减少栅氧界面的缺陷,使界面态密度降低,进而提升沟道载流子迁移率13,26.此外,使用氧等离子体退火的方法可通过钝化界面缺陷而降低SiC/SiO2界面附近的Si和
15、C的相对含量,从而提升界面的可靠性27;将N退火与B扩散相结合,会因为B原子使界面应力松弛的缘故,保证器件Vth在室温下的稳定性9,28.在含N(NO、NO2)环境中进行退火是常见的退火工艺,可以有效地将迁移率提升至2550 cm2V1s1.Chung等人26研究了N2O退火对SiO2/4H-SiC界面的影响,得到fe值达到26 cm2V1s1.Moghadam等人6发现,在进行NO退火时,N仅在界面处加入,由于界面态的钝化、悬挂键的饱和或界面上过量碳的消除,能非常有效地将Dit降低10倍左右.此外,NO处理比N2O处理更有效,这是因为在高温下,N2O会分解成少量的NO和大量的N2和O2,这些
16、副产物会导致竞争反应,阻碍N掺入到SiO2/4H-SiC界面17.图3描绘了在不同环境中退火对4H-SiC MOSFET迁移率的影响,为了方便表示,将栅压与阈值电压之差作为横轴,未进行退火处理样品的fe也被描绘以方便比较.值得注意的是,fe一般在栅压达到Vth之后出现峰值,之后由于声子的主导作用和界面散射限制,Vth随栅压的增大呈现非线性衰减的趋势29.Okamoto等人11证明了在三氯氧化磷(POCl3)环境中进行栅氧化物的热退火可使4H-SiC MOSFET迁移率提高到89 cm2V1s1,这是因为在该环境中退火可使4H-SiC导带边缘附近的界面态密度显著降低,与氮气氛围退火相比,Dit进一步降低.但是,相对于N退火处理,在POCl3中退火处理的MOSFET器件存在严重的可靠性问题,这是由于在施加偏压的作用下会出现阈值电压严重不稳定的现象,而Vth不稳定是大量磷掺入后SiO2中产生的电荷捕获中心所造成的31.2014年,Okamoto等人10采用平面BN扩散源进行热退火,获得了约100 cm2V1s1的迁移率,这里fe的提升归因于在SiO2中引入了网格结构的B原子,使得界面应力松弛
