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介紹 ??
? ? ? 碳化硅具有比傳統(tǒng)硅更寬的帶隙、更好的擊穿電場和熱導率，在未來的電力電子領域受到了廣泛關注。在各種類型的功率器件中，具有常關特性的金屬氧化物半導體場效應晶體管應該成為下一代綠色電子器件的關鍵元件。如上所述，除了硅，碳化硅是唯一一種通過熱氧化產生二氧化硅絕緣體的化合物半導體。與其他寬帶隙半導體相比，這使得器件制造過程更加容易。一般認為，在高溫氧化過程中，氧化物內的碳雜質以碳氧化物的形式擴散出去，但少量的碳雜質保留在氧化物內和二氧化硅/碳化硅界面上。因此，碳化硅金屬氧化物半導體器件的電退化導致器件性能和可靠性的惡化，是實現(xiàn)硅基電力電子器件的最大障礙。
? ? ? 本文綜述了近年來我們利用高分辨率同步輻射x射線光電子能譜(XPS)對4H-SiC襯底的熱氧化以及在(0001) Si面和(000-1) C面上制備的二氧化硅/4H-SiC能帶結構的研究。我們研究了相應的碳化硅金屬氧化物半導體電容器的原子結構和電學性質之間的關系，討論了界面結構和電學缺陷對能帶偏移調制的內在和外在影響。此外，用原子力顯微鏡和透射電鏡系統(tǒng)地研究了熱生長二氧化硅/4H-碳化硅(0001)結構的表面和界面形貌，以闡明臺階聚束與氧化動力學之間的關系。
厚熱氧化物下的界面結構
? ? ? 圖4(a)和4(b)分別表示從40納米厚的二氧化硅/碳化硅(0001)硅面和(000-1)碳面襯底獲得的典型去卷積的二氧化硅/二氧化硅光譜，其中厚的熱氧化物在同步加速器XPS分析之前使用稀釋的HF溶液變薄。類似于薄的熱氧化物(見圖。1)，硅2p3/2光譜很好地擬合了源自體碳化硅和二氧化硅部分以及中間氧化物狀態(tài)的五種組分。很明顯，對于這兩種情況，中間態(tài)的總量與剩余氧化物(約3 nm厚)的總量相比足夠小。這意味著即使對于厚的熱氧化物，氧化物側的過渡層的物理厚度也薄至幾個原子層。這些實驗結果清楚地表明，無論襯底取向和氧化物厚度如何，用傳統(tǒng)的干氧化法都能形成接近完美的二氧化硅/碳化硅界面。
? ? ? 圖5比較了從二氧化硅/碳化硅界面獲得的二氧化硅/二氧化硅光譜中中間氧化物狀態(tài)總量的變化。繪制了生長在(0001)硅面和(000-1)碳面襯底上的薄和厚熱氧化物的中間態(tài)和體信號之間的強度比。盡管最小中間氧化物狀態(tài)再次意味著突變界面，但我們觀察到中間狀態(tài)略有增加，特別是對于C面襯底上的厚熱氧化物界面，這表明在C面襯底上形成的碳化硅金屬氧化物半導體器件的界面電性能下降。
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圖4?從氧化的(a) 4H-SiC(0001) Si面和(b) (000-1) C面襯底獲得的Si 2p3/2核能級光譜
圖5?從生長在碳化硅(0001)硅面和碳面襯底上的氧化物界面獲得的硅2p3/2光譜中中間氧化物狀態(tài)總量的變化
二氧化硅/碳化硅界面原子相關性
? ? ? 電降解和二氧化硅/碳化硅界面的原子鍵合特征之間的相關性提出了碳化硅氧化的內在問題。這與對碳化硅-金屬氧化物半導體器件的普遍理解是一致的，而我們的同步加速器XPS分析排除了具有過量碳的幾納米厚的過渡層作為電退化的物理來源。相反，我們認為界面上的電缺陷，如Dit和Qox，部分歸因于Si 2p光譜中的原子尺度粗糙度和與中間氧化物狀態(tài)相關的缺陷。此外，考慮到碳化硅-金屬氧化物半導體場效應晶體管中遷移率的顯著降低，我們應該考慮形成位于碳化硅體側的局部碳-碳二聚體的各種形式的碳間隙作為電缺陷的可能來源。因此，要提高硅基金屬氧化物半導體器件的性能，我們應該關注溝道區(qū)內的原子鍵合特征和碳雜質，而不是二氧化硅/碳化硅界面附近的厚過渡層。
二氧化硅介質的表面和界面形貌
? ? ? 如圖所示10(b)，氧化物表面的均方根粗糙度值約為0.36納米，略高于生長的外延層表面的均方根粗糙度值。此外，似乎氧化物表面的臺階比初始表面更圓。圖11顯示了生長和氧化樣品的橫截面透射電鏡圖像。與初始外延層表面的多層臺階相比，在二氧化硅/4H-碳化硅界面觀察到單層臺階。這些發(fā)現(xiàn)表明外延層的臺階結構被大量轉移到二氧化硅表面，而界面粗糙度通過平滑臺階聚束而降低。由于碳面4H-碳化硅的氧化速率比硅面的氧化速率高得多，因此認為臺階邊緣將通過增強氧化而變圓，并且由于從碳化硅到二氧化硅的體積膨脹，臺階附近的所得氧化物將更厚。
? ? ? 如圖所示，圖13是所示樣品的橫截面透射電鏡圖像。12(b)也清楚地表明在臺階聚束處有明顯的氧化。另一方面，二氧化硅/4H-碳化硅界面的形貌明顯比二氧化硅表面的形貌更緩和，這意味著氧化物界面處的臺階聚束通過氧化變得平滑。最大二氧化硅厚度(80納米)位于臺階對面，是梯田的兩倍多。由于氧化反應由擴散通過二氧化硅層的氧分子的量控制，臺階邊緣將變圓，因為平臺上的氧化物更薄。大的氧化物厚度波動必然導致在電應力期間臺階聚束周圍的局部電場集中，從而導致優(yōu)先擊穿。因此，我們可以得出結論，柵氧化層形成前溝道區(qū)的表面形貌對于提高碳化硅金屬氧化物半導體器件的可靠性非常重要。
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圖10 (a)通過在1100℃下干燥O2氧化12小時，在樣品(a)上形成的生長態(tài)4H-碳化硅(0001)外延層表面和(b)二氧化硅表面的原子力顯微鏡圖像
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圖13 二氧化硅/碳化硅結構的橫截面透射電鏡圖像如圖12(b)
結論
? ? ? 本文研究了碳化硅氧化和二氧化硅/碳化硅界面的基本方面。盡管有基于透射電鏡觀察的文獻，我們發(fā)現(xiàn)由硅氧鍵主導的接近完美的界面是由4H-碳化硅(0001)襯底的干氧化形成的。然而，隨著氧化物厚度的增加，發(fā)現(xiàn)原子尺度的粗糙度和缺陷會導致碳化硅-金屬氧化物半導體器件的電退化。我們還指出了源于柵極泄漏的氧化物可靠性問題。研究發(fā)現(xiàn)，盡管由于界面缺陷導致的負固定電荷擴大了硅化金屬氧化物半導體器件的導帶偏移，但導致柵極泄漏增加的小導帶偏移是一個固有特征，尤其是對于碳化硅(000-1) C面襯底。我們還研究了熱生長氧化物的表面和界面形態(tài)，以闡明臺階聚束和氧化物擊穿之間的關系。由于臺階和臺階面之間的氧化速率不同，晶片表面上的多層臺階以及臺階聚束導致氧化物厚度波動。臺階聚束附近的二氧化硅層的凸起狀結構和平臺上相對較薄的氧化物將導致局部電場集中，這增強了氧化物中電缺陷的產生，表明需要在柵極氧化物形成之前形成原子級平坦的表面。
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