介质/碳化硅界面调控的机理与方法研究

SiC功率器件特别适合于高压、大电流、高温和高辐射等恶劣环境，器件性能及可靠性需求对SiC器件的介质材料及介质/SiC界面质量也提出更加苛刻的要求；为实现高击穿、高可靠的钝化保护，高可靠、高迁移率MOSFET器件，介质/SiC界面是关键。本项目拟针对SiC表面属性，结合主要界面态来源，研究等离子N化、UV光照等方法清洁、钝化表面；研究ALD低损伤、高质量沉积新型高介电材料，以及层叠介质结构，探索提高抗击穿和可靠性的新方法；研究介质后退火有效降低界面态，提高沟道迁移率的技术途径；以及多种调控方法组合，研究低界面态、高质量、高可靠介质层的调控机理与方法，实现界面态密度<3E11cm-2oeV-1，MOS沟道迁移率>120cm2/(Vos)，为SiC新器件（MOS/MISFET，IGBT）和新传感应用器件的研制提供理论支持和技术保障，具有重要的研究和经济价值。

介质/碳化硅（SiC）界面质量直接影响SiC MOS结构沟道载流子迁移率、阈值电压稳定性和可靠性，是实现SiC MOSFET、IGBT器件的关键，对介质/SiC界面调控机理与方法研究，认清介质/SiC界面态来源物理机制，针对性地开发高质量介质和界面的SiC MOS结构，对于研制高性能、高可靠SiC功率开关器件具有重要理论和应用价值。在自然基金资助下，开展的主要研究内容和研究结果如下：1）开展了SiC MOS结构栅氧界面态产生机理理论研究，SiC氧化过程中界面处C原子堆积以及氧化物介质缺陷的电荷陷阱是介质/SiC界面态的主要来源，确定了以开发替代栅介质处理以及氮化后处理的研究方向；2）开展了高介电常数栅介质材料Al2O3的介质/SiC界面及SiC MOS结构特性研究，研究不同退火条件对Al2O3介质的及SiC MIS结构特性影响，结合XPS、C-V等分析技术研究介质/SiC界面的原子结合态和界面态的来源，发现介质材料中缺陷是造成介质/SiC MOS结构界面态的主要原因；3）开展栅氧化介质/SiC界面的氧化后氮化退火（POA）工艺研究，结合先进工业级专用SiC氧化设备，开发SiC氧化工艺、NO氮化及FGA（Forming Gas退火）工艺，并结合I-V、C-V、低温电导法等表征手段对界面态及界面电荷陷阱的分布进行研究，发现NO氮化能够有效钝化界面的氧化后碳残留，降低介质/SiC界面态，降低栅氧介质中电荷陷阱密度，有助于沟道电荷迁移率提升，同时结合低温测试发现界面处仍有较高密度的快界面态存在，是限制沟道电荷迁移率进一步提升的主要障碍，此部分成果与国际最新报道的结论一致；此外，研究发现FGA退火能进一步钝化介质中独立悬挂缺陷能态，能够进一步提高介质/界面质量，抑制SiC MOS结构的平带电压漂移，同时也开展了介质/SiC界面的可靠性机理与试验研究。介质/SiC界面调控的机理与方法研究促进了对SiC MOS界面态的物理产生来源认知，以及调控方法的作用机制，为开发高质量介质/SiC MOS结构和SiC功率器件造就坚实的理论基础和技术支撑。本基金相关研究成果发表在中国物理、Materials Forum等EI/SCI期刊以及2014年欧洲碳化硅相关材料国际会议（ECSCRM）上，与企业的联合攻关促进了介质/SiC界面调控技术研发和高质量SiC功率器件研发。