由于碳化硅(SiC)具有宽带隙、高击穿电场等较为优异的电学性能, 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。其中,SiC基金属氧化物半导体场效应晶体管(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。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。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,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。同时,界面缺陷的存在降低了SiC MOSFET的开关速度,影响其工作频率和开关损耗。

4H-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, NIOTs)、氧化层中的陷阱及可移动电荷和固定电荷(Qox)几类。界面陷阱主要指位于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。界面陷阱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, 导致沟道载流子迁移率(μfe)下降, 比导通电阻上升。近界面氧化物陷阱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,会严重影响器件阈值电压(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,这类陷阱在高温下会由于陷阱活化而影响阈值电压的稳定性和栅氧化层的可靠性。在低电场下,界面陷阱和固定电荷对沟道载流子迁移率的峰值有较大的影响;而在高场强下,表面粗糙度和近界面氧化物陷阱是影响沟道载流子迁移率的主要参数;移动电荷和近界面氧化物陷阱则是导致阈值电压不稳定的主要原因。

▲图1. 4H-SiC MOSFET 结构缺陷分布

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与SiO2的相对介电常数分别为9.7和3.9, 由高斯定理可知,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。

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Si–Si键,减少弱Si–Si键的数量;改变界面附近Si–Si键应变来限制活化过程;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。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MOSFET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,可通过改善槽栅的深度及宽度来提升器件的可靠性。

4H-SiC MOSFET 栅氧性能提升工艺

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。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C的相对含量, 从而提升界面的可靠性;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,保证器件阈值电压在室温下的稳定性。

4H-SiC MOSFET在高电场下的介电稳定性是一个较为重要的问题,由于SiC的介电常数大于SiO2的介电常数,因此SiO2中的电场始终大于SiC中的电场。当电介质的介电常数k>3.9时,将其判定为高k介质。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,使得总栅电流密度降低,栅氧化层的可靠性得以提升。此外,随着高k介质层的引入,栅介质层的厚度可相对降低,器件阈值电压的漂移也将减少。图2所示是一些4H-SiC栅介质的潜在候选材料及其介电常数、击穿电场和带隙。

▲图2. 不同栅介质与4H-SiC的介电常数、击穿电场及带隙

目前关于高k介质层的研究主要聚焦于Al2O3和 HfO2。在使用高k层时,不仅要考虑带隙值,还要考虑其与SiC带隙的能带排列,以避免界面产生过多的漏电流。在SiC和高k层之间叠加一个薄的SiO2层是实现高k栅介质的典型配置,如图3所示,使用高k层代替厚的SiO2可以在给定的最大电场下减少SiC界面热氧化物的厚度。在使用图3三种方法制备MOSFET器件,且器件阈值电压相同的情况下,从左至右器件栅氧界面的C簇含量依次降低。对于MOSFET,由于在氧化过程中产生的C簇和Si空位的减少,SiC/SiO2界面附近的界面陷阱会降低,沟道载流子迁移率值将得以提升。

▲图3. 使用高k层减少热氧化物厚度

在栅氧化物中掺杂不同的离子,可有效地钝化SiC/SiO2界面陷阱并提高沟道载流子迁移率。其中引入Ⅴ族元素会产生反掺杂效应,可减少库仑散射的界面效应;引入B可降低氧键强度,促进氧化物的应力松弛;引入Ba等碱或碱土元素能降低导带附近的界面陷阱,且Ba不以移动离子的形式存在,使得氧化物界面稳定性良好。

沟槽栅结构的MOSFET(UMOSFET)由于缺乏JFET电阻区,改善了击穿电压(BV)和导通电阻(Ron)之间的权衡,但是UMOSFET的栅极拐角及底部电场集中,会影响器件的可靠性。为解决这个问题,已有研究者开展了相关工作,如在沟槽下注入p型离子来降低沟槽底部角落的尖峰电场,在沟槽下方插入双缓冲层来消除JFET效应,采用双沟槽MOSFET结构,减小导通电阻同时增加击穿电压等。

总结

4H-SiC MOSFET栅氧界面附近存在界面陷阱、近界面氧化物陷阱、氧化层中的陷阱及可移动电荷和固定电荷等缺陷,会严重影响MOS的工作性能,需探寻出能尽可能多地钝化这些缺陷的方法。

退火工艺能在不同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。此外使用氧等离子体退火的方法能通过钝化界面缺陷而降低SiC/SiO2界 面附近的Si和C的相对含量,从而提升界面的可靠性;将N退火与B扩散相结合,会因为B原子使界面应力松弛,使器件阈值电压的稳定性提升。高k栅极介质材料的引入可显著降低电场值,导致总栅电流密度降低,使栅氧化层的可靠性提升。此外,随着栅介质层厚度降低,高k介质层还可以减少阈值电压的漂移。在栅氧化物中掺杂不同的离子,均可有效地钝化SiC/SiO2界面并提高沟道载流子迁移率。引入Ba等碱或碱土元素还能使氧化物界面获得良好的稳定性。对于沟槽型MOSFET,可以根据击穿电压和导通电阻随槽深和槽宽的影响,通过继续优化槽栅的宽度及深度来寻找更优的FOM值,进一步提升UMOSFET的可靠性。

来源: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: 1777–1786


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