D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.11.021 第30卷第11期 北京科技大学学报 Vol.30 No.11 2008年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2008 n型4HSiC湿氧二次氧化退火工艺与SiO2/SiC界面 研究 马继开王德君朱巧智赵亮王海波 大连理工大学电子与信息工程学院，大连116024 摘要在传统氧化工艺的基础上，结合低温湿氧二次氧化退火制作4H一SiC MOS电容.通过I一V测试，结合Fowler- Nordheim(F-N)隧道电流模型分析了氧化膜质量：使用Terman法计算了SiO2/SiC界面态密度：通过XPs测试对采取不同工 艺的器件界面结构进行了对比·在该工艺下获得的氧化膜击穿场强为10MVcm一，SiC/Si02势垒高度2.46eV,同时Si02/ SiC的界面性能明显改善，界面态密度达到了10eV一1cm一2量级，已经达到了制作器件的可靠性要求. 关键词4HSiC:MOS电容：湿氧二次氧化退火；Si02/SiC界面 分类号TN303 Investigation of n-type 4H-SiC wet re-oxidation annealing process and SiOz/SiC interface MA Jikai,WANG Dejun,ZHU Qiaozhi,ZHAO Liang,WANG Haibo School of Electronic and Information Engineering Dalian University of Technology.Dalian 116024.China ABSTRACI Based on the traditional oxidation process.4H-SiC MOS capacitors were fabricated by wet re-oxidation annealing (wet- ROA).The oxide film quality was analyzed by I-V characteristics testing and the Flower-Nordheim (F-N)tunneling current model. The SiO2/SiC interface trap density was calculated by the Terman method.The structures of SiO2/SiC interfaces.which were ob- tained by different processes,were analyzed by XPS.The SiO2/SiC interface fabricated by wet-ROA,with 10 MV.cm in the breakdown field strength of oxide film,2.46eV in the barrier height of SiO2/SiC,10 evcmin the interface trap density,can meet the reliability requirement in fabricating devices. KEY WORDS 4H-SiC:MOS capacitor:wet ROA:SiO2/SiC interface 碳化硅(SC)作为近年来颇受关注的一种半导 要的因素是沟道迁移率低，而导致材料本身的优异 体材料，由于具有宽禁带、高击穿电场、高热导率等 性能得不到充分的体现；究其根本，是Si0z/SiC系 优异特性，而使其在高温、高功率、高频、高辐射领域 统的界面态密度过高，与硅不同的是，Si02/SiC界 有着广阔的应用前景：更重要的是，与其他宽带隙半 面态密度高的重要成因不是界面的“悬挂键，而是 导体材料相比，SC是唯一一种能够像硅那样通过 残存于界面和氧化物中的碳元素山，以及Si02自身 热氧化生长绝缘膜的材料，这使得它更容易在成型 的缺陷；同时，由于SiC相对于SiOz的势垒高度要 的硅器件体系下设计和制作基于MOS(金属/氧化 低于Si,所以在SiO2/Si系统中位于Si导带内的 物/半导体)结构的器件，而不需要对工艺做过多的 SiO2缺陷能级进入了SiC的禁带之中，成为影响界 改动便可以达到硅器件远不可及的性能指标， 面态密度另外一个重要因素[]，如何通过工艺改进 目前，制约碳化硅MOS器件发展的一个最重 减少这些干扰因素对界面的影响是目前SiC MOS 收稿日期：2007-11-07修回日期：2008-05-28 基金项目：科技部重大基础研究前期研究专项资助项目(N。,2005CCA00100):辽宁省自然科学基金资助项目(No,20072192);教育部新世 纪优秀人才支持计划资助项目(No·NCET-06一0278)：教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(No,20071108) 作者简介：马继开(1983-)·男，硕士研究生；王德君(1966-)，男，教授，E mail:dwangl21@dlut.edu.cn
n 型4H－SiC 湿氧二次氧化退火工艺与 SiO2／SiC 界面 研究 马继开 王德君 朱巧智 赵 亮 王海波 大连理工大学电子与信息工程学院大连116024 摘 要 在传统氧化工艺的基础上结合低温湿氧二次氧化退火制作4H－SiC MOS 电容．通过 I－V 测试结合 FowlerNordheim（F-N）隧道电流模型分析了氧化膜质量；使用 Terman 法计算了 SiO2／SiC 界面态密度；通过 XPS 测试对采取不同工 艺的器件界面结构进行了对比．在该工艺下获得的氧化膜击穿场强为10MV·cm －1SiC／SiO2 势垒高度2∙46eV同时 SiO2／ SiC 的界面性能明显改善界面态密度达到了1011eV －1·cm －2量级已经达到了制作器件的可靠性要求． 关键词 4H－SiC；MOS 电容；湿氧二次氧化退火；SiO2／SiC 界面 分类号 T N303 Investigation of n-type 4H-SiC wet re-oxidation annealing process and SiO2／SiC interface MA JikaiW A NG DejunZHU Qiaoz hiZHA O LiangW A NG Haibo School of Electronic and Information EngineeringDalian University of TechnologyDalian116024China ABSTRACT Based on the traditional oxidation process4H-SiC MOS capacitors were fabricated by wet re-oxidation annealing （wetROA）．T he oxide film quality was analyzed by I-V characteristics testing and the Flower-Nordheim （F-N） tunneling current model． T he SiO2／SiC interface trap density was calculated by the Terman method．T he structures of SiO2／SiC interfaceswhich were obtained by different processeswere analyzed by XPS．T he SiO2／SiC interface fabricated by wet-ROAwith 10MV·cm －1 in the breakdown field strength of oxide film2∙46eV in the barrier height of SiO2／SiC1011eV －1·cm －2in the interface trap densitycan meet the reliability requirement in fabricating devices． KEY WORDS 4H-SiC；MOS capacitor；wet ROA；SiO2／SiC interface 收稿日期：2007-11-07 修回日期：2008-05-28 基金项目：科技部重大基础研究前期研究专项资助项目（No．2005CCA00100）；辽宁省自然科学基金资助项目（No．20072192）；教育部新世 纪优秀人才支持计划资助项目（No．NCET－06－0278）；教育部留学回国人员科研启动基金资助项目（No．20071108） 作者简介：马继开（1983－）男硕士研究生；王德君（1966－）男教授E-mail：dwang121＠dlut．edu．cn 碳化硅（SiC）作为近年来颇受关注的一种半导 体材料由于具有宽禁带、高击穿电场、高热导率等 优异特性而使其在高温、高功率、高频、高辐射领域 有着广阔的应用前景；更重要的是与其他宽带隙半 导体材料相比SiC 是唯一一种能够像硅那样通过 热氧化生长绝缘膜的材料．这使得它更容易在成型 的硅器件体系下设计和制作基于 MOS（金属／氧化 物／半导体）结构的器件而不需要对工艺做过多的 改动便可以达到硅器件远不可及的性能指标． 目前制约碳化硅 MOS 器件发展的一个最重 要的因素是沟道迁移率低而导致材料本身的优异 性能得不到充分的体现；究其根本是 SiO2／SiC 系 统的界面态密度过高．与硅不同的是SiO2／SiC 界 面态密度高的重要成因不是界面的“悬挂键”而是 残存于界面和氧化物中的碳元素［1］以及 SiO2 自身 的缺陷；同时由于 SiC 相对于 SiO2 的势垒高度要 低于 Si所以在 SiO2／Si 系统中位于 Si 导带内的 SiO2 缺陷能级进入了 SiC 的禁带之中成为影响界 面态密度另外一个重要因素［2］．如何通过工艺改进 减少这些干扰因素对界面的影响是目前 SiC MOS 第30卷 第11期 2008年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．11 Nov．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．11．021
第11期 马继开等：n型4SiC湿氧二次氧化退火工艺与SiO2/SiC界面研究 ,1283 器件研究中的重点，主要方法包括提高氧化温 隧道电流模型的一般表述： 度]，进行低温的二次氧化处理(ROA)[,以及使 J=AE exp E (1) 用氮氧化物(NO、N20)进行退火处理 本文以对现行标准硅工艺进行最小的工艺改动 g ms 42m0 为基本原则，在采用低温湿氧二次氧化退火(wt A-8hm0画'B= 3gh (2) ROA)的基础上，尝试在氧化前对SiC衬底进行氢等 其中，」为绝缘层的电流密度，E为绝缘层的电场强 离子表面处理来提高界面质量；并通过对MOS电 度，q为单位电荷电量，h为波尔兹曼常量，五为h/ 容样品进行I一V、C一V测试，研究制备工艺对热氧 2π，m。为SiC中的电子有效质量，m0为真空中的 化Si02可靠性和SiO2/SiC界面态密度的影响 电子质量，本文中按照m=0.42m0计算，④为 SiC到SiOz的势垒高度 1实验 10 制作样品所采用的材料是美国CREE公司生 产的研究级4SiC晶圆，产品编号为W4NRE4C一 10-3 SDs2,衬底晶向为(0001)偏向(1120)方向4°，外延 10- 层掺杂浓度为Na=5X10l5cm-3.将样品编号为 107 DO、DOWR和PDOWR,并按照以下工艺制作样品： 109 0 24681012 首先按照标准RCA流程对所有的样品进行清洗，在 电场强度，E/(MV.cm) 此基础上样品DO、DOWR于氧化前在1%的氢氟 酸中浸泡1min以去掉天然氧化膜，样品PDOWR 图14 SiC MOS电容的电流密度对氧化层电场强度的曲线 通过等离子体增强金属有机物化学气相沉积(ECR Fig.I Curve of current density versus electric field measured on a 4H-SiC MOS capacitor PEMOCVD)系统在200℃下产生氢等离子体对表 面进行处理.样品D0在1150℃、干氧环境中氧化 通过式(1)和式(2)可以获得下式： l20min,随后保持氧化温度在氮气环境下退火 叫月=-+n() (3) 30min;其余两片样品在此基础上，在950℃、湿氧 环境中进行湿氧二次氧化退火(wet ROA)90min, 利用式（③）可以计算B值，进而得出④，如图2所 样品正、背面由金属铝通过特制掩膜板蒸发至样品 示·.样品中氧化层与衬底之间的势垒高度为 表面形成电极，随后在450℃、氨气环境中做合金 2.46eV,与理想值2.68eV之间的差距可以用氧化 处理 物的缺陷和杂质来解释，另外，电容采用的铝栅材 样品的I一V测试在Keithly4200SCS系统下 料，也容易在合金过程中渗入SiO2而成为杂质，以 进行，扫描范围为0~38V,扫描速率为0.1Vs-1 及造成氧化层的提前击穿 CV测量则通过MDC CSM/27200测试平台完成， 44 扫描频率为1MH,扫描范围为一5~5V,扫描速率 为0.08Vs-1.另外，对Si02/SiC界面进行了XPS 分析 2.46cV 2结果与讨论 4 2.1热氧化生长Si02的可靠性分析 4H-SiC 虽然样品的工艺不尽相同，但在V测试中的 0.09 0.10 0.11 0.12 表现却相差不大，如图1所示.氧化层的击穿场强 E/(cm.MV-) 达到了10MVcm1,这个结果已经与硅材料MOS 图24 HSiC MOS电容的F一N曲线及能带势垒图 器件的氧化层击穿场强相差无几，初步说明 Fig.2 F-N curve and band offset diagram of a 4H-SiC MOS capaci- SiC MOS器件绝缘层的可靠性已经达到了一般器件 tor 的要求 利用Fowler-Nordheim(F一N)隧道电流模型对 2.2MOS电容CV特性分析 氧化层的绝缘性做进一步的分析]，下式为F一N 表1给出的是样品D0与DOWR的一些基本
器件研究中的重点主要方法包括提高氧化温 度［3］进行低温的二次氧化处理（ROA） ［4］以及使 用氮氧化物（NO、N2O）进行退火处理［5］． 本文以对现行标准硅工艺进行最小的工艺改动 为基本原则在采用低温湿氧二次氧化退火（wet ROA）的基础上尝试在氧化前对 SiC 衬底进行氢等 离子表面处理来提高界面质量；并通过对 MOS 电 容样品进行 I－V、C－V 测试研究制备工艺对热氧 化 SiO2 可靠性和 SiO2／SiC 界面态密度的影响． 1 实验 制作样品所采用的材料是美国 CREE 公司生 产的研究级4H－SiC 晶圆产品编号为 W4NRE4C－ SDS2衬底晶向为（0001）偏向（112 － 0）方向4°外延 层掺杂浓度为 Nd＝5×1015 cm －3．将样品编号为 DO、DOWR 和 PDOWR并按照以下工艺制作样品： 首先按照标准 RCA 流程对所有的样品进行清洗在 此基础上样品 DO、DOWR 于氧化前在1％的氢氟 酸中浸泡1min 以去掉天然氧化膜样品 PDOWR 通过等离子体增强金属有机物化学气相沉积（ECR －PEMOCVD）系统在200℃下产生氢等离子体对表 面进行处理．样品 DO 在1150℃、干氧环境中氧化 120min随后保持氧化温度在氮气环境下退火 30min；其余两片样品在此基础上在950℃、湿氧 环境中进行湿氧二次氧化退火（wet ROA）90min． 样品正、背面由金属铝通过特制掩膜板蒸发至样品 表面形成电极随后在450℃、氮气环境中做合金 处理． 样品的 I－V 测试在 Keithly 4200－SCS 系统下 进行扫描范围为0～38V扫描速率为0∙1V·s －1． C－V 测量则通过 MDC CSM／27200测试平台完成 扫描频率为1MHz扫描范围为－5～5V扫描速率 为0∙08V·s －1．另外对 SiO2／SiC 界面进行了 XPS 分析． 2 结果与讨论 2∙1 热氧化生长 SiO2 的可靠性分析 虽然样品的工艺不尽相同但在 I－V 测试中的 表现却相差不大如图1所示．氧化层的击穿场强 达到了10MV·cm －1这个结果已经与硅材料 MOS 器件 的 氧 化 层 击 穿 场 强 相 差 无 几初 步 说 明 SiC MOS器件绝缘层的可靠性已经达到了一般器件 的要求． 利用 Fowler-Nordheim（F－N）隧道电流模型对 氧化层的绝缘性做进一步的分析［6－7］下式为 F－N 隧道电流模型的一般表述： J＝ AE 2exp － B E （1） A＝ q 3ms 8πhm0Φb B＝ 4 2m0Φ3 b 3qh － （2） 其中J 为绝缘层的电流密度E 为绝缘层的电场强 度q 为单位电荷电量h 为波尔兹曼常量h － 为 h／ 2πms 为 SiC 中的电子有效质量m0 为真空中的 电子质量本文中按照 ms＝0∙42m0 计算Фb 为 SiC 到 SiO2 的势垒高度． 图1 4H－SiC MOS 电容的电流密度对氧化层电场强度的曲线 Fig．1 Curve of current density versus electric field measured on a 4H－SiC MOS capacitor 通过式（1）和式（2）可以获得下式： ln J E 2 ＝－ B E ＋ln（ A） （3） 利用式（3）可以计算 B 值进而得出 Фb如图2所 示．样 品 中 氧 化 层 与 衬 底 之 间 的 势 垒 高 度 为 2∙46eV与理想值2∙68eV 之间的差距可以用氧化 物的缺陷和杂质来解释．另外电容采用的铝栅材 料也容易在合金过程中渗入 SiO2 而成为杂质以 及造成氧化层的提前击穿． 图2 4H－SiC MOS 电容的 F－N 曲线及能带势垒图 Fig．2 F-N curve and band offset diagram of a4H-SiC MOS capacitor 2∙2 MOS 电容 C－V 特性分析 表1给出的是样品 DO 与 DOWR 的一些基本 第11期 马继开等： n 型4H－SiC 湿氧二次氧化退火工艺与 SiO2／SiC 界面研究 ·1283·
.1284 北京科技大学学报 第30卷 参数，其中tox为氧化膜厚度，△V为相对于理想情 影响SiO2/SiC界面态密度的主要因素是界面 况的平带电压变化，Qm为氧化层中的有效电荷密 与氧化层中的残存碳以及氧化物本身的缺陷在SC 度.从中可以看出，经过低温湿氧二次氧化处理后， 禁带中的分布.这使得采取常规氧化工艺的D0样 氧化膜更厚，同时平带电压和氧化层的等效电荷密 品有着较高的界面态密度町，而成为未来直接影响 度也有所增加，在图3所示的CV曲线对比中也能 MOSFET器件迁移率等重要参数的因素，通过低 够十分清晰地看出这些效果，图中Cx为氧化层电 温湿氧二次氧化处理的DOWR样品则表现出了低 容，Vg为栅压，产生这种结果主要是因为二次氧化 于D0样品的，较为理想的界面态密度分布，产生 的温度虽然比较低，但氧气和水蒸气还是会与SC 这种性能提升的主要原因是在低温湿氧二次氧化过 衬底发生一定的氧化反应而使氧化膜的厚度增加； 程中，衬底SC的氧化不是主流，主要的反应发生在 同时水蒸气的存在，也是氧化层中等效电荷增加的 界面处及氧化物中，更多的残存碳元素被氧化以气 主要原因 体氧化物的形式逸出，进而使MOS电容的界面性 表14 SiC MOS电容样品基本特性参数 能得到了提高.图5的XPS谱线对比所示，其中EB Table 1 Basic characteristic parameters of 4H-SiC MOS capacitor sam- 表示结合能，样品D0在界面处纯Si02的Si4+谱峰 ples 并不明显，说明存在大量的不饱和$ⅰ键，说明界面 样品编号 tos/nm △VN Qa/(Ccm2) 有以SixC,0形式的残留碳的存在；而在样品 DO 25.6 0.99 8.36×1011 DOWR中，SiO2能谱清晰，可见界面处的不饱和Si DOWR 32 1.28 8.63×1011 键有了明显的减少，即经过了低温湿氧二次氧化退 火之后SiC,0中的残留碳被进一步氧化而脱离 1.04 界面 --DO 0.8- -DOWR -DO 种 ···理想电容 ··*··Si03 0.6 .-.SiC 0.4 02 -4 -2 0 2 46 DOWR 册电压V ..Si0 -.-SiC 图3基于不同工艺的4 SiC MOS电容CV特性对比 Fig.3 Comparison of C-V curves between 4H-SiC MOS capacitors fabricated by different processes 98 00 102 104 106 108 Ev/eV 2.3Si02/SiC界面分析 图5样品D0与D0 WR SiOz/SiC界面处的Si2pXPS谱线对比 使用Terman法[8]对CV曲线进行分析，得到 Fig.5 Comparison of XPS spectra of Si 2p on SiO2/SiC interface 界面态密度在禁带中各能级（相对于导带底，即 for samples DO and DOWR Ec一E)的分布情况，如图4. 2.4表面改性工艺对于MOS器件性能的影响 ■-DO -O-DOWR 由于SiC表面存在着极性键，使用标准RCA流 程处理时很容易吸附溶液中的0H、Fˉ等杂质粒 子，而且经湿法处理的SiC表面平整度低、容易被氧 化，不利于形成高性能的器件0，利用低能离子 1012 00-0-00-0-00 (<2V)和高电离度高浓度高活化高纯氢等离子体 0.20.40.6081.01.21.4 对表面进行处理则可以在一定程度上除去C或 (E-EeV OH厂等杂质离. 图4不同工艺下的4 Sic Si02/SiC界面态密度分布 图6和图7为经过等离子表面处理的样品 Fig.4 Interface state density distribution of 4H-SiC SiO2/SiC sys- PDOWR与采用相同氧化工艺的样品DOWR在 tems fabricated by different processes CV特性及界面态密度分布上的对比情况，其中
参数其中 tox为氧化膜厚度ΔV fb为相对于理想情 况的平带电压变化Qeff 为氧化层中的有效电荷密 度．从中可以看出经过低温湿氧二次氧化处理后 氧化膜更厚同时平带电压和氧化层的等效电荷密 度也有所增加在图3所示的 C－V 曲线对比中也能 够十分清晰地看出这些效果图中 Cox为氧化层电 容V g 为栅压．产生这种结果主要是因为二次氧化 的温度虽然比较低但氧气和水蒸气还是会与 SiC 衬底发生一定的氧化反应而使氧化膜的厚度增加； 同时水蒸气的存在也是氧化层中等效电荷增加的 主要原因． 表1 4H－SiC MOS 电容样品基本特性参数 Table1 Basic characteristic parameters of4H-SiC MOS capacitor samples 样品编号 tox／nm ΔV fb／V Qeff／（C·cm －2） DO 25∙6 0∙99 8∙36×1011 DOWR 32 1∙28 8∙63×1011 图3 基于不同工艺的4H－SiC MOS 电容 C－V 特性对比 Fig．3 Comparison of C-V curves between4H-SiC MOS capacitors fabricated by different processes 2∙3 SiO2／SiC 界面分析 图4 不同工艺下的4H－SiC SiO2／SiC 界面态密度分布 Fig．4 Interface state density distribution of 4H-SiC SiO2／SiC systems fabricated by different processes 使用 Terman 法［8］对 C－V 曲线进行分析得到 界面态密度在禁带中各能级（相对于导带底即 EC－ E）的分布情况如图4． 影响 SiO2／SiC 界面态密度的主要因素是界面 与氧化层中的残存碳以及氧化物本身的缺陷在 SiC 禁带中的分布．这使得采取常规氧化工艺的 DO 样 品有着较高的界面态密度［9］而成为未来直接影响 MOSFET 器件迁移率等重要参数的因素．通过低 温湿氧二次氧化处理的 DOWR 样品则表现出了低 于 DO 样品的较为理想的界面态密度分布．产生 这种性能提升的主要原因是在低温湿氧二次氧化过 程中衬底 SiC 的氧化不是主流主要的反应发生在 界面处及氧化物中更多的残存碳元素被氧化以气 体氧化物的形式逸出进而使 MOS 电容的界面性 能得到了提高．图5的 XPS 谱线对比所示其中 EB 表示结合能．样品 DO 在界面处纯 SiO2 的 Si 4＋谱峰 并不明显说明存在大量的不饱和 Si 键说明界面 有以 Si xCyO 形 式 的 残 留 碳 的 存 在；而 在 样 品 DOWR 中SiO2 能谱清晰可见界面处的不饱和 Si 键有了明显的减少即经过了低温湿氧二次氧化退 火之后 Si xCyO 中的残留碳被进一步氧化而脱离 界面． 图5 样品 DO 与 DOWR SiO2／SiC 界面处的 Si2p XPS 谱线对比 Fig．5 Comparison of XPS spectra of Si 2p on SiO2／SiC interface for samples DO and DOWR 2∙4 表面改性工艺对于 MOS 器件性能的影响 由于 SiC 表面存在着极性键使用标准 RCA 流 程处理时很容易吸附溶液中的 OH －、F － 等杂质粒 子而且经湿法处理的 SiC 表面平整度低、容易被氧 化不利于形成高性能的器件［10］．利用低能离子 （＜2eV）和高电离度高浓度高活化高纯氢等离子体 对表面进行处理则可以在一定程度上除去 C 或 OH －等杂质离． 图6和图7为经过等离子表面处理的样品 PDOWR 与采用相同氧化工艺的样品 DOWR 在 C－V特性及界面态密度分布上的对比情况其中 ·1284· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第11期 马继开等：n型4SiC湿氧二次氧化退火工艺与SiO2/SiC界面研究 ,1285. PDOWR的△V较D0WR减小了0.O5V,而界面 界面态密度也在氧化后处理后得到了改善，达到了 态密度也降低了10leV-1cm-2左右.可见，利用 10eV-1cm一2量级，使得按照此工艺生产MOS 氢等离子对$C进行表面处理能够在一定程度上降 FET器件成为可能.另外，通过在氧化前对衬底进 低平带电压和界面态密度， 行氢等离子体表面处理，可以使MOS电容的性能 0.9 得到进一步的提升，这为今后工艺的进一步完善提 0.8 -PDOWR 出了新的方向， 0.7 --DOWR 0.5 参考文献 g0.4 [1]Schurmann M,Dreiner S,Berges U.et al.Investigation of car- 0.3 bon contaminations in Si02 films on 4HSiC (0001).JAppl 0.2- 0 0.5 1.0 1.5 2.02.5 Phs,2006,100:113510 栅电压V [2]Singh R.Reliability and performance limitations in SiC power de- vices.Microelectron Reliab.2006.46:713 图6等离子体表面处理对4 SiC MOS电容CV曲线的影响 [3]Kurimoto H.Shibata K.Kimura C.et al.Thermal oxidation Fig.6 Difference in C-V curve caused by plasma treatment on 4H- temperature dependence of 4H-SiC MOS interface.Appl Surf SiC MOS capacitors Sci,2006,253.2416 [4]Soares G V.Radtke C.Baumvol I J R.et al.Morphological and 10r compositional changes in the SiO2/SiC interface region induced by -O-PDOWR oxide thermal growth.Appl Phys Lett.2006.88:041901 9 ▲DOWR [5]Chakraborty S.Lai P T.Xu J P,et al.Interface properties of N20-annealed SiC metal oxide semiconductor devices.Solid State Elecron,2001,45:471 [6]Lengzlingerand M.Snow E H.Fowler-Nordheim tunneling into thermally grown SiOz.JAppl Phys,1969.40:278 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 [7]Li H F,Dimitrijev S.Sweatman D.et al.Analysis of Fowler (Ec-E)/eV Nordheim injection in NO nitrided gate oxide grown on ntype 图7等离子体表面处理对Si02/4HSiC界面态密度的影响 AHSiC/Proceedings of the 22nd International Conference on Microelectronics MIEL2000),Vol.1.Nis.2000:331 Fig.7 Difference in interface state distribution caused by plasma [8]Nicollian E H.Brews J R.MOS Metal Oxide Semiconductor) treatment on Si02/4H-SiC systems Physics and Technology.New York:John Wiley &Sons Ine, 3结论 1982 [9]Radtke C.Baumvol I JR.Ferrera B C.et al.Oxygen transport 在对标准硅工艺进行最小改动的前提下，采用 and incorporation mechanisms in the dry thermal oxidation of 6H- 低温二次氧化退火对4HSC做氧化后处理，所获 SiC.Appl Phys Lett,2004.85:3402 得的MOS电容氧化层击穿电场达到了 [10]Losurdo M.Giangregorio MM.Capezzuto P.et al.Modifica- tion of 4H-SiC and 6H-SiC(0001)s surfaces through the interac- 10MVcm,SiC与Si02间的势垒高度为2.46eV, tion with atomic hydrogen and nitrogen.J Electron Mater, 基本上达到了制作器件的可靠性要求.SiO2/SiC的 2005,34.457
PDOWR 的ΔV fb较 DOWR 减小了0∙05V而界面 态密度也降低了1011 eV －1·cm －2左右．可见利用 氢等离子对 SiC 进行表面处理能够在一定程度上降 低平带电压和界面态密度． 图6 等离子体表面处理对4H－SiC MOS 电容 C－V 曲线的影响 Fig．6 Difference in C-V curve caused by plasma treatment on4HSiC MOS capacitors 图7 等离子体表面处理对 SiO2／4H－SiC 界面态密度的影响 Fig．7 Difference in interface state distribution caused by plasma treatment on SiO2／4H-SiC systems 3 结论 在对标准硅工艺进行最小改动的前提下采用 低温二次氧化退火对4H－SiC 做氧化后处理所获 得 的 MOS 电 容 氧 化 层 击 穿 电 场 达 到 了 10MV·cm －1SiC 与SiO2 间的势垒高度为2∙46eV 基本上达到了制作器件的可靠性要求．SiO2／SiC 的 界面态密度也在氧化后处理后得到了改善达到了 1011eV －1·cm －2量级使得按照此工艺生产 MOSFET 器件成为可能．另外通过在氧化前对衬底进 行氢等离子体表面处理可以使 MOS 电容的性能 得到进一步的提升这为今后工艺的进一步完善提 出了新的方向． 参 考 文 献 ［1］ Schurmann MDreiner SBerges Uet al．Investigation of carbon contaminations in SiO2 films on 4H-SiC （0001）． J Appl Phys2006100：113510 ［2］ Singh R．Reliability and performance limitations in SiC power devices．Microelectron Reliab200646：713 ［3］ Kurimoto HShibata KKimura Cet al．Thermal oxidation temperature dependence of 4H-SiC MOS interface． Appl Surf Sci2006253：2416 ［4］ Soares G VRadtke CBaumvol I J Ret al．Morphological and compositional changes in the SiO2／SiC interface region induced by oxide thermal growth．Appl Phys Lett200688：041901 ［5］ Chakraborty SLai P TXu J Pet al．Interface properties of N2O-annealed SiC metal oxide semiconductor devices．Solid State Elecron200145：471 ［6］ Lenzlingerand MSnow E H．Fowler-Nordheim tunneling into thermally grown SiO2．J Appl Phys196940：278 ［7］ Li H FDimitrijev SSweatman Det al．Analysis of FowlerNordheim injection in NO nitrided gate oxide grown on n-type 4H-SiC ∥ Proceedings of the 22nd International Conference on Microelectronics （ MIEL2000）V ol．1．Nis2000：331 ［8］ Nicollian E HBrews J R．MOS （ Metal Oxide Semiconductor） Physics and Technology．New York：John Wiley ＆ Sons Inc 1982 ［9］ Radtke CBaumvol I J RFerrera B Cet al．Oxygen transport and incorporation mechanisms in the dry thermal oxidation of6HSiC．Appl Phys Lett200485：3402 ［10］ Losurdo MGiangregorio M MCapezzuto Pet al．Modification of4H-SiC and6H-SiC（0001）Si surfaces through the interaction with atomic hydrogen and nitrogen． J Electron Mater 200534：457 第11期 马继开等： n 型4H－SiC 湿氧二次氧化退火工艺与 SiO2／SiC 界面研究 ·1285·