偏压应力下SiC/SiO_(2)界面间隙碳缺陷的结构和电学性质演变

SiC栅氧近界面碳缺陷是SiC MOSFET器件在偏压应力下可靠性劣化的主要根源。间隙碳缺陷Si2-C=O(Ci1)和O-C=C-O(Ci2)被认为是构成SiC/SiO_(2)界面缺陷能级的重要源头之一。基于第一性原理密度泛函理论,研究了不同外部电场对SiC/SiO_(2)界面处间隙碳缺陷的结构和电学性质的影响。结构键长键角计算结果表明,电场对缺陷Ci1和Ci2的结构影响较小,但施加电场后两种缺陷的形成能均减小,说明偏压应力更有助于这两种缺陷的形成。电荷态密度计算结果表明,不同大小和方向的偏压应力(电场)会改变Ci1和Ci2的缺陷能级位置。上述作用诠释了界面缺陷产生偏压应力不稳定问题的物理机制。

SiC掺氯热氧化技术与SiC MOS电容偏压温度不稳定性

偏压温度不稳定性(BTI)是影响SiC MOS器件性能的关键因素。提出了一种制备SiC MOS电容的新工艺,即在SiC干氧氧化气氛中掺入氯化氢(HCl),并对比了不同HCl与O_(2)体积流量比对SiC MOS电容电学性能的影响。结果表明,该工艺有效地改善了SiC MOS电容的栅氧击穿特性,降低了界面态密度,提升了平带电压稳定性。二次离子质谱(SIMS)和X射线光电子能谱(XPS)测试分析表明,掺氯热氧化技术能够有效消除界面缺陷。进一步分析表明,SiC掺氯热氧化技术能够降低可动离子面密度和氧化层陷阱电荷密度,能够有效改善器件的BTI特性。

高温应力下SiO_(2)/SiC近界面碳缺陷的结构与电子特性演变

SiO_(2)/SiC近界面碳缺陷是引起高温应力下SiC MOSFET可靠性劣化的主要根源。采用第一性原理密度泛函理论结合分子动力学,模拟计算了高温应力(425~625 K,间隔100 K)对SiO_(2)/SiC近界面碳缺陷(如羧基类、碳二聚体、碳三聚体等缺陷)结构和电子特性的影响。计算结果表明:施加高温应力后,羧基类碳缺陷结构稳定;碳二聚体缺陷的碳碳双键(C═C)转变为碳碳单键(C—C),且无法在SiC带隙中引入电荷态;碳三聚体缺陷在施加高温应力后转变为新的C═C和碳氧双键(C═O)复合缺陷。这种复合缺陷在SiC的价带顶和导带底附近均引入了缺陷态,有较强的电子捕获能力,是SiC MOSFET在高温应力下性能不稳定的主要因素。

栅氧化层及界面电荷对SiC MOSFET阈值电压稳定性的影响

阈值电压不稳定是SiC MOSFET的一个主要问题,而栅氧化层及界面电荷是引起器件阈值电压不稳定的关键因素。结合三角波电压扫描法和中带电压法提取了SiC MOSFET中的栅氧化层陷阱电荷面密度、界面陷阱电荷面密度和可动电荷面密度随应力时间的变化量,总结了三种电荷面密度变化量在不同应力时间下的变化规律,分析了其对器件阈值电压不稳定性的影响,同时推测了长时间偏压作用下SiC MOSFET阈值电压稳定性的劣化机制。测试结果表明,栅氧化层陷阱电荷面密度、界面陷阱电荷面密度和可动电荷面密度在不同偏压温度下随应力时间的变化规律不同,常温应力下器件阈值电压稳定性劣化主要与栅氧化层陷阱电荷有关,而高温下,则主要与界面陷阱电荷有关。

Ozone oxidation of 4H-SiC and flat-band voltage stability of SiC MOS capacitors

We investigate the effect of ozone(O_(3))oxidation of silicon carbide(SiC)on the flat-band voltage(Vfb)stability of SiC metal–oxide–semiconductor(MOS)capacitors.The SiC MOS capacitors are produced by O_(3)oxidation,and their Vfbstability under frequency variation,temperature variation,and bias temperature stress are evaluated.Secondary ion mass spectroscopy(SIMS),atomic force microscopy(AFM),and x-ray photoelectron spectroscopy(XPS)indicate that O_(3)oxidation can adjust the element distribution near SiC/SiO_(2)interface,improve SiC/SiO_(2)interface morphology,and inhibit the formation of near-interface defects,respectively.In addition,we elaborate the underlying mechanism through which O_(3)oxidation improves the Vfbstability of SiC MOS capacitors by using the measurement results and O_(3)oxidation kinetics.