SiC-MOS結(jié)構(gòu)的電特性及其輻照效應(yīng)

1、第七章 SiC MOS結(jié)構(gòu)的電特性及其輻照效應(yīng)為了使SiC MOS器件能夠在高輻照環(huán)境下正常工作，柵氧化層必須具有高的擊穿電場(chǎng)，低的漏電流，低的氧化物電荷和界面態(tài)電荷。對(duì)于SiC MOS電容的電特性研究已有一些報(bào)道7.2。在早期的研究中，所使用SiC樣品中缺陷密度較大，SiC MOS C-V特性幾乎看不到電容的變化，隨著SiC襯底質(zhì)量的提高，SiC MOS C-V曲線顯示了令人滿意的積累，耗盡和深耗盡區(qū)域，這為研究SiC MOS結(jié)構(gòu)的輻照特性提供了條件。為了研制出能夠在高輻照環(huán)境下工作的SiC MOS器件，首先就必須對(duì)SiC MOS結(jié)構(gòu)能夠承受輻照的能力有一個(gè)具體數(shù)量上的認(rèn)識(shí)。已有文獻(xiàn)分析了C

2、o60輻照對(duì)SiC MOS結(jié)構(gòu)的影響7.47.7，結(jié)果表明：3C-SiC MOSFET應(yīng)能承受10Kgy(SiO2)的輻照劑量，但是直至目前為至，輻照對(duì)6H-SiC MOS結(jié)構(gòu)電參數(shù)影響及其退火特性的研究還沒(méi)有人進(jìn)行過(guò)。本章通過(guò)對(duì)制備的SiC MOS C-V特性和漏電流進(jìn)行系統(tǒng)的電學(xué)測(cè)量，分析了其電學(xué)特性及界面質(zhì)量。接著測(cè)量了在不同輻照偏壓下6H-SiC MOS電容C-V特性隨輻照劑量的變化，分析了柵偏壓對(duì)SiC MOS電容平帶電壓漂移的影響，并研究了SiC MOS電容的輻照退火特性。7.1 SiC MOS結(jié)構(gòu)的I-V特性實(shí)驗(yàn)所采用的樣品是在n型6H-SiC襯底上制作的MOS電容，SiC襯底來(lái)

3、自Cree Research，摻雜濃度為1.11016/cm3，將襯底在1100的溫度下熱氧化2小時(shí)，估計(jì)可生長(zhǎng)氧化層厚度為30nm，然后在氧化層上蒸Al，并刻出圖形。單個(gè)MOS電容的圖形為園形，直徑為515m。為了便于測(cè)試，最后對(duì)樣品進(jìn)行了封裝。對(duì)SiC MOS電容氧化層漏電流的分析可通過(guò)IV測(cè)量來(lái)進(jìn)行，在Al柵電極和襯底n型SiC之間加上正電壓，那么，電子就會(huì)由n型SiC中向氧化層中發(fā)射。室溫下，一般在電場(chǎng)較低時(shí)，是其他漏電機(jī)制決定著氧化層電流的大小，而在電場(chǎng)較高時(shí)，電流會(huì)呈指數(shù)增加，F(xiàn)owler-Nordheim隧穿電流起主要作用。隧道發(fā)射是被陷電子經(jīng)場(chǎng)致電離進(jìn)入導(dǎo)帶或電子從金屬費(fèi)米能級(jí)

4、隧穿到絕緣體導(dǎo)帶所致，隧道發(fā)射與外電壓有著強(qiáng)烈的關(guān)系。如果電場(chǎng)再進(jìn)一步升高，到一定程度時(shí)，就會(huì)引起氧化層擊穿。圖7.1為6H-SiC MOS電容在室溫下測(cè)量的IV特性曲線。 測(cè)量是在HP4156B 半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀上進(jìn)行的。在測(cè)量中，氧化層電壓由0V變化到30V，或者說(shuō)電場(chǎng)近似由0MV/cm變化到10MV/cm，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氧化層擊穿，由于這時(shí)漏電流較大再加上測(cè)量?jī)x器的限制，SiC MOS氧化層的擊穿特性沒(méi)有得到。根據(jù)文獻(xiàn)7.27.3，在氧化層厚度為60nm時(shí)，6H-SiC MOS結(jié)構(gòu)氧化層的擊穿電場(chǎng)為211MV/cm不等。對(duì)于Si MOS電容來(lái)說(shuō)，氧化層的本征擊穿電場(chǎng)為10MV/cm30MV/c

5、m。SiC 氧化層的擊穿電場(chǎng)普遍低于Si的氧化層，這是由于SiC生長(zhǎng)SiO2時(shí)，同時(shí)形成的CO要穿過(guò)SiO2向外擴(kuò)散，會(huì)影響界面質(zhì)量。另外，對(duì)于 SiC MOS氧化層的研究現(xiàn)在一般采用Al柵，溫度升高，Al容易穿透SiO2層，引起電容過(guò)早擊穿。若采用多晶硅柵，將會(huì)改善SiC/SiO2界面的質(zhì)量，因?yàn)橄鄬?duì)Al柵而言，多晶硅柵的離子沾污少，所以能夠穩(wěn)定。圖7.1 SiC MOS電容電流電壓特性在SiO2層的導(dǎo)電機(jī)制中，F(xiàn)owler-Nordheim隧穿機(jī)制尤為重要，它可用下式來(lái)表示7.17.3： (7-1)其中：，J為氧化層漏電流密度，E是電場(chǎng)，h是普朗克常數(shù)，為氧化層和n型6H-SiC之間的勢(shì)壘

6、高度，是氧化層內(nèi)電子有效質(zhì)量，對(duì)于6H-SiC和4H-SiC來(lái)說(shuō)，m0為電子靜止質(zhì)量。從式(7-1)可以看出，當(dāng)Fowler-Nordheim機(jī)理占主導(dǎo)地位時(shí)，和應(yīng)成線性關(guān)系，斜率K為： (7-2)和在電場(chǎng)為5MV/cm和10MV/cm之間的線性關(guān)系如圖7.2所示：圖7.2 n型6H-SiC MOS電容1/E和ln(J/E2)的關(guān)系 由圖7.2可以看出，當(dāng)柵氧化層電場(chǎng)大于8.5MV/cm時(shí)，F(xiàn)owler-Nordheim隧道電流在SiC柵氧化層的漏電流中起主導(dǎo)作用。由測(cè)量數(shù)據(jù)可知，和之間的斜率為-3.3107V/cm，由(7.2)式可得，為0.83eV，這個(gè)值與文獻(xiàn)7.3報(bào)道的在SiC (00

7、01)面上氧化的MOS二極管的測(cè)量值相比較小，這是由于在SiC/SiO2界面上存在深能級(jí)，隧道電流可以借助于這些深能級(jí)而穿過(guò)氧化層，因而正是這些缺陷能級(jí)降低了SiC襯底和氧化層之間的勢(shì)壘高度。7.2 SiC MOS電容的C-V分析圖7.3是對(duì)SiC MOS電容樣品測(cè)量的高頻C-V曲線。在測(cè)量中，偏壓掃描速率為0.1V/s，信號(hào)頻率為1MHz。電壓從積累區(qū)掃描到深耗盡區(qū)，再掃回積累區(qū)。正掃曲線和反掃曲線在耗盡區(qū)表現(xiàn)微小遲滯，這是由于在SiC/SiO2界面附近存在著時(shí)間常數(shù)較大密度的陷阱，當(dāng)電壓從負(fù)偏壓向正電壓方向掃描時(shí)，陷阱中的正電荷還很多，所以C-V關(guān)系表現(xiàn)為沿圖7.2中的左邊曲線上升。隨著柵

8、偏壓增大，柵極上的正偏壓形成的電場(chǎng)有利于SiC/SiO2界面處的電子從SiC一側(cè)向SiO2中注入，注入的電子填充陷阱后使其帶負(fù)電，C-V特性向正電壓方向平移，故C-V關(guān)系表現(xiàn)為沿圖7.2中的右邊曲線下降。根據(jù)(7.3)式可以得到有效固定電荷密度（包括不隨溫度和偏壓改變的界面附近的氧化層正電荷、界面態(tài)電荷和可動(dòng)離子等）：圖7.3 6H-SiC MOS電容室溫高頻C-V特性 (7-3)其中：為氧化層厚度，為氧化層的相對(duì)介電常數(shù)，為SiC/SiO2界面有效固定電荷密度，為平帶電壓，為金屬和SiC的功函數(shù)差。 (7-4) 金屬Al的功函數(shù)為4.2eV，6H-SiC的親和能為3.8eV，對(duì)于摻雜1.11

9、016/cm3的n型6H-SiC來(lái)說(shuō)，為0.185eV。根據(jù)所測(cè)量的C-V特性，樣品的平帶電壓為0.25eV。利用式(7-3)求得SiC/SiO2界面有效固定電荷密度為：7.1851011/cm2，電荷為負(fù)。這是因?yàn)閷?duì)于n型SiC MOS電容，費(fèi)米能級(jí)在導(dǎo)帶附近，大多數(shù)界面態(tài)被電子占據(jù)，因此界面態(tài)表現(xiàn)為負(fù)，從而導(dǎo)致總的有效固定電荷為負(fù)。7.3 輻照對(duì)SiC MOS電容的影響對(duì)以上SiC MOS電容進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，在輻照過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)樣品分別加上偏壓10V，5V，-5V和-10V，輻照劑量率為62.5rad(Si)/s。本實(shí)驗(yàn)是在西北核技術(shù)研究所的Co源上進(jìn)行的。在不同的輻照劑量下對(duì)不同輻照柵壓的S

10、iC MOS電容C-V特性分別進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果如圖7.4圖7.5所示。把圖7.4圖7.5綜合起來(lái)進(jìn)行考慮，可以看出：（1）電離輻照引起了SiC MOS電容的C-V曲線向負(fù)電壓方向漂移，這是由于在氧化層中引入了正的空間電荷。（2）電離輻照還可以使高頻C-V曲線出現(xiàn)畸變，這歸因于在SiC/SiO2界面引入了新的界面態(tài)7.57.8。圖7.4 10V偏壓下，輻照對(duì)6H-SiC MOS電容的影響圖7.5 5V偏壓下，輻照對(duì)6H-SiC MOS電容的影響圖7.6 -5V偏壓下，輻照對(duì)SiC MOS電容的影響圖7.7 -10V偏壓下，輻照對(duì)SiC MOS電容的影響在圖7.5和圖7.6中，可以觀察到在C-V曲

11、線上出現(xiàn)一段平臺(tái)的異?，F(xiàn)象，這是由于在SiC MOS電容樣品制作過(guò)程中引入的界面陷阱所致，這種界面陷阱發(fā)射或俘獲電子的速率和柵電壓變化的速率相等，界面陷阱中的電荷會(huì)屏蔽從柵極到SiC襯底之間的電場(chǎng)，使得耗盡層中的電場(chǎng)保持不變，這樣，耗盡層厚度不隨柵壓而變，電容也不隨柵壓而變化。圖7.8 不同柵偏壓下輻照下的SiC MOS電容平帶電壓漂移圖7.8為在不同輻照劑量下，柵偏壓對(duì)SiC MOS電容平帶電壓的影響，從圖中可以看出，輻照偏壓對(duì)SiC MOS電容的輻照特性影響很大。在正柵偏壓下，輻照產(chǎn)生的正空間電荷主要位于SiC/SiO2界面附近，離SiC表面很近，這必然顯著影響SiC表面的特性，引起較大的

12、C-V特性變化。當(dāng)柵偏壓加負(fù)電壓且正好和金屬半導(dǎo)體功函數(shù)差相等時(shí)，SiO2層中的電場(chǎng)為0，輻照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)會(huì)大量復(fù)合，只有界面附近的電子才能離開(kāi)SiO2層，少量的空穴被俘獲于SiC/SiO2界面附近，從而使得輻照對(duì)SiC表面的影響大大減小。在我們的實(shí)驗(yàn)中，偏壓-5V最接近于這一點(diǎn)，所以在這個(gè)偏壓下，電離輻照對(duì)SiC MOS電容的影響較小。當(dāng)負(fù)柵偏壓繼續(xù)加大時(shí)，盡管在Al/SiO2界面附近會(huì)俘獲正電荷，但離SiC表面相對(duì)較遠(yuǎn)，因此負(fù)柵偏壓的作用會(huì)有所降低。但當(dāng)負(fù)柵壓進(jìn)一步增大且輻照劑量較大時(shí)，在Al/SiO2界面附近會(huì)俘獲大量的正電荷，這還是可以引起較大的MOS C-V特性變化。平帶電壓漂移

13、可以很直觀的反映MOS電容的電離輻照特性。圖7.9示出了在10V偏壓輻照下，SiC MOS電容和Si MOS電容平帶電壓漂移與輻照累積劑量的關(guān)系，其中CE，CK，CI，CG，CH，CL，CF，CJ分別為用不同的工藝制作的Si MOS電容7.5。由圖中可以看出，SiC MOS電容的抗輻照特性比抗輻照特性最好的Si MOS電容CJ還要好。在1Mrad(Si)的輻照劑量下， SiC MOS的平帶電壓漂移僅為-1.5，這說(shuō)明了SiC材料不僅自身具有好的抗輻照特性，SiC MOS結(jié)構(gòu)同樣具有優(yōu)于Si MOS結(jié)構(gòu)的抗輻照性能。圖7.9 10V偏壓輻照下，Si和SiC平帶電壓漂移與輻照劑量的關(guān)系7.4 Si

14、C MOS電容的輻照退火特性 MOS器件的電離輻照效應(yīng)存在著和時(shí)間相關(guān)的退火過(guò)程。圖7.10是輻照后的SiC MOS電容樣品在0柵偏壓，室溫下的退火曲線，由圖中可以看出，不管輻照后MOS電容平帶電壓的漂移有多大，在中止輻照后MOS電容的特性都呈恢復(fù)趨勢(shì)，平帶電壓漂移的恢復(fù)最大可達(dá)1.5V。對(duì)于SiC MOS電容，在0柵壓和室溫下，一般需要24小時(shí)就可使MOS電容的特性穩(wěn)定下來(lái)，但是退火并沒(méi)有使MOS電容還原到輻照前的狀態(tài)，說(shuō)明退火只能使部分輻照損傷得到恢復(fù)，這是因?yàn)槭覝叵峦嘶鹬荒苁狗@的正電荷暫時(shí)得到補(bǔ)償7.6，剩下的輻照缺陷需要更高的退火溫度才能消除。圖10 SiC MOS電容輻照后的退火特性7.5 小結(jié) 本章對(duì)在n型6H-SiC上制備的SiC MOS結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電學(xué)分析，包括其I-V特性和C-V特性。分析結(jié)果表明，在氧化層電場(chǎng)較高時(shí)是Fowler-Nordheim隧穿電流決定著SiC MOS結(jié)構(gòu)的漏電流，實(shí)驗(yàn)樣品的有效固定電荷密度的計(jì)算值為7.1851011/cm2，電荷表現(xiàn)為負(fù)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同的柵偏壓和不同的電離輻照劑量下SiC M