（物理电子学专业论文）4hsic+mos结构工艺与电学特性研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 s i c 材料是第三代宽禁带半导体材料的代表，因其在高温、高功率、高辐射条件下 的优异性能，而成为“极端电子学”中最重要的研究对象之一；同时s i c 材料又是除了 s i 材料之外唯一能够通过直接热氧化生长氧化绝缘膜的半导体材料。目前，功率器件的 研究是s i c 应用的主要研究方向，尤其功率m o s f e t 更是研究的热点所在。但是，在 制作s i cm o s 器件时始终存在着沟道迁移率低的问题，这主要是由s i 0 2 s i c 的高界面 态密度引起的。因此如何降低m o s 器件的界面态密度成为s i cm o s 器件研究中需要 解决的首要问题。本文研究的核心是如何通过对m o s 工艺的合理优化来降低界面 态密度。 本文首先研究了m o s 器件工艺，以实验室的标准s i 工艺为基础，在4 h s i c 衬底上通过干氧氧化生长s i 0 2 绝缘层。为了能够更好的改善界面性能，本文使用 了包括氮气退火和湿氧二次氧化退火在内的氧化后退火工艺。本文中制作金属电 极的材料为a l ，利用特制金属掩膜板蒸发至衬底表面形成电极图形。另外，本文 为了验证衬底氢等离子表面处理对s i cm o s 器件性能的影响，还在同样工艺下制 作了m o s 电容器件样品。 本文还对在不同工艺下制作的m o s 电容器件进行了电学参数特性的研究。通 过i v 特性研究，证明了本文采取的m o s 工艺所获得的氧化绝缘层质量优异，击 穿场强达到了l om v c m 。另外。通过利用f o w l e r - n o r d h e i m 隧道电流模型对i - v 曲 线进行分析，进而获得了衬底材料与氧化绝缘膜之间的能带信息。在c v 测试中， 一方面通过研究高频c v 曲线的平带电压，获得了氧化绝缘膜中的电荷分布情况 等性能参数；另一方面，重点利用t e r m a n 法和高频一准静态法分析了s i 0 2 s i c 界 面态密度分布，通过对比说明了通过工艺优化能够有效的降低界面态密度，达到 了1 0 1 1 e v 1 c n l 之的量级。 通过本文的研究工作，验证了采用湿氧二次氧化退火的氧化后退火工艺能够 改善m o s 器件的电学性能，降低s i 0 2 s i c 系统的界面态密度。这一研究结果对进 一步研究s i cm o s 器件具有重要的意义。 关键词：s i c 材料；m o s 工艺；i - v 特性；c - v 特性；界面态密度 大连理工大学硕士学位论文 t h e s t u d y o n4 h s i cm o sp r o c e s sa n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s a b s t r a c t s i ca sas i g n i f i c a n t “t h i r dg e n e r a t i o n ”m a t e r i a l ，g e t sh i g h l ya t t e n t i o ni nt h e “e x t r e m e e l e c t r o n i c s ”s t u d y ，b e c a u s eo ft h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp o w e r a n dh i r g hr a d i a t i o nc o n d i t i o n i t sa l s ot h eo n l yc o m p o u n d , w h i c hc a ng r o wn a t u r a lo x i d e d i e l e c t r i c n o w a d a y s ，t h em a i nc o u r s eo fs i ca p p l i c a t i o ni st h er e s e a r c hp o w e rd e v i c e s ， e s p e c i a l l yt h em o s f e tp o w e rd e v i c e s 。b u tt h el o wc h a n n e lm o b i l i t yt h a tc a u s e db yh i 曲 i n t e r f a c es t a t e sd e n s i t yi ss t i l lt h eb i g g e s tp r o b l e m h o wt or e d u c et h ed e n s i t yi st h ef i r s tj o bt o d oi nt h es t u d yo fs i cm o sd e v i c e s t h em a i nw o r ko ft h ep a p e ri st or e d u c et h ei n t e r f a c e s t a t e sd e n s i t yb yo p t i m i z i n gt h em o st e c h n o l o g y t h ep a p e rf i r s t l yi n v e s t i g a t e st h em o st e c h n o l o g y b a s e do nt h es t a n d a r ds ip r o c e s so f t h el a b o r a t o r y ，t h eo x i d ei sg r o w no nt h e4 h s i cs u b s t r a t eb yd r yo x i d a t i o n i no r d e rt o i m p r o v et h ei n t e r f a c ep r o p e r t y ，t h ep o s t - o x i d a t i o na n n e a lm e t h o d sa r eu s e d ，i n c l u d i n gn 2a n d w e tr e - o x i d a t i o na n n e a l a ii ss e l e c t e dt oe v a p o r a t eo nt h es u b s t r a t et h r o u l s ht h em a s kt of o r m t h ee l e c t r o d e t h ep a p e ra l s ow o r k so nt h ee l e c t r o n i cc h a r a c t e r i s t i co ft h em o sc a p a c i t o rd e v i c e st h a t f a b r i c a t e da b o v e b ys t u d yo nt h e1 - vp r o p e r t y ，t h er e l i a b i l i t yo ft h eo x i d ei sc o n f i r m e d ， w h o s eb r e a k d o w nf i e l di sa sh i g i la s1 0 m v c m t h ef o w l e r n o r d h e i mt u n n e lc u r r e n tm o d u l e i sa l s oe m p l o y e dt og e tt h ei n f o r m a t i o no ft h ee n e r g yb a n d i nt h ec vt e s t ，t h ec h a r g ei nt h e o x i d ei sf i g u r e do u tb ys t u d y i n go nt h ef l a tb a n dv o l t a g eo ft h em o sc a p a c i t o r o nt h eo t h e r h a n db yu s i n gt h et e r m a nm e t h o da n dt h eh f - q sm e t h o d ，t h ed i s t r i b u t i o no fs i o z s i c i n t e r f a c es t a t e sd e n s i t yi si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e n s i t yi sr e d u c e dt o t h en u m b e rm a g n i t u d eo f1 0 1 1 e v 。1 c m 2b yo p t i m i z e dt h ep r o c e s s e so fm o sc a p a c i t o r f a b r i c a t i o n a sar e s u l to ft h es t u d yi nt h ep a p e r , i th a sb e e np r o v e dt h a tt h ee l e c t r o n i cc h a r a c t e r i s t i c o ft h em o sd e v i c e sc a nb ei m p r o v e d ，a n dt h ei n t e r f a c es t a t e sd e n s i t y 啪b er e d u c e d ，a ub v u s i n g aw e tr o a t e c h o n o l g y t h er e s u l ti ss i g n i f i c a t i v et ot h ef u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：s i c ；m o st e c h n o l o g y ；i - vp r o p e r t y ；c vp r o p e r t y ；i n t e r f a c es t a t e sd e n s i t y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：骝 日期： 型2 ：! 三：竺 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件移电子版，允许论文被查阕和借阕本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：弓獬作者签名：! 型至丝至堕 导师签名：弘霄7 导师签名：坐l 红：2 坠 h 傻塑z 年上至月竺日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 s i c 材料被称为“第三代宽带隙半导体材料”。与“第一代半导体材料( s i ) ”、“第 二代化合物半导体材料( g a a s 等) ”相比，它在高温、高频、大功率，及高辐射等极端 环境下有着更优异的性能，在航空航天、电力、军事、核能、通讯等应用领域有着更广 阔的前景。 随着s i c 单晶制备技术的成熬，对于s i c 器件，尤其是m o s 器件的研究也取得了 更多的进展。目前制约s i cm o s 器件发展的主要因素是氧化物绝缘层的可靠性较差和 反型的沟道迁移率低。因此提高器件的性能，一方面是要改进器件结构，以更好的适应 s i c 材料自身的特点，另一方面则是要深入研究器件工艺，从根本上提高氧化层的质量、 改善s i 0 2 s i c 的界面性能，进而使s i c 材料能够更好的发挥其本身的优势。 1 1 课题研究背景及意义 s i c 是i v 族化合物中唯一一种以固态形式存在的碳化物。从结晶学角度分析， 构成晶体s i 、c 两种元素每个原子都与周围的四个异种原子形成很强的离子共价键，其 原子化能值达到1 2 5 0 k j m o l 。同时s i c 又具很高的有德拜温度，达到1 2 0 0 1 4 3 0 1 0 1 ”。 这注定了s i c 将具有很强的化学稳定性和优异的力学特性。 尽管如此，s i c 晶体的层错形成能仅为2 5 m j m 2 ，因此s i c 具有同质多型的特点。 所谓“同质多型”指的是在相近的化学计量成分时具有不同的晶体结构，多型体之间的 区别仅在于s i - c 的堆垛次序不同【2 l ，这种堆垛次序的不同，以及s i c 原子层堆垛周期 也成为了区分这些多型体的标准。 s i c 晶体基本的结构包括：立方密堆积的闪锌矿结构( c u b i c ) ，六角密堆积的纤维锌 矿结构( h e x a g o n a l ) ，以及菱形结构( r h o m d o h e d r a l ) ，分别用c 、h 、r 代表。在字母前面 加上表示密排方向每一堆垛周期中s i c 层的数目来准确表达一种多型体，如3 c 、4 h 、 6 h 、1 5 r 等。图1 1 直观的给出了以上各多型结构的原予堆垛情况。 表1 1 给出了s i c 材料的三种常见多型结构以及s i 、g a a s 室温下的一些特性参数。 s i c 材料的宽禁带使得具有发射蓝光的能力。s i c 的击穿场强为s i 的1 6 倍，又因为p n 结的击穿电压正比于击穿场强的平方，因此s i c 所能够承受的击穿电压远远高于s i 。s i c 的宽禁带特性使它在高温下具有很好的稳定性，载流子不容易本征激发，所以s i c 器件 多为轻掺杂，器件的寄生电容也因此而小的多。因此虽然s i c 的载流子迁移率要小于 4 h - - s i c m o s 结构工艺与电学特性研究 豳 os i -c 一层错特征线 一s i c ( a ) 在( 1 1 互o ) 面原子的位置 圈圈阅 ( b ) 3 c - s i c( c ) 4 h - s i c ( d ) 6 h - s i c ( e ) 1 5 r - s i c 硅原子层错硅原子层错 硅原子层错 硅原子层错 图1 1s i c 多犁结构 f i g 1 1 s i cp o l y t y p e s s i ，它的频率特性仍然要比s i 器件好得多。此外，s i c 的高热导率意味着其导热性能好， 可以大大提高电路的集成度，减少冷却散热系统，从而大大减少整机的体积；同时很高 的临界移位能( 4 5 9 0 c v ) ，使它具有高的抗电磁波冲击和高的抗辐射破坏的能力，s i c 器件的抗中子能力至少是s i 器件的4 倍，这更预示了s i c 在航天领域的广泛应用前景。 目前，s i c 研究的热点之一是它在功率器件领域的应用。由于s i c 是除了s i 之外唯 一一种能够通过热氧化生长氧化绝缘膜的化合物半导体材料，这意味着它能够最大限度 的与业已成型的s i 器件工艺相兼容，而方便地制作m o s 结构器件。因此功率m o s f e t 器件在s i c 器件的应用中最为受到关注。在传统的功率m o s f e t 设计中，假设沟道电 阻因为远小于漂移层的电阻而忽略不计。在s i 器件中由于m o s 界面的性能优异，沟道 迁移率较高，这一假设得到了很好的满足。但在s i c 功率m o s f e t 中，由于s i 0 邪i c 的界面态密度较s i 要高出一到两个数量级，沟道迁移率要远低于体迁移率，进而导致 沟道电阻升高，器件性能下降。在这一背景下，如何通过改善工艺降低m o s 器件的界 面念密度就成为了s i c 材料在功率m o s f e t 应用中需要解决的首要问题。 大连理工大学硕士学位论文 表1 1 室温下s i c 及常见半导体材料的特性参数 t a b 1 1c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fs i ca n ds o m eo t h e rs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l su n d e rr o o m temperature 1 2s i c 工艺与m o s 器件研究现状 在s i c 的各种多型结构中，尤以对表1 1 中绘出的三种研究最多，随着s i c 单晶材 料技术的逐渐成熟，对s i c 工艺和器件的研究也日益增多。由于s i c 是除s i 之外唯一 一种能够形成天然氧化绝缘膜的半导体材料，所以自然有很多研究期望能够在s i 工艺 的基础上设计和制作s i cm o s 器件，来实现远优于s i 器件的性能。 ( 1 ) s i c 的掺杂 掺杂是半导体工艺中的重要环节之一，常用的掺杂方法有扩散、离子注入、以及材 料生长过程中的掺杂。对于s i c 来讲，由于其杂质扩散系数极低，需要达到2 0 0 0 以上 一3 4 h - - s i cm o s 结构工艺与电学特性研究 时s i c 中杂质的扩散系数才能和s i 中1 1 0 0 时的扩散系数相当，因此s i 工艺中的杂质 热扩散技术在s i c 工艺中并不适用。 s i c 工艺中常用的掺杂方式是离子注入法。在早期的研究中，在p 型s i c 中注入v 族元素( n 、p 、s b 、b i ) 来获得n 型掺杂可以取得令人满意的结果1 3 1 1 5 1 ，而在n 型s i c 中注入i h 族元素( b 、舢、g a 、h 、，1 1 ) 的效果则并不理想1 5 】除触之外【6 卜1 7 1 ，注入其 他元素所获得的都是高阻区，而非预先期望的p 型掺杂。在离子注入过程中，在s i c 的 表面附近会石墨化，同时，离子注入的活化率也非常低。于是通过激光或者1 0 0 0 一 1 7 0 0 c 的高温来进行重结晶退火和离子活化网。 ( 2 ) s i c 的氧化 s i 0 2 薄膜的生长可以采用的方法很多：热氧化、各种淀积方法、阳极氧化法，以及 氧离子注入氧化法等。但能够获得高质量s i 0 2 薄膜和优良界面特性的，只有热氧化工 艺。早在1 9 5 4 年，n a k a l o g a w a 就进行过s i c 高温干氧氧化的研究【8 l 。关于s i c 氧化的 更详细分析，将在下一章中详细说明。 ( 3 ) s i c 的刻蚀 在现代半导体工艺中，刻蚀技术是一道不可缺少的工序，尤其在很多特殊结构器件 的制作中发挥这重要的作用。极强的化合键使得s i c 是一种非常难于进行刻蚀的材料， 稳定的化学特性让常用的常温湿法腐蚀对它难以奏效。r m ( 反应离子刻蚀) 是常用的一 种腐蚀s i c 的方法，p a n 和s t e c k e l 曾使用s f 4 、c b r f 3 、c h f 3 ，以及氧气的混合气体对 s i c 、s i 0 2 、s i 进行了对比r i e 实验，并针对反应压强、气体组分以及等离子能量等参 数的影响进行了分析，并取得了很有指导意义的结果1 9 1 。除了r i e 之外，s h o r 等人提出 的激光辅助电化学刻蚀也是一种很好的s i c 刻蚀工艺【1 0 l 。这种方法主要是靠半导体材料 表面与电解液之间的电荷转移来实现的，因此它具有更高的刻蚀率、更好的杂质选择性， 以及更小的表面损坏，同时还能实现电学抛光的效果。但是，对优秀欧姆接触的依赖是 它没有被广泛使用的原因。 ( 4 ) s i c 的欧姆接触 半导体器件的很多性能，如开关速度、大功率特性等，往往都要受到电极材料与衬 底间欧姆接触性能的影响，所以说良好的欧姆接触是半导体材料能否发挥其特性的一个 重要约束条件。一般来说，p 型s i c 上的欧姆接触要大于n 型材料，这主要是由p 型 s i c 上的肖特基势垒高度较高引起的，因此在p 型s i c 上制作欧姆接触比较困难。目前 在s i c 的研究中常用s i c o 、m o 、t i ，以及t a 等材料代替的合金来实现欧姆接触， 这样既避免了a l 在退火时氧化和挥发带来的负面影响，同时也从表面反应上获得了更 4 一 大连理工大学硕士学位论文 好的欧姆接触效果。通常为了实现小的接触电阻会采用较高温度的退火( 8 0 0 以上) ， 但这样做会使器件结构受到更大的应力，甚至可能由于交互作用而导致器件失效i l ”。所 以，低温退火成为了近年来这方面研究的焦点。 ( 5 ) s i cm o s 器件的发展 自s u z u k i 等在3 c - s i c 衬底上制作出最早的s i cm o s r e a _ 1 2 1 ，发展到现在，在器件 的结构设计和实际的性能上已经取得了不小的进步。p l a m o u r 等人发表的在1 - s i c 衬底 上制作的增强型m o s f e t 的工作温度高达6 5 0 c t 坝。g e 公司发表的6 1 - t s i c 耗尽型 m o s f e t 在室温下的漏电流仅为5 1 0 - 1 i a ，而通态的工作电流却达到了1 6 m a 1 4 1 。在 功率器件领域，p l a m o u r 等人最早发表了基于6 h - s i c 的纵向u m o s f e t t t s l ，其所能承受 的电流密度为1 9 0 a e r a 2 。而在性能更为理想的4 h s i c 衬底上制作的u m o s f e t 更是达 到了5 5 0 a l c m 2 【1 6 l 。目前，限制s i cm o s 器件性能的主要是s i 0 2 s i c 界面的性能，因此， 在进行更多器件研究的同时，如何通过工艺改良来改善s i 0 2 s i c 界面特性成为了s i c 研 究的重要课题。 1 3 本文要解决的主要问题 在本文所进行的工作中，确定一套完整、合理的m o s 工艺流程，是完成本文研究 的基础；通过优化工艺降低界面态密度，是本文研究的目标；通过电学参数测试，充分 分析m o s 器件的各项重要指标，是评价本文研究的手段。 1 4 研究内容和章节安排 s i cm o s 工艺的研究是当今s i c 材料在微电子领域应用的重要内容，也是在s i c 器 件，特别是功率器件研究中取得突破的基础。目前，国际上对于s i cm o s 工艺的研究 很多，但却没有得出一个标准的工艺流程，获得的参数差异也比较大。国内针对s i cm o s 工艺的研究更是不多。本文是国家9 7 3 前期专项项目“新一代半导体s i c 材料与器件基 础问题”( 2 0 0 5 c c 枷1 0 0 ) 的部分工作，选取s i cm o s 工艺作为突破口，针对校内的实 验条件，力求合理运用资源，总结出能够获得性能优异的s i o z s i c 界面的工艺流程，进 而为后续迸行的器件研究工作打好基础。 本文在第2 章中总结了s i 0 2 s i c 界面研究中的一些理论基础；在第3 章中介绍了本 文m o s 器件制作的工艺，以及遇到的问题；在第4 章中详细分析了对m o s 电容器件 进行电学参数测试的情况；在第5 章中着重分析了s i 0 2 s i c 界面的界面态密度分布情况， 并进行了界面结构的初步分析。 4 h - - s i c d o s 结构工艺与电学特性研究 通过全文的工作，本文确定了在s i cm o s 结构工艺中采取湿氧二次氧化退火的方 法能够有效地改善s i 0 2 s i c 界面的性能。所获得的器件氧化绝缘层可靠性理想，界面态 密度也有明显的降低，为进一步的器件研究打下了基础。 6 大连理工大学硕士学位论文 2s i cm o s 结构基本原理 2 1 氧化动力学分析 s i c 的氧化通常在干氧和湿氧环境中进行，式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 分别给出了这两种条件下 的反应方程式。 2 s i c + 3 0 2 = 2 s i 0 2 + 2 c o ( 2 1 ) s i c + 3 h 2 0 - s i 0 2 + 3 h 2 + c o ( 2 2 ) 外环境近界面区氧化物中扩散界面反应区 ：。，。，+ 。，；，。：j 0 2 ( h 2 0 ) - - - - - + ， 0 2 0 t 2 0 ) - - + c o c o p 一! 一 图2 1s i c 氧化过程 f i g 2 1 o x i d a t i o no fs i c 如图2 1 所示，s i c 的氧化可理解为以下过程： ( 1 ) 氧分子向氧化层表面的运输； ( 2 ) 氧分子通过氧化层向反应界面处扩散； ( 3 ) 在界面处，碳化硅与氧分子的反应； ( 4 ) 反应生成气体( c o 等) 透过氧化层向外部扩散； ( 5 ) 反应生成气体在氧化层表面处散失。 s i o z s i c 界面本身的特性，使得氧化所产生的界面念都是受主性的【1 ”，这点在m o s 样品的平带电压变化上也可以充分显示出来。对于p 型s i c 来讲，平带电压是一个负电 压值，这一方面由界面处的固定电荷引起，另一方面则是由于费米能级在禁带中较低的 位置使得只有少数的界面陷阱被占据，而在整体上表现出受主的特性。对于n 型s i c 则 恰恰相反，费米能级的位置靠近导带底且俘获了大量的电子，这一负电性的带电陷阱补 4 h - - s i cm o s 结构工艺与电学特性研究 偿了正电性的固定电荷，而使平带电压的平移接近于0 。以上的热氧化过程在栅绝缘膜 的生长中被广泛地研究和应用。当然，要获得界面性能优异的s i 0 2 绝缘膜还需要在此 基础上对工艺进行优化。 s i c 的氧化动力学过程可以像s i 一样用式( 2 3 ) 给出的d e a l g r o v e 模型来描述： x 0 2 + a x o = b ( t + t ) ( 2 3 ) 式中x o 表示氧化层的厚度，b 是平方率常数，b a 是线性率常数，t 是氧化的时间，t 是与初始氧化物状态有关的常量。平方率常数由氧化剂在氧化物中的扩散决定，而线性 率则由氧化反应本身决定，表2 1 给出了b 和b a 在表述s i 和s i c 氧化过程时的活化 能值【1 8 1 1 1 9 1 。线性率常数上的s i c 要大于s i ，这个差距刚好体现了s i c 与s i - - s i 键能 上的差距( 分别是1 0 1l d m o l 与1 6 6k j m 0 1 ) ；平方率上的差距则表现出了s i c 反应物扩 散的复杂性。 表2 1s i 与s i c 不同氧化工艺下，d e a l - g r o v e 模型 线性率( b a ) 和平方率( b ) 常数的活化能值 f i g 2 1 a c t i v a t i o ne n e r g i e so ft h el i n e a r ( b a ) a n dp a r a b o l i c0 3 ) r a t ec o n s t a n t s f o rv a r i o u so x i d a t i o np r o c e s s e so fs ia n ds i c 2 2s i 0 2 s j c 界面态成因分析 s i cm o s 工艺研究的核心目标就是要降低s i 0 2 s i c 系统的界面态密度，进而提高 s i cm o s 器件的电学性能。要对工艺进行合理的改进，就必须深入了解界面态的存在形 式和影响电学性能的原理。 以s i 为主要研究对象的传统m o s 理论认为，界面态产生的主要原因是由衬底与氧 化物之间晶格的不匹配所产生的悬挂键。s i c 衬底表面的原子密度比s i 大，所以在s i o ： s i c 界面所产生的悬挂键自然也就要高于s i 。但事实上这并不是s i 0 2 j s i c 界面态如此之 8 大连理工大学硕士学位论文 高的主要原因。因为与s i 相比，s i c 作为一种化合物材料在氧化过程中所发生的反应要 复杂的多，s i 0 2 s i c 界面的结构也要复杂的多。 c 元素的存在，是造成高界面态的一个主要原因。在氧化过程中，一方面，由于在 高温条件下s i c 材料表面的c 原子会形成类似石墨的结构( g r a p h i t 1 i k e ) ，这种结构在 氧化过程中很难被完全氧化掉，近而留在了界面处形成界面态；另一方面，由于c 原子 在氧化过程中不能被完全氧化或者作为氧化产物的c o 不能及时从界面处扩散到氧化层 外而在界面处形成了很多不饱和c 原子，这些以s p 2 键形式存在的不饱和c 原子是界面 态的另外一个组成部分。以上两种形式存在的c 原子，构成了在学界讨论颇多的“c a l b o l l c l u s t e r ”圆l 。 另外，通过热氧化方式生长的氧化绝缘层本身存在一定的缺陷。在s i 材料体系中， 这些缺陷在s i 0 2 禁带中的位置处在s i 的导带之中，并不对界面造成影响，所以人们往 往忽略了它们的存在。但在s i c 体系中，由于其导带底相对s i 0 2 导带底的位置要高于 s i ，而使这些缺陷处在了s i c 的禁带中，虽然它们不属于直接在s i c 表面起作用的“快 界面态”，但这种近界面的缺陷也会对界面态造成相当大的影响。 图2 2 1 2 0 】给出了由以上原因产生的界面态在能带中的分布情况。图中横坐标给出的 是相对于s i 0 2 导带底的能级位置，s i 、4 h s i c 、6 h s i c 禁带的相对位置也在图中用虚 t l 3 ko l k 1e “s i l e v ( s i c e c ( 6 h s i c ) e c ( 4 h l1 s c ) l s p l - b o n d c d p ；| 。、i。一。 g r a p h i t e _ l i k e ，l 。卜o 。，b e “, g r a p h i t g ) o x i d c 咖9 1 7 , g ( 4 h s i c ) 膳e ( s i ) ；。 01234 5 6 e n e r g y ( 啪 图2 2s i 0 2 s i c 各界面态成分在能带中的分布 f i g 2 2e n e r g yd i s t r i b u t i o no fv a r i e ds o u r c ei n t e r f a c es t a t e si ns i 0 2 s i c 1 0 ， 0 ， o 一望，董墨山暑，上芑jjsz山o 4 h - - s i cm o s 结构工艺与电学特性研究 线做了相应的标注。 2 3 关于提高s i 0 s i c 界面性能的研究 获得更加理想的界面参数是s i cm o s 工艺研究的出发点，也是最终的目标。为了 达到这一目标，不同的研究机构给出了不同的方案，从根本上讲，一方面是从材料本身 出发的研究，另一方面是对氧化工艺的优化。 2 3 1 基于材料研究的解决方案 s i c 像其他半导体材料一样具有各向特异性，在进行s i 的m o s 工艺研究时，我们 发现在( 1 1 1 ) 面制作m o s 器件具有最大的界面态密度，而( 0 0 1 ) 晶面上则会获得最小值。 产生这样结果的主要原因是不同晶面上的原子面密度不同，制作m o s 器件所产生的界 面态密度自然也会有所不同。在s i c 中也存在着类似的问题，只不过s i c 是六方晶体， 较之s i 的立方晶体结构，晶面的定义略有不同。为了直观地说明s i c 中各个晶面的原 予密度情况，图2 3 给出了六方晶系晶面与立方晶系晶面的映射关系。从这个思路出发， 在材料的选择上，选择合适的晶面能够降低界面态密度。 ( 0 0 0 1 ) 面( 1 1 面) 面( 0 3 ；s ) n 固厕凰湖。 圃 ( 1 1 1 ) 面( 1 1 0 ) 面( 0 0 1 ) 面 图2 3 六方晶系下( o 0 0 1 ) 、( 1 1 2 0 ) 、( 0 3 3 8 ) 晶面与立方晶系下晶面之间的对应关系 f i g 2 3d i a g r a m o f ( 0 0 0 1 ) ，( 1 1 2 0 ) ，( 0 3 3 8 ) f a c e i n h e x a g o n a l a n dc o m p a r ew i t ht h ec u b i cs t r u c t u r e 大连理工大学硕士学位论文 通过对分别在( o 0 0 1 ) 、( 1 1 2 0 ) 、( 0 3 盈) 晶面上制作的s i cm o s 电容样品进行高频 c - v 测量( 如图2 5 【2 1 1 ) 可以发现，由慢界面态引起的“回滞”现象随着所选晶面原子密 图2 4 在各种品面上制作的m o s 电容在1 0 0 k 和3 0 0 k 时的高频c - v 曲线 f i g 2 4 h fc - vc u n t eo fm o sc a p a c i t o rf a b r i c a t e do l lv a r i e df a c e 丢 印 丢 疗 e c t 芒 e v ) 圈2 5 利朋电导法测颦并计算出的不同晶面的界面态密度分布 f i g 2 5 d i s t r i b u t i o no fi n t e r f a c es t a t ed e n s i t yo nv a r i e ds u r f a c em e a s u r e di nc o n d u c t a n c em e t h o d ，啦oo ，o 4 h - - s i cm o s 结构工艺与电学特性研究 度的降低而逐渐减弱【2 1 1 1 2 2 1 。 图2 5 【2 3 j 给出的界面态密度分布对比则更加清楚地说明了选择不同原子密度的晶面 制作m o s 电容对降低界面态密度的作用。在其他的一些文献中【2 4 l + 嘲，通过制作三种晶 面材料的m o s f e t 器件，并测量有效的沟道迁移率，发现在( 0 3 3 8 ) 晶面上制作的器件 的沟道迁移率最大1 2 1 1 1 2 4 ，达到了在( 1 压o ) 晶面上制作的器件的2 倍【捌，而事实上在 ( 1 1 2 0 ) 晶面制作的器件的沟道迁移率已经达到了在( o 0 0 1 ) 晶面上制作的器件的5 倍【2 7 l 。 2 3 2 通过不同退火工艺实现界面性能的提升 在s i 工艺中，也存在着氧化后热处理的工艺，其原理主要是通过将氧化后的材料 在h 2 或a r 、h e 等惰性气体的气氛中进行退火，通过使界面处的原子在高温下进行重结 晶来达到减少悬挂键和扭曲键，进而降低界面态密度的目的。但在s i c 工艺中，由于悬 挂键不再是产生界面态的主要原因，所以以上的方法对于降低界面态密度的作用并不明 显，于是采用一些特殊的退火工艺来实现降低界面态密度的目的，成为单元工艺改进的 一个重要的研究方向。 ( 1 ) 二次氧化退火( r o a ) 工艺 所谓二次氧化退火是指在正常的氧化过程结束之后，在保护气中保持原温度或稍微 降低( 升高) 温度，随后再通入氧气进行第二次氧化。在对s i c 进行二次氧化退火时，实 际上是在进行着两种氧化过程：一方面，r o a 是一个氧化已有的氧化层中没有被完全 图2 6 热氧化与不同温度r o a 的侧剖面示意图 f i g 2 6 c r o s ss e m t i o no f s a m p l e sw i t hw e tr o au n d e rv a r i e dt e m p e r a t u r e s 大连理工大学硕士学位论文 氧化的c 的过程；另一方面，r o a 还是一个在界面处进一步氧化s i c 的过程。有实验 表明【硐，在较低温度时前者占主导，而在较高温度时则是后者占据主导，图2 6 i 驯是在 不同温度下进行r o a 得到的氧化层，经过氢氟酸腐蚀后的界面比较示意图。因此实际 操作中的温度选择大都在9 0 0 9 5 0 之间。 另外，还有研究表明，较低温度的湿氧r o a 可以有效地减少氧化层中的固定电荷 【硐，通过控制氧气中水蒸气的含量能够更好的实现这个目的；而较低温度的干氧r o a 则除了能够氧化存在于氧化层中的碳之外，在界面上进行进一步的氧化则更加明显【2 s j 。 ( 2 ) 氮氧化物退火 在另外一些研究中，提出了使用氮氧化物进行退火处理来降低界面态密度也能够获 得很好的效果。实验表明，利用n o 、n 0 2 或n 2 0 等氮氧化物作为退火环境气体，n 原 子可以进入界面处与未成键的硅原子形成很强的n = s i 键从而大大的减少悬挂键和扭曲 键【2 9 l f 3 0 j ，与简单的重结晶相比，这种处理方法似乎更为主动。氮氧化物退火的优点还不 仅如此，在n 原子与s i 原子结合的同时，o 原子还会与界面处的c 原子结合，有效地 减少了界面处的碳原子团的存在i ”】【删。在参考文献【3 7 】中同时还指出，n o 对于减少氧 化物的近界面缺陷有较明显的作用，而n 2 0 则在消除界面碳原子团的效果更好。 在最近的研究中，n 2 0 得到了更多的重视，这是因为在一定的温度下它能够发生反 应，分解为n 2 、0 2 、n o ，这样在进行氮化的同时还能够像上一小节中那样进行一个二 次氧化的过程。所以用n 2 0 进行退火可以获得更好的效果。 p ， ， 一 q 蟹e 图2 7 不同温度下n 2 0 退火处理得剑的样品界面态在禁带中的分布 f i g 2 3 d i s l f i b u f i o no fi n 豫c f a c es t a l cd e n s i t yw i t hn 2 0a 仰e a h n gu n d e rv a r i e dt c m p c m m r 龉 4 h - - s i cm o s 结构工艺与电学特性研究 在进行n 2 0 退火的时候另外一个很重要的因素就是退火温度的选择：温度过低的 话，氮氧化物的活性不能充分发挥；温度过高的话，则会引起在界面处的进一步氧化。 经过实验【墙i ，发现退火温度在9 0 0 1 0 0 0 c 时氮化和除碳的反应占主流，而1 0 ( 3 0 1 1 0 0 c 时，则会主要进行进一步的氧化，而图2 7 【1 8 l 则显示了不同温度的界面态情况，可以发 现最佳的退火温度是1 0 0 0 。 讨论n 2 0 在s i c 氧化工艺中的应用的时候，还有很多关于如何直接利用它的氧化性 来进行氧化的资料1 3 1 1 1 3 2 ，首先要考虑的是反应的温度和l q 2 0 的浓度问题。在文献【3 2 1 中，还对各种晶面的情况作了比较，得出的结论是对于原子面密度较低的晶面，这种工 艺的效果并不明显。 一1 4 大连理工大学硕士学位论文 3s icm o s 结构工艺 m o s 工艺是半导体技术中的关键工艺，是众多分立器件和集成电路实现的基础。 目前，对于s i c 的m o s 工艺，国际上还没有一个公认标准工艺，但几乎所有的研究都 表明，要在s i c 衬底上获得性能优异的m o s 器件，就必须对标准的硅工艺进行优化修 改，这一点在上一章中已经有了相应的说明。 本文中所采用的衬底材料是美国c r e e 公司生产的研究级n 型4 h s i c 晶圆，产品 编号为w 4 n r f m c - s d s 2 ，衬底晶向为( 0 0 0 1 ) 偏向( 1 1 2 0 ) 方向4 。，外延层厚度为5 9 m ， 掺杂浓度为n d = 5 1 0 廿c n l - 3 。制备的m o s 电容器件的具体工艺流程如图3 1 所示。 3 1 氧化前预处理 图3 , 1m o s 电容器件制作1 ：= 艺流程 f i g 3 1 p r o c e s so fm o s c a p a c i t o rf a b r i c a t i o n 3 1 1 衬底清洗 在入炉氧化之前，必须要对衬底进行清洗。本文中采用的是实验室的标准湿法清洗 流程，具体方法如图3 2 所示。其中，1 号清洗液为h 2 0 、h 2 0 2 、氨水的混合液体，三 者的比例为5 ：1 ：1 ；2 号清洗液为h 2 0 、h 2 0 2 、h c i 的混合液体，三者的比例为6 ：1 ： 1 ；b h f 为缓冲氟化氢溶液。 通过这一清洗过程，可以去掉衬底表面的沾污，同时在一定程度上降低了衬底表面 的粗糙度i ”j 。但这一清洗流程对于改善衬底表面的缺陷和c 原子的效果却并不明显。这 也正是很多研究专注于表面处理技术的原因。 4 h - - s i cm o s 结构工艺与电学特性研究 去离子水超声清洗 上 浓硫酸清洗，加热至冒烟，煮 1 0 分钟，随后浸泡3 0 分钟左右 上 去离子水冲洗表面数遗 上 1 号清洗液水浴浸泡；b h f 清洗；去离子水冲洗表面数遍 l 上 1 号清洗液8 0 c * 浴浸泡；b h f 清洗；去离子水冲洗表面数遍 上 【红外灯烘干】 图3 2 衬底清洗流程 f i g 3 2 p r o c e s so fs u b s t r a t ed e a n 3 1 2 其他表面处理方法 在本文中，利用本课题组关于氢等离子体表面处理技术研究的一部分结论和工艺， 在制作m o s 电容时进行了对比实验，以研究这种表面处理技术对于s i 0 2 s i c 界面性能 的影响。 3 2 氧化工艺