SiC-MOS结构的电特性及其辐照效应

1、精选优质文档-倾情为你奉上第七章 SiC MOS结构的电特性及其辐照效应为了使SiC MOS器件能够在高辐照环境下正常工作，栅氧化层必须具有高的击穿电场，低的漏电流，低的氧化物电荷和界面态电荷。对于SiC MOS电容的电特性研究已有一些报道7.2。在早期的研究中，所使用SiC样品中缺陷密度较大，SiC MOS C-V特性几乎看不到电容的变化，随着SiC衬底质量的提高，SiC MOS C-V曲线显示了令人满意的积累，耗尽和深耗尽区域，这为研究SiC MOS结构的辐照特性提供了条件。为了研制出能够在高辐照环境下工作的SiC MOS器件，首先就必须对SiC MOS结构能够承受辐照的能力有一个具体数量

2、上的认识。已有文献分析了Co60辐照对SiC MOS结构的影响7.47.7，结果表明：3C-SiC MOSFET应能承受10Kgy(SiO2)的辐照剂量，但是直至目前为至，辐照对6H-SiC MOS结构电参数影响及其退火特性的研究还没有人进行过。本章通过对制备的SiC MOS C-V特性和漏电流进行系统的电学测量，分析了其电学特性及界面质量。接着测量了在不同辐照偏压下6H-SiC MOS电容C-V特性随辐照剂量的变化，分析了栅偏压对SiC MOS电容平带电压漂移的影响，并研究了SiC MOS电容的辐照退火特性。7.1 SiC MOS结构的I-V特性实验所采用的样品是在n型6H-SiC衬底上制作

3、的MOS电容，SiC衬底来自Cree Research，掺杂浓度为1.11016/cm3，将衬底在1100的温度下热氧化2小时，估计可生长氧化层厚度为30nm，然后在氧化层上蒸Al，并刻出图形。单个MOS电容的图形为园形，直径为515m。为了便于测试，最后对样品进行了封装。对SiC MOS电容氧化层漏电流的分析可通过IV测量来进行，在Al栅电极和衬底n型SiC之间加上正电压，那么，电子就会由n型SiC中向氧化层中发射。室温下，一般在电场较低时，是其他漏电机制决定着氧化层电流的大小，而在电场较高时，电流会呈指数增加，Fowler-Nordheim隧穿电流起主要作用。隧道发射是被陷电子经场致电离进

4、入导带或电子从金属费米能级隧穿到绝缘体导带所致，隧道发射与外电压有着强烈的关系。如果电场再进一步升高，到一定程度时，就会引起氧化层击穿。图7.1为6H-SiC MOS电容在室温下测量的IV特性曲线。 测量是在HP4156B 半导体参数测试仪上进行的。在测量中，氧化层电压由0V变化到30V，或者说电场近似由0MV/cm变化到10MV/cm，没有发现氧化层击穿，由于这时漏电流较大再加上测量仪器的限制，SiC MOS氧化层的击穿特性没有得到。根据文献7.27.3，在氧化层厚度为60nm时，6H-SiC MOS结构氧化层的击穿电场为211MV/cm不等。对于Si MOS电容来说，氧化层的本征击穿电场为

5、10MV/cm30MV/cm。SiC 氧化层的击穿电场普遍低于Si的氧化层，这是由于SiC生长SiO2时，同时形成的CO要穿过SiO2向外扩散，会影响界面质量。另外，对于 SiC MOS氧化层的研究现在一般采用Al栅，温度升高，Al容易穿透SiO2层，引起电容过早击穿。若采用多晶硅栅，将会改善SiC/SiO2界面的质量，因为相对Al栅而言，多晶硅栅的离子沾污少，所以能够稳定。图7.1 SiC MOS电容电流电压特性在SiO2层的导电机制中，Fowler-Nordheim隧穿机制尤为重要，它可用下式来表示7.17.3： (7-1)其中：，J为氧化层漏电流密度，E是电场，h是普朗克常数，为氧化层和

6、n型6H-SiC之间的势垒高度，是氧化层内电子有效质量，对于6H-SiC和4H-SiC来说，m0为电子静止质量。从式(7-1)可以看出，当Fowler-Nordheim机理占主导地位时，和应成线性关系，斜率K为： (7-2)和在电场为5MV/cm和10MV/cm之间的线性关系如图7.2所示：图7.2 n型6H-SiC MOS电容1/E和ln(J/E2)的关系 由图7.2可以看出，当栅氧化层电场大于8.5MV/cm时，Fowler-Nordheim隧道电流在SiC栅氧化层的漏电流中起主导作用。由测量数据可知，和之间的斜率为-3.3107V/cm，由(7.2)式可得，为0.83eV，这个值与文献7

7、.3报道的在SiC (0001)面上氧化的MOS二极管的测量值相比较小，这是由于在SiC/SiO2界面上存在深能级，隧道电流可以借助于这些深能级而穿过氧化层，因而正是这些缺陷能级降低了SiC衬底和氧化层之间的势垒高度。7.2 SiC MOS电容的C-V分析图7.3是对SiC MOS电容样品测量的高频C-V曲线。在测量中，偏压扫描速率为0.1V/s，信号频率为1MHz。电压从积累区扫描到深耗尽区，再扫回积累区。正扫曲线和反扫曲线在耗尽区表现微小迟滞，这是由于在SiC/SiO2界面附近存在着时间常数较大密度的陷阱，当电压从负偏压向正电压方向扫描时，陷阱中的正电荷还很多，所以C-V关系表现为沿图7.

8、2中的左边曲线上升。随着栅偏压增大，栅极上的正偏压形成的电场有利于SiC/SiO2界面处的电子从SiC一侧向SiO2中注入，注入的电子填充陷阱后使其带负电，C-V特性向正电压方向平移，故C-V关系表现为沿图7.2中的右边曲线下降。根据(7.3)式可以得到有效固定电荷密度（包括不随温度和偏压改变的界面附近的氧化层正电荷、界面态电荷和可动离子等）：图7.3 6H-SiC MOS电容室温高频C-V特性 (7-3)其中：为氧化层厚度，为氧化层的相对介电常数，为SiC/SiO2界面有效固定电荷密度，为平带电压，为金属和SiC的功函数差。 (7-4) 金属Al的功函数为4.2eV，6H-SiC的亲和能为3

9、.8eV，对于掺杂1.11016/cm3的n型6H-SiC来说，为0.185eV。根据所测量的C-V特性，样品的平带电压为0.25eV。利用式(7-3)求得SiC/SiO2界面有效固定电荷密度为：7.1851011/cm2，电荷为负。这是因为对于n型SiC MOS电容，费米能级在导带附近，大多数界面态被电子占据，因此界面态表现为负，从而导致总的有效固定电荷为负。7.3 辐照对SiC MOS电容的影响对以上SiC MOS电容进行辐照实验，在辐照过程中，实验样品分别加上偏压10V，5V，-5V和-10V，辐照剂量率为62.5rad(Si)/s。本实验是在西北核技术研究所的Co源上进行的。在不同的辐

10、照剂量下对不同辐照栅压的SiC MOS电容C-V特性分别进行测量，其结果如图7.4图7.5所示。把图7.4图7.5综合起来进行考虑，可以看出：（1）电离辐照引起了SiC MOS电容的C-V曲线向负电压方向漂移，这是由于在氧化层中引入了正的空间电荷。（2）电离辐照还可以使高频C-V曲线出现畸变，这归因于在SiC/SiO2界面引入了新的界面态7.57.8。图7.4 10V偏压下，辐照对6H-SiC MOS电容的影响图7.5 5V偏压下，辐照对6H-SiC MOS电容的影响图7.6 -5V偏压下，辐照对SiC MOS电容的影响图7.7 -10V偏压下，辐照对SiC MOS电容的影响在图7.5和图7.

11、6中，可以观察到在C-V曲线上出现一段平台的异常现象，这是由于在SiC MOS电容样品制作过程中引入的界面陷阱所致，这种界面陷阱发射或俘获电子的速率和栅电压变化的速率相等，界面陷阱中的电荷会屏蔽从栅极到SiC衬底之间的电场，使得耗尽层中的电场保持不变，这样，耗尽层厚度不随栅压而变，电容也不随栅压而变化。图7.8 不同栅偏压下辐照下的SiC MOS电容平带电压漂移图7.8为在不同辐照剂量下，栅偏压对SiC MOS电容平带电压的影响，从图中可以看出，辐照偏压对SiC MOS电容的辐照特性影响很大。在正栅偏压下，辐照产生的正空间电荷主要位于SiC/SiO2界面附近，离SiC表面很近，这必然显著影响S

12、iC表面的特性，引起较大的C-V特性变化。当栅偏压加负电压且正好和金属半导体功函数差相等时，SiO2层中的电场为0，辐照产生的电子空穴对会大量复合，只有界面附近的电子才能离开SiO2层，少量的空穴被俘获于SiC/SiO2界面附近，从而使得辐照对SiC表面的影响大大减小。在我们的实验中，偏压-5V最接近于这一点，所以在这个偏压下，电离辐照对SiC MOS电容的影响较小。当负栅偏压继续加大时，尽管在Al/SiO2界面附近会俘获正电荷，但离SiC表面相对较远，因此负栅偏压的作用会有所降低。但当负栅压进一步增大且辐照剂量较大时，在Al/SiO2界面附近会俘获大量的正电荷，这还是可以引起较大的MOS C

13、-V特性变化。平带电压漂移可以很直观的反映MOS电容的电离辐照特性。图7.9示出了在10V偏压辐照下，SiC MOS电容和Si MOS电容平带电压漂移与辐照累积剂量的关系，其中CE，CK，CI，CG，CH，CL，CF，CJ分别为用不同的工艺制作的Si MOS电容7.5。由图中可以看出，SiC MOS电容的抗辐照特性比抗辐照特性最好的Si MOS电容CJ还要好。在1Mrad(Si)的辐照剂量下， SiC MOS的平带电压漂移仅为-1.5，这说明了SiC材料不仅自身具有好的抗辐照特性，SiC MOS结构同样具有优于Si MOS结构的抗辐照性能。图7.9 10V偏压辐照下，Si和SiC平带电压漂移与

14、辐照剂量的关系7.4 SiC MOS电容的辐照退火特性 MOS器件的电离辐照效应存在着和时间相关的退火过程。图7.10是辐照后的SiC MOS电容样品在0栅偏压，室温下的退火曲线，由图中可以看出，不管辐照后MOS电容平带电压的漂移有多大，在中止辐照后MOS电容的特性都呈恢复趋势，平带电压漂移的恢复最大可达1.5V。对于SiC MOS电容，在0栅压和室温下，一般需要24小时就可使MOS电容的特性稳定下来，但是退火并没有使MOS电容还原到辐照前的状态，说明退火只能使部分辐照损伤得到恢复，这是因为室温下退火只能使俘获的正电荷暂时得到补偿7.6，剩下的辐照缺陷需要更高的退火温度才能消除。图10 SiC MOS电容辐照后的退火特性7.5 小结 本章对在n型6H-SiC上制备的SiC MOS结构进行了电学分析，包括其I-V特性和C-V特性。分析结果表明，在氧化层电场较高时是Fowler-Nordheim隧穿电流决定着SiC MOS结构的漏电流，实验样品的有效固定电荷密度的计算值为7.1851011/cm2，电荷表现为负。在此基础上，对不同的栅偏压和不同的电离辐照剂量下SiC MOS电容样品的