关键词：SiC金属氧化物半导体(MOS)器件；零时击穿(TZDB)；与时间有关的击穿TDDB)；干氧氧化；可靠性

0 引言

碳化硅(SiC)作为第三代半导体，是唯一能够直接通过热氧氧化生长二氧化硅(SiO2)的宽禁带半导体[1]，这一特性使SiC器件工艺和设备都与硅(Si)器件有很强的兼容性，从而使SiC借鉴Si工艺制作金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS-FET)成为可能。SiC材料相比Si材料有更高的击穿场强、更高的载流子饱和速度和更高的热导率，使SiC电力电子器件相比Si的同类器件具有关断电压高、导通电阻小、开关频率高、效率高和高温性能好等特点[2-3]。但由于材料禁带宽、Si一C键能大以及C元素的影响，SiC与Si相比在同等条件下的氧化速率远低于Si的热氧化速率[4]。并且，相比于Si，SiC的氧化过程更为复杂。通常，4H-SiC(0001)的氧化在干氧环境中进行的反应方程式为[5]

但是，实际的氧化过程也会伴随着其他副反应发生。比如，当实际中的氧化温度比理想的温度低时，SiC和02会发生反应不完全的现象，主要是C的残留，反应方程式为[5]

若氧化温度过高，会生成易挥发的SiO，从而在SiO2层中引入氧空位缺陷，反应方程式为[5]

因此，要使得到的SiO2薄膜缺陷较少，必须合理控制氧化温度，找出折中的温度值。当前，为了制造出性能优良的栅氧介质层，许多研究小组更倾向于开发高温氧化工艺。这是由于SiCMOS栅氧的主要缺陷来源于低温下形成的C缺陷，而高温下存在较高的激活能更有利于COx的释放[6]。H.Kurimoto等人[7]也曾报道过当氧化温度较低时，随着氧化温度的上升，界面处C簇减少，缺陷随之减小；而当氧化温度过高时，由于反应生成了CO以及SiO2的蒸发，使SiO2的流动能力增加，SiC颗粒的棱角处氧化层变薄，使SiO2保护膜致密性降低，容易形成缺陷[8]。

鉴于此，本文在1200~1550°C之间选择5种干氧氧化温度，通过对SiC MOS电容进行零时击 (time-zero dielectric breakdown, TZDB) 和 与时间有的 击 (time-dependent dielectric break-down，TDDB)测试，对比评估在5种不同温度下进行高温干氧氧化的SiCMOS栅氧可靠性，并对测试结果进行分析计算，给出了不同温度下5组样品的可靠性评价。

1 氧化实验

实验采用n型4H-SiC(0001)偏4°的衬底材料，电阻率为0.02Ω·cm。外延层的生长厚度为12 um，掺杂浓度为8x101 cm-3。SiC样品先经过标准RCA清洗并经过HF溶液去除自然氧化层。随后在SiC高温氧化炉中选定在1200，1250，1350，1450和1550 °C5种氧化温度下分别进行干氧氧化，氧化实验条件见表1。表中θ为退火温度，qv为氧气体积流量，t0为氧化时间，d0x为氧化层厚度。

最后，5组样品分别在正面和背面溅射厚度为200 nm的铝(Al)电极，从而完成SiC MOS电容的制作。其中，SiCMOS电容的结构和制作工艺流程如图1所示。

图2为4H-SiCMOS电容的版图。在该版图中，圆的直径依次为300，250，200，150，100,80和 50 pm。随后，通过使用Keithley 4200-SCS半导体特征分析仪和Lake Shore ModelTTPX探针台在常温下进行TZDB和TDDB 测试来表征不同温度的高温氧化工艺对 SiO2介质可靠性的影响[9]。测试时，信号输入探针主要扎在直径80um的电容圆内。

2 结果与分析

SiC MOS栅氧化层的抗击穿特性直接影响器件的性能及其可靠性。本文主要考虑两种类型的击穿:一种是TZDB，即加上一定的电压后瞬时发生的击穿;其次是TDDB，即加上略小于TZDB情况时的电压后需要经过一段时间才发生的击穿。后者所加电压值需要在实验中进行具体调试来确定。

2.1 TZDB数据分析

本文通过击穿电场和势垒高度两个重要参数来描述氧化膜的 TZDB特性。在不同干氧氧化温度下，通过I-V曲线的测试得到栅氧化层的击穿场强，并通过分析Fowler-Nordheim(F-N)击穿模型得到栅氧化层的势垒高度。

图3为利用I-V曲线获得的击穿场强(EBD)和电流密度(J)的关系曲线。可以看出，4H-SiC(0001)MOS结构在样品A，B，C，D和E下的EBD分别为 8.84,9.42, 9.74,11.21 和10.15 MV/cm,且满足F-N的隧穿特性。可以看出，EBD随着干氧氧化温度的增加呈现先增大后减小的趋势。在干氧氧化1250 °C条件下的E最大，达到11.21 MV/cm,漏电流也最小。随着温度的进一步升高，氧化膜的抗击穿性呈现退化趋势(EBD<10MV/cm)，并且漏电流有所上升。

其成因可能是在氧化物在未达到熔融态时，随实验温度的升高，氧化层对SiC的抗氧化保护作用逐步增强;当SiO2处于熔融状态时，氧化退火过程中形成了易挥发的SiO，使氧化层出现空洞，激活了介质内的缺陷，导致击穿特性变差;温度越高该种条件下的氧化缺陷越严重[8]。可以得出，高温氧化生长栅氧化层工艺温度的选择对 SiC MOS器件可靠性的影响很大。

此外，势垒高度作为评价SiO2氧化膜的绝缘特性的另一个重要参数，可以利用F-N隧穿电流模型分析电流密度与施加电场的关系曲线来求得。根据F-N击穿模型，氧化层中的隧穿电流密度JFN可以描述为[10]

式中:q为电子电量;h为普朗克常数;Eox为氧化物上施加的电场强度;mox为电子在氧化膜中的有效质量;ΦB为SiO2/SiC界面的势垒高度。

图4为SiCMOS电容在不同干氧氧化温度下的F-N特性曲线。可由式(1)变形直接对比计算势垒高度，变形公式为[10]

中自由电子的质量。根据式(2)所得的斜率和截距可以算出不同样品SiO2/SiC界面处导带的ΦB。实验得出 4H-SiC(0001)MOS结构在样品A，B，C,D和E下的ΦB分别为 2.10,2.13,2.15,2.43 和 2.24 eV。 已知 4H-SiC  SiC/SiO2界面的理论值为2.7ev[11]，可以得到干氧氧化1250°C条件下的，最接近理论值，漏电流也最小，这说明该组样品绝缘膜的性能最好。并且，随着温度的继续升高，ΦB在逐渐降低，说明随着温度的进一步升高，MOS器件栅氧介质的抗击穿性越来越差。

2.2 TDDB可靠性的计

在室温下，用接近击穿电压的栅电压进行TDDB测试获取I-t曲线，得到器件击穿电荷(QBD)的Weibull分布[12]。本文使用了典型的恒栅电压TDDB测试过程。在栅介质上加一恒定的栅压，然后测试栅电流，通过对栅电流的积分得到击穿时通过SiO2必要的电荷量QBD。当氧化物达到击穿时，定义击穿电荷为[12]

式中:tBD为击穿时间;t为加恒定电压的时间;QBD为氧化物达到击穿时所需要的通过氧化物的击穿电荷。在TDDB测试过程中，恒压法施加电压的大小会影响到QBD的值，QBD的值也可以间接看出击穿时间的大小，所以通常用来进行寿命预测。另外，Weibull分布的纵坐标是In[-In (1-F)]，其中F是累积失效率，表示在t时刻的失效数目占样品总数的比例。

本实验中，在不同干氧氧化温度下QBD的Weibull曲线如图5所示。可以看出，在F=63.2%时，随着温度的上升，5种样品(A~E)的QBD分别为8.53 x 10^-5,1.51 x 10^-4,2.74 x 10^-4, 5.5x10^-4和3.55x10^-4C/cm2，即呈现先增大后减小的趋势。其中，干氧氧化1250°C条件下的Q最大，在F=63.2%时为5.5x10~*C/cm²，也可对比推测出在干氧氧化1250°C下的t最长。

综上可知，在干氧氧化1250°C条件下氧化所得SiO2薄膜的EBD和QBD最大，ΦB也最接近理论值。可以得出，在1250°C下进行干氧氧化的缺陷总和维持在较低状态，有效改善了栅氧介质薄膜的质量，提高了栅氧化层的可靠性。

3 结论

本文主要探讨了在n型4H-SiC(0001)外延材料上进行高温热氧化生长的栅氧化层可靠性问题，选取 1200,1250,1350,1450 和 1550 °C5种干氧氧化温度进行实验。实验结果表明，随着温度的增加，EBD，ΦB和QBD均呈现先增大后减小的趋势，在1250°C下进行干氧氧化的EBD和QBD最大，ΦB最接近理论值。说明此温度对降低缺陷，形成高可靠性的SiO2栅介质薄膜最为有利。后续会进一步对该工艺进行优化，争取研制出高可靠性的SiC MOSFET的SiO2栅介质薄膜。

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