不同柵介質工藝對4H-SiC MOS電容可靠性的影響

譚永亮 劉佳佳 張力江 李波

（中國電子科技集團公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

1 引言

SiC (Silicon Carbide)半導體材料具有禁帶寬度大、臨界場強高、熱導率高等優勢，是制備高壓、耐高溫、大功率電力電子器件的理想選擇之一，且SiC 材料可以通過自身氧化生長SiO2介質，使得SiC MOSFET 器件的制備成為可能[1-4]。然而由于熱氧化生長的SiC/SiO2界面的界面態密度較高，使得柵介質的可靠性變差，溝道載流子遷移率降低，嚴重影響了SiC MOSFET 器件的性能。因此，優化SiC MOS (Metal Oxide Semiconductor) 柵電容的制作工藝，降低SiC/SiO2界面處的界面態密度，對于SiC MOS 柵介質的可靠性評價顯得尤為重要。

有報道表明在對只經過熱氧化生長的SiO2介質進行TDDB 可靠性測試時發現隨溫度的升高，柵介質的可靠性明顯下降，當環境溫度為350℃時在6MV/cm 的場強下工作1000s 后失效。這是由于熱氧化生長的SiO2介質存在高濃度的界面態密度，大大降低了器件的可靠性。為了減小SiC/SiO2界面態密度，提升SiC MOS 器件的可靠性，人們采取了很多措施，目前采用含氮氣體對氧化后的SiO2介質進行高溫退火是目前采取的主要方法，通過在SiC/SiO2界面處引入氮來改善界面質量，界面態密度可達到（1011-1012）eV-1cm-2，溝道載流子遷移率可達到20-35cm2/V?s[5-7]，但采用含氮氣氛退火得到的溝道中載流子的遷移率仍然很低，增加了器件的導通損耗。也有報道稱采用含磷氣體退火可以降低SiC/SiO2界面態密度，遷移率可提升至80-100 cm2/V?s[8-9]，但這種退火處理會劣化柵介質的絕緣性，導致柵介質的漏電流增大，大大降低器件的可靠性。

為了兼顧SiC MOS 器件的溝道載流子遷移率和柵介質的可靠性，本文結合了磷摻雜柵介質工藝和SiO2/Si3N4(Silicon Nitride) 復合柵介質，通過絕緣性測試、TDDB 測試來評估其可靠性。本實驗采用斜坡電壓法可進行快速、有效的TDDB 評估。

表1：樣品柵介質制備工藝條件

圖1：SiC MOS 結構示意圖

圖2：磷摻雜和氮摻雜柵4H-SiC MOSFET IDS-VGS 特性及遷移率對比曲線

圖3：不同柵介質樣品J-E 特性曲線

2 實驗

本實驗采用4 英寸晶向為（0001）偏角4°的n 型4H-SiC 襯底，外延層為n 型、摻雜濃度為7×1015cm-3、厚度為12 μm。實驗樣品分為3 組，編號分別為#1、#2、#3，柵介質條件如表1 所示，其中樣品1#和2#在RCA 清洗后進行P 阱、P+、N+離子注入及激活退火，按照表1 完成柵介質制備，之后進行漏極和源極制備。

圖4：采用斜坡電壓法的TDDB 特性曲線a（0.2MV/cm?s）b（0.002 MV/cm?s）

樣品1#作為標樣，采用國際主流的柵介質制作工藝，即在氧化后使用NO 退火。樣品#2、#3 均采用POCl3對氧化層進行退火，再分別淀積不同介質。柵介質制作完成后，再采用MOSFET 標準工藝制程完成器件的柵極、源極和漏極的制作，同時在樣品上制作SiC 柵介質電容，結構形成圖1 所示。器件制作完成后，測量SiC MOSFET 器件的轉移特性和CV 特性，計算樣品的溝道載流子遷移率，同時通過TDDB 測試和柵絕緣性測試，完成柵介質可靠性評價。

3 結果與分析

室溫下對采用樣品1#和2#制備的4H-SiC MOSFET 進行轉移特性測試，結果如圖2 所示，其中左側縱坐標為當VDS=1V 時4H-SiC MOSFET 溝道載流子遷移率大小，右側縱坐標對應源漏電流，從圖中可以看出，當VGS=20V 時，經NO 退火的器件溝道載流子遷移率約為18cm2/V?s，采用POCl3退火制備的器件溝道載流子遷移率約為45cm2/V?s，磷摻雜工藝的溝道載流子遷移率為NO 退火的2 倍多。說明磷摻雜柵介質工藝能更有效地降低4H-SiC/SiO2界面處的界面態密度，基于磷摻雜柵介質工藝制備的器件導通特性更優。

為了在提高溝道載流子遷移率，降低器件導通損耗的同時提升SiC MOS 柵介質的可靠性，本文對比了采用不同柵介質工藝制備的SiO2柵介質及SiO2/Si3N4復合柵介質的可靠性，結果如圖3 所示，可以看出樣品3 的擊穿場強比樣品1 和2 高，說明引入Si3N4復合柵可以明顯增強柵介質的擊穿場強，減小柵極漏電流，提高柵介質的抗擊穿能力，增強柵絕緣性。SiO2/Si3N4復合柵介質的等效介電常數約為SiO2柵介質的1.6 倍，高介電常數可以顯著增強柵介質的擊穿場強。因此SiO2/Si3N4復合柵介質有高于SiO2柵介質近1.6 倍的臨界擊穿場強。

圖5：(a)樣品1(b)樣品2(c)樣品3 在不同斜坡電壓的TDDB 特性對比

采用斜坡電壓法[10]測得樣品的TDDB 曲線如圖4 所示。試驗中給樣品施加0.2MV/cm?s 和0.002MV/cm?s 的斜坡電壓，每種樣品試驗數目均為12 個，樣品經斜坡電壓實驗會發生擊穿。從圖4 可以看出樣品1 經過56s 發生擊穿，樣品2 經過53s 后擊穿，樣品3經過78s 才擊穿，實驗結果表明引入Si3N4復合柵介質SiC MOS 電容的可靠性大大提高。斜坡電壓為0.002MV/cm?s 樣品的擊穿時間為斜坡電壓為0.2MV/cm?s 樣品的100 倍，說明斜坡電壓大小對樣品擊穿特性影響不大。

采用斜坡電壓法測得的漏電流與擊穿場強關系如圖5 所示，試驗中給樣品施加0.2MV/cm?s 和0.002MV/cm?s 的斜坡電壓，從圖5可以看出，樣品1 在斜坡電壓較大時，初始漏電流較大，而將斜坡電壓減小時，MOS 電容的漏電流也減小，而樣品2 和樣品3 的初始漏電流比樣品1 小且漏電流不受斜坡電壓的影響。結果表明，采用磷摻雜柵介質的MOS 結構具有更好的絕緣性。這是因為經過磷摻雜的4H-SiC/SiO2界面的界面陷阱密度更低，因此具有降低的初始漏電流。樣品3 比樣品1 和樣品2 的擊穿場強高，這是因為樣品3 采用SiO2/Si3N4復合介質，而Si3N4的介電常數比SiO2大，在柵介質厚度相同的情況下，SiO2/Si3N4復合柵介質的等效介電常數約為SiO2柵介質的1.6 倍，高介電常數可以顯著增強柵介質的擊穿場強,能承受更高的電壓，因此具有更高的臨界擊穿場強。

4 總結

本實驗研究了經氮摻雜、磷摻雜、磷摻雜復合介質的不同柵介質條件下4H-SiC MOSFET 器件的溝道遷移率和MOS 電容結構的可靠性情況，采用了斜坡電壓法測試了不同柵氧條件下的4H-SiC MOS 電容TDDB 特性和I-V 絕緣特性。發現磷摻雜的SiO2介質與Si3N4復合介質相結合的介質在絕緣性、TDDB 擊穿及界面態密度方面均得到進一步改善，4H-SiC MOS 電容器件的可靠性顯著提高。