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介紹 ??
? ? ? 碳化硅具有比傳統(tǒng)硅更寬的帶隙、更好的擊穿電場(chǎng)和熱導(dǎo)率，在未來(lái)的電力電子領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。在各種類型的功率器件中，具有常關(guān)特性的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管應(yīng)該成為下一代綠色電子器件的關(guān)鍵元件。如上所述，除了硅，碳化硅是唯一一種通過(guò)熱氧化產(chǎn)生二氧化硅絕緣體的化合物半導(dǎo)體。與其他寬帶隙半導(dǎo)體相比，這使得器件制造過(guò)程更加容易。一般認(rèn)為，在高溫氧化過(guò)程中，氧化物內(nèi)的碳雜質(zhì)以碳氧化物的形式擴(kuò)散出去，但少量的碳雜質(zhì)保留在氧化物內(nèi)和二氧化硅/碳化硅界面上。因此，碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體器件的電退化導(dǎo)致器件性能和可靠性的惡化，是實(shí)現(xiàn)硅基電力電子器件的最大障礙。
? ? ? 本文綜述了近年來(lái)我們利用高分辨率同步輻射x射線光電子能譜(XPS)對(duì)4H-SiC襯底的熱氧化以及在(0001) Si面和(000-1) C面上制備的二氧化硅/4H-SiC能帶結(jié)構(gòu)的研究。我們研究了相應(yīng)的碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體電容器的原子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，討論了界面結(jié)構(gòu)和電學(xué)缺陷對(duì)能帶偏移調(diào)制的內(nèi)在和外在影響。此外，用原子力顯微鏡和透射電鏡系統(tǒng)地研究了熱生長(zhǎng)二氧化硅/4H-碳化硅(0001)結(jié)構(gòu)的表面和界面形貌，以闡明臺(tái)階聚束與氧化動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系。
厚熱氧化物下的界面結(jié)構(gòu)
? ? ? 圖4(a)和4(b)分別表示從40納米厚的二氧化硅/碳化硅(0001)硅面和(000-1)碳面襯底獲得的典型去卷積的二氧化硅/二氧化硅光譜，其中厚的熱氧化物在同步加速器XPS分析之前使用稀釋的HF溶液變薄。類似于薄的熱氧化物(見(jiàn)圖。1)，硅2p3/2光譜很好地?cái)M合了源自體碳化硅和二氧化硅部分以及中間氧化物狀態(tài)的五種組分。很明顯，對(duì)于這兩種情況，中間態(tài)的總量與剩余氧化物(約3 nm厚)的總量相比足夠小。這意味著即使對(duì)于厚的熱氧化物，氧化物側(cè)的過(guò)渡層的物理厚度也薄至幾個(gè)原子層。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地表明，無(wú)論襯底取向和氧化物厚度如何，用傳統(tǒng)的干氧化法都能形成接近完美的二氧化硅/碳化硅界面。
? ? ? 圖5比較了從二氧化硅/碳化硅界面獲得的二氧化硅/二氧化硅光譜中中間氧化物狀態(tài)總量的變化。繪制了生長(zhǎng)在(0001)硅面和(000-1)碳面襯底上的薄和厚熱氧化物的中間態(tài)和體信號(hào)之間的強(qiáng)度比。盡管最小中間氧化物狀態(tài)再次意味著突變界面，但我們觀察到中間狀態(tài)略有增加，特別是對(duì)于C面襯底上的厚熱氧化物界面，這表明在C面襯底上形成的碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體器件的界面電性能下降。
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圖4?從氧化的(a) 4H-SiC(0001) Si面和(b) (000-1) C面襯底獲得的Si 2p3/2核能級(jí)光譜
圖5?從生長(zhǎng)在碳化硅(0001)硅面和碳面襯底上的氧化物界面獲得的硅2p3/2光譜中中間氧化物狀態(tài)總量的變化
二氧化硅/碳化硅界面原子相關(guān)性
? ? ? 電降解和二氧化硅/碳化硅界面的原子鍵合特征之間的相關(guān)性提出了碳化硅氧化的內(nèi)在問(wèn)題。這與對(duì)碳化硅-金屬氧化物半導(dǎo)體器件的普遍理解是一致的，而我們的同步加速器XPS分析排除了具有過(guò)量碳的幾納米厚的過(guò)渡層作為電退化的物理來(lái)源。相反，我們認(rèn)為界面上的電缺陷，如Dit和Qox，部分歸因于Si 2p光譜中的原子尺度粗糙度和與中間氧化物狀態(tài)相關(guān)的缺陷。此外，考慮到碳化硅-金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管中遷移率的顯著降低，我們應(yīng)該考慮形成位于碳化硅體側(cè)的局部碳-碳二聚體的各種形式的碳間隙作為電缺陷的可能來(lái)源。因此，要提高硅基金屬氧化物半導(dǎo)體器件的性能，我們應(yīng)該關(guān)注溝道區(qū)內(nèi)的原子鍵合特征和碳雜質(zhì)，而不是二氧化硅/碳化硅界面附近的厚過(guò)渡層。
二氧化硅介質(zhì)的表面和界面形貌
? ? ? 如圖所示10(b)，氧化物表面的均方根粗糙度值約為0.36納米，略高于生長(zhǎng)的外延層表面的均方根粗糙度值。此外，似乎氧化物表面的臺(tái)階比初始表面更圓。圖11顯示了生長(zhǎng)和氧化樣品的橫截面透射電鏡圖像。與初始外延層表面的多層臺(tái)階相比，在二氧化硅/4H-碳化硅界面觀察到單層臺(tái)階。這些發(fā)現(xiàn)表明外延層的臺(tái)階結(jié)構(gòu)被大量轉(zhuǎn)移到二氧化硅表面，而界面粗糙度通過(guò)平滑臺(tái)階聚束而降低。由于碳面4H-碳化硅的氧化速率比硅面的氧化速率高得多，因此認(rèn)為臺(tái)階邊緣將通過(guò)增強(qiáng)氧化而變圓，并且由于從碳化硅到二氧化硅的體積膨脹，臺(tái)階附近的所得氧化物將更厚。
? ? ? 如圖所示，圖13是所示樣品的橫截面透射電鏡圖像。12(b)也清楚地表明在臺(tái)階聚束處有明顯的氧化。另一方面，二氧化硅/4H-碳化硅界面的形貌明顯比二氧化硅表面的形貌更緩和，這意味著氧化物界面處的臺(tái)階聚束通過(guò)氧化變得平滑。最大二氧化硅厚度(80納米)位于臺(tái)階對(duì)面，是梯田的兩倍多。由于氧化反應(yīng)由擴(kuò)散通過(guò)二氧化硅層的氧分子的量控制，臺(tái)階邊緣將變圓，因?yàn)槠脚_(tái)上的氧化物更薄。大的氧化物厚度波動(dòng)必然導(dǎo)致在電應(yīng)力期間臺(tái)階聚束周圍的局部電場(chǎng)集中，從而導(dǎo)致優(yōu)先擊穿。因此，我們可以得出結(jié)論，柵氧化層形成前溝道區(qū)的表面形貌對(duì)于提高碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體器件的可靠性非常重要。
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圖10 (a)通過(guò)在1100℃下干燥O2氧化12小時(shí)，在樣品(a)上形成的生長(zhǎng)態(tài)4H-碳化硅(0001)外延層表面和(b)二氧化硅表面的原子力顯微鏡圖像
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圖13 二氧化硅/碳化硅結(jié)構(gòu)的橫截面透射電鏡圖像如圖12(b)
結(jié)論
? ? ? 本文研究了碳化硅氧化和二氧化硅/碳化硅界面的基本方面。盡管有基于透射電鏡觀察的文獻(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)由硅氧鍵主導(dǎo)的接近完美的界面是由4H-碳化硅(0001)襯底的干氧化形成的。然而，隨著氧化物厚度的增加，發(fā)現(xiàn)原子尺度的粗糙度和缺陷會(huì)導(dǎo)致碳化硅-金屬氧化物半導(dǎo)體器件的電退化。我們還指出了源于柵極泄漏的氧化物可靠性問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，盡管由于界面缺陷導(dǎo)致的負(fù)固定電荷擴(kuò)大了硅化金屬氧化物半導(dǎo)體器件的導(dǎo)帶偏移，但導(dǎo)致柵極泄漏增加的小導(dǎo)帶偏移是一個(gè)固有特征，尤其是對(duì)于碳化硅(000-1) C面襯底。我們還研究了熱生長(zhǎng)氧化物的表面和界面形態(tài)，以闡明臺(tái)階聚束和氧化物擊穿之間的關(guān)系。由于臺(tái)階和臺(tái)階面之間的氧化速率不同，晶片表面上的多層臺(tái)階以及臺(tái)階聚束導(dǎo)致氧化物厚度波動(dòng)。臺(tái)階聚束附近的二氧化硅層的凸起狀結(jié)構(gòu)和平臺(tái)上相對(duì)較薄的氧化物將導(dǎo)致局部電場(chǎng)集中，這增強(qiáng)了氧化物中電缺陷的產(chǎn)生，表明需要在柵極氧化物形成之前形成原子級(jí)平坦的表面。
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