4H-SiC功率UMOSFETs的設計與關鍵技術研究.pdf

1、寬帶隙半導體材料碳化硅（SiC）具有大的禁帶寬度、高的臨界擊穿電場、高熱導率、和高電子飽和漂移速度等優(yōu)良的物理化學特性，適合制作高溫、高壓、大功率、抗輻照的半導體器件。SiC基功率金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFETs)具有擊穿電壓高、特征導通電阻低、開關速度快、耐高溫抗輻照等優(yōu)勢，在國防和民用領域有巨大的應用前景。對SiC材料和器件的研究已成為目前半導體材料和微電子技術領域的熱點和前沿。本文重點圍繞4H-SiC UMOSFE

2、Ts的新型結構優(yōu)化設計、關鍵工藝以及器件制備等方面展開工作，取得的主要研究成果如下：
　　1.建立了描述4H-SiC UMOSFETs特性和主要參數的解析表達式。在研究4H-SiC材料的基本特性的基礎上，建立了能帶模型、遷移率及不完全離化等材料模型。同時根據漏壓在溝道區(qū)、漂移區(qū)的分布特點，利用分區(qū)求解降落在漂移區(qū)不同區(qū)域上的電勢的方法，建立了4H-SiC UMOSFET電流-電壓關系解析模型；計算推導了器件的關鍵電學參數如閾值電壓

3、、導通電阻和擊穿電壓的解析關系式。
　　2．提出了一種4H-SiC UMOSFET新結構—高k柵場板結構4H-SiC UMOSFET。當器件正向導通時，深槽刻蝕技術形成的柵電極擴展區(qū)在漂移區(qū)內形成了多數載流子積累層，起到增加漂移區(qū)有效載流子濃度、降低特征導通電阻的作用；而當器件處于反向阻斷狀態(tài)時，高 k柵場板可以起到調制漂移區(qū)內電場分布、緩解了深槽底部拐角區(qū)域的電場集中效應、顯著地改善了器件的耐壓特性的作用。另外，由于柵介質材料采

4、用的是高 k材料，在反向擊穿狀態(tài)時，4H-SiC/柵介質界面的峰值電場會大大降低，從而起到改善器件擊穿電壓的作用。數值分析表明，通過優(yōu)化新器件結構參數，可使新結構較傳統(tǒng)4H-SiC UMOSFETS特征導通電阻降低30％，耐壓提高了1.5倍。
　　3．4H-SiC氧化薄膜生長工藝和生長動力學研究。設計了4H-SiC氧化薄膜生長實驗，測試分析了氧化溫度，氧化時間，氧化劑以及摻雜濃度對氧化速率，氧化層厚度均勻性及表面形貌的影響。建立了

5、針對4H-SiC熱氧化過程的迪爾格羅夫氧化模型，首次研究了4H-SiC中原位摻雜 N元素摻雜濃度對氧化速率的影響，利用修正的Deal-Grove模型對氧化時間和氧化層厚度的關系進行了擬合，求解了氧化速率線性常數B/A和拋物線常數B。給出了線性常數B/A和拋物線常數B隨著外延層摻雜濃度變化關系，結果表明，隨著N元素摻雜濃度的增加，氧化速率線性常數 B/A和拋物線常數B線性增加。
　　4．SiO2/4H-SiC和Al2O3/4H-Si

6、C MIS電容的電特性研究。制備了不同氧化工藝條件下的SiO2/4H-SiC MIS電容，對其進行了高頻CV，IV特性測試，提取了MIS電容氧化層固定電荷，邊界陷阱密度和界面態(tài)密度等界面參數，分析了氧化工藝參數對SiO2/4H-SiC界面特性的影響。結果表明，濕氧氧化的SiO2/4H-SiC具有較小的氧化層固定電荷，邊界陷阱密度和界面態(tài)密度。但必須對濕氧氧化的柵介質進行適當溫度下的干氧退火，以達到改善介質層致密性，提高薄膜耐壓和減小柵漏

7、電特性。利用ALD技術制備了Al2O34H-SiC MIS電容，比較了SiO2/4H-SiC、Al2O3/4H-SiC、Al2O3/SiO2/4H-SiC MIS電特性，結果表明，Al2O3/SiO2復合柵結構的4H-SiC MIS可以顯著改善器件的界面特性、漏電特性和擊穿特性。Al2O3/SiO2/4H-SiC MIS在300K-500K范圍的變溫測試表明，隨著溫度的升高，Al2O3/SiO2的漏電加劇，最大耗盡層電容Cox不再飽和、

8、勢壘高度隨著溫度的升高逐漸減小，利用陷阱輔助的熱電子發(fā)射模型對其進行了分析。結果表明，分布在SiO2過渡層中的受主型陷阱導致的陷阱輔助熱電子發(fā)射是Al2O3/SiO2/4H-SiC MIS柵漏電的主要來源。
　　5．4H-SiC功率UMOSFET的實驗工藝流程設計及關鍵工藝研究。設計了4H-SiC功率 UMOSFET的版圖結構和實驗工藝流程，研究了ICP工藝參數對4H-SiC刻蝕后的表面粗糙度，側壁垂直度以及刻蝕速率的影響。測試結

9、果表明，刻蝕最大速率為450nm/min,偏壓源功率100W,SF6/O2=24/6sccm,源功率分別為500W可以獲得刻蝕表面均勻，側壁垂直度較好的樣品；給出了一種優(yōu)化的碳膜帽層（graphite cap）制備工藝方法，分析了C膜保護樣品表面的物理機理，高溫激活退火后SiC表面粗糙度與未做碳膜保護的樣品表面相比降低了接近一個數量級，RMS僅為1.16nm，表明C膜可顯著地抑制高能離子注入和高溫激活退火導致的SiC表面均勻性的退化的問

10、題；制備了摻雜濃度分別為4.3×1018cm-3和2.2×1019cm-3，接觸金屬為Ti(50nm)/Al(100nm)，Ti(20nm)/Al(100nm)的P型歐姆接觸樣品，對比研究了退火時間，P區(qū)的摻雜濃度以及Al組分比例對比接觸電阻的影響。LTLM測試得到的最優(yōu)的比接觸電阻率為2.1×10-4Ωcm2。
　　6.4H-SiC功率UMOSFET器件制備。依照前述的理論研究成果，本論文最后對器件進行了版圖設計和投片實驗。生長