论文部分内容阅读
碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料具有良好的物理性质和稳定性，宽禁带宽度(3.26eV)，高临界击穿场强(2-4MV/cm)，高热导率(4.9W/cmK)以及抗辐照特性使4H-SiC在高压大功率器件中有巨大的潜力。SiC材料和器件在三十年间有了长足的发展，但是仍有问题需要解决，其中之一是场效应晶体管SiC外延层与栅介质层的界面问题，SiC与SiO2的界面态比Si/SiO2界面态大1-2个数量级，导致沟道迁移率降低;UMOSFET器件中栅介质层在反向阻断状态下承担很大的电场强度，根据高斯定理，SiC表面和栅介质层的电场与介电常数成反比，因此SiO2作为栅介质层时，氧化层中的电场是SiC表面电场的3倍。因此本论文研究了SiO2和高-k Al2O3作为SiC的栅介质层与SiC界面的材料特性和电学性质。 采用自制搭建的原子层沉积设备生长Al2O3材料，在器件研制过程中需要高温工艺加工，因此有必要研究不同温度退火下的Al2O3薄膜性质。原子层沉积得到Al2O3薄膜厚度均匀性最小可以达到0.12％，而且对于较薄的氧化物薄膜易于控制厚度。对Al2O3薄膜进行不同温度退火1min，发现Al2O3薄膜完成了从非晶到晶体的转变，薄膜在750℃退火时，厚度开始减小，在温度升到768℃的过程中厚度下降10％，直到800℃，薄膜的厚度趋于平缓。厚度降低的过程，折射率也同时增加，从1.66增加到1.715，薄膜致密度增加的同时完成了从非晶到多晶的转化，结晶温度为768℃。Al2O3未退火样品的粗糙度和SiC外延层的粗糙度基本一致，为0.335nm，随着退火温度的增大，薄膜表面出现了均匀分布的颗粒，结晶完成之后，表面的颗粒布满样品，表面的粗糙度也会增加，但是在退火温度1000℃时，粗糙度也仅为0.54nm。X射线衍射测试的Al2O3薄膜在高温退火后的多晶晶型为γ-Al2O3。X射线光电子能谱分析退火前后Al2O3薄膜的成分。Al2O3薄膜表面处Al2p和O1s的结合能在1000℃退火后增加的数值相近，Al2p的结合能增加，说明Al2O3薄膜从非晶转变到晶体的过程中，也就是由长程无序到有序的过程，Al原子的次近邻位对A12p的结合能产生了影响。但是Al2p和O1s结合能差值退火后不变，说明最近邻Al-O键没有变化，Al-O键的微观环境（短程有序）不变。而界面处的Al2p在退火后并没有变化，说明Al2O3/SiC界面处仍然处于非晶状态，在SiC和退火后的Al2O3界面处有一个非晶过渡层。退火前后Al2O3薄膜中的有效固定电荷近为2.42E12cm-2和2.12E12cm-2，而界面态在退火后由1E13增加到1.5E13cm-2eV-1，界面态提升的原因是由于Al2O3/SiC界面中存在的非晶过渡层。退火后Al2O3薄膜的介电常数由5.78增长到7.4。 SiC基SiO2栅介质层由干法氧化生长或者NO氮化的方法。X射线光电子能谱分析了5种不同生长参数得到的SiO2表面和界面的性质。采用NO作为氮化生长时，发现表面的Si2p的结合能(103eV)比O2干法氧化生长的SiO2Si2p的结合能(103.27eV)低，这是由于NO氮化的SiO2薄膜中并不是纯的SiO2，其中含有Si-OxNy，N的电负性较低，因此结合能较低。干法氧化生长完成的SiO2薄膜在NO气氛中退火，发现随着NO退火时间的增长，界面附近Si-O-N的含量随着增加，且向表面处延伸，同时Si-O-C的含量降低，随着退火时间的增加，N代替C和Si结合，并且也代替C团簇中C原子，形成C-N键，Si-O-C和C团簇的减少是界面态降低的原因。NO作为预退火条件只对薄膜表面的成分产生影响。NO氮化生长的SiO2中Si-O-C的含量和其它样品相比较高。 对于干法氧化的SiO2薄膜，NO后退火时间越长，界面态密度越低，但是同时引入了氧化层陷阱电荷，导致在较低电场下就会产生F-N隧穿。NO后退火时间在界面态密度和电场强度中有一个折中。在O2中干法氧化后，NO后退火1h和2.5h的SiO2薄膜是最符合要求的，击穿场强达到8.7MV/cm，界面态密度为3E12cm-2eV-1。