4H-SiC隱埋溝道MOSFET理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、碳化硅(SiC)是近十幾年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的寬禁帶半導(dǎo)體材料之一。與廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料Si，Ge以及GaAs相比，SiC材料具有寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)、高載流子飽和漂移速率、高熱導(dǎo)率、高功率密度等等許多優(yōu)點(diǎn)。而與GaN和金剛石等寬禁帶半導(dǎo)體相比，SiC的優(yōu)點(diǎn)是可以熱氧化生成二氧化硅，使得SiCMOSFET器件和電路的實(shí)現(xiàn)成為可能。SiCMOSFET器件的研制工藝已得到了迅速發(fā)展，但是高溫退火所造成的界面粗糙以及禁帶中呈不均勻分布的大密度界面

2、態(tài)使得反型層溝道遷移率非常小，一般在5-40cm2/Vs之間。因此提高M(jìn)OSFET溝道遷移率就成為SiCMOSFET工藝中亟需解決的問(wèn)題。為減小界面對(duì)器件溝道遷移率的降低作用，最直接的方法就是使器件溝道離開(kāi)界面，因此，埋溝MOS結(jié)構(gòu)就成了一種有希望的器件結(jié)構(gòu)。但是，國(guó)內(nèi)對(duì)SiC埋溝MOSFET的研究還是一片空白，本文從以下方面開(kāi)展碳化硅埋溝MOSFET的研究工作： (1)深入研究了埋溝MOSFET的工作機(jī)理。埋溝MOSFET有四

3、種不同的工作模式：表面溝道模式，表面溝道/埋溝混合模式，埋溝模式以及夾斷模式。用解一維泊松方程的方法分析了埋溝MOS結(jié)構(gòu)空間電荷區(qū)的特性，加深了對(duì)該結(jié)構(gòu)各種工作模式的理解。分析了不完全離化對(duì)4H-SiC隱埋溝道MOS結(jié)構(gòu)空間電荷區(qū)電特性的影響，計(jì)算表明，如果考慮場(chǎng)致離化效應(yīng)，耗盡區(qū)內(nèi)的電子電勢(shì)分布趨近于完全離化的情況，而溝道區(qū)不完全離化的影響較為明顯。 (2)由于pn結(jié)的存在，使得埋溝MOS結(jié)構(gòu)的C-V特性較為復(fù)雜，這對(duì)器件的參

4、數(shù)提取會(huì)帶來(lái)影響，本文第三章詳細(xì)分析了埋溝MOS結(jié)構(gòu)的C-V特性。分析表明，在溝道夾斷之前，pn結(jié)電容不起作用，但是，當(dāng)溝道被表面耗盡區(qū)和pn結(jié)耗盡區(qū)夾斷以后，pn結(jié)上相當(dāng)于加了一個(gè)大小為Vbi-Vch的正向電壓，pn結(jié)電容將會(huì)起作用，使總的柵電容出現(xiàn)下降的畸變現(xiàn)象。用解析的方法得到了夾斷模式下表面耗盡區(qū)電容和pn結(jié)電容的解析表達(dá)式。并用實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。分析了器件參數(shù)對(duì)隱埋溝道MOS結(jié)構(gòu)C-V特性的影響。對(duì)用C-V法提取參數(shù)進(jìn)行

5、了分析。通過(guò)分析可知，積累層的柵電容仍然可以用來(lái)提取氧化層厚度，用埋溝模式下表面耗盡區(qū)的A/C2～VGS曲線線性關(guān)系的斜率可以提取溝道載流子濃度，但在襯底摻雜濃度較低或者溝道深度較淺的情況下，這種方法不再適用?？捎脢A斷區(qū)A/C2～VGS線性關(guān)系的斜率來(lái)提取襯底載流子濃度，用該線性關(guān)系的截距來(lái)提取注入溝道深度。 (3)系統(tǒng)地研究了SiC埋溝MOSFET的電流電壓特性。分析了溝道載流子遷移率與柵壓的關(guān)系，首次提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的平均遷移

6、率模型，推導(dǎo)了各種工作模式下漏電流隨柵壓和漏壓的關(guān)系式。通過(guò)Ⅳ特性理論值和實(shí)驗(yàn)值的比較驗(yàn)證了平均遷移率模型。在亞閾區(qū)僅考慮擴(kuò)散電流，用一個(gè)等效溝道厚度的概念來(lái)表示電流流動(dòng)的通道，推出了一個(gè)計(jì)算等效溝道厚度的表達(dá)式，并通過(guò)巧妙的處理，簡(jiǎn)化了等效溝道厚度的計(jì)算。在滿足ND+/NA-＜43的條件下，等效溝道厚度僅與溝道中凈離化施主濃度有關(guān)，與柵壓和注入溝道深度無(wú)關(guān)。利用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)可以看出，亞閾區(qū)內(nèi)峰值電勢(shì)隨柵壓的變化而線性變化，得到一個(gè)簡(jiǎn)單

7、的亞閾漏電流表達(dá)式。 (4)國(guó)內(nèi)首次設(shè)計(jì)并研制成功了4H-SiC埋溝MOSFET。首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)實(shí)驗(yàn)工藝和器件參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了一種用離子注入方法形成歐姆接觸區(qū)和溝道區(qū)的4H-SiC埋溝MOSFET的版圖。利用耗盡層近似和均勻摻雜近似，對(duì)埋溝摻雜和埋溝深度的范圍進(jìn)行了分析。在埋溝摻雜固定的情況下，為發(fā)揮埋溝的優(yōu)勢(shì)并且保證器件的正常工作，埋溝深度存在著最大值xi,max和最小值xi,min。利用pearsonⅣ方程設(shè)計(jì)了

8、埋溝注入和源漏注入的劑量和能量。分析了各種氧化方法的區(qū)別，給出了干氧，濕氧，NO和N2O氧化速度隨氧化溫度的關(guān)系，給柵氧化的設(shè)計(jì)提供了參考?；仡櫫藲W姆接觸的研究現(xiàn)狀，給出了歐姆接觸電阻率的測(cè)試方法。根據(jù)設(shè)計(jì)的版圖和具體工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)了4H-SiC埋溝MOSFET器件研制的基本工藝流程。 (5)根據(jù)設(shè)計(jì)的工藝流程進(jìn)行了投片，并對(duì)器件特性進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試和分析。兩個(gè)樣品中，最小的比接觸電阻約為9.6×10-5Ω-cm2。采用C-V法

9、從測(cè)試曲線提取器件參數(shù)：溝道摻雜濃度，溝道注入深度，氧化層厚度以及平帶電壓等等。用漏壓很小時(shí)的轉(zhuǎn)移特性提取出了器件的閾值電壓，正的閾值電壓說(shuō)明我們的器件是增強(qiáng)型的。分析了閾值電壓的溫度特性，120℃時(shí)的閾值電壓小于室溫下的值。測(cè)試了室溫下和120℃時(shí)器件的Ⅳ特性，并依據(jù)所得到的Ⅳ特性對(duì)器件跨導(dǎo)，有效遷移率，場(chǎng)效應(yīng)遷移率進(jìn)行了分析，研究了界面態(tài)和串聯(lián)電阻對(duì)遷移率的影響。分析和測(cè)試結(jié)果表明，大部分器件都具有較好的線性區(qū)和飽和區(qū)；120℃時(shí)的

10、漏電流和跨導(dǎo)分別大于室溫下的值；樣品1和樣品2最高的有效遷移率約為40和90cm2/Vs；界面態(tài)和串聯(lián)電阻對(duì)遷移率的影響是非常顯著的，串聯(lián)電阻不僅會(huì)影響場(chǎng)效應(yīng)遷移率的大小，還會(huì)影響峰值場(chǎng)效應(yīng)遷移率所對(duì)應(yīng)的柵壓，用一個(gè)二次多項(xiàng)式可以準(zhǔn)確地描述峰值場(chǎng)效應(yīng)遷移率隨串聯(lián)電阻的變化關(guān)系。對(duì)樣品1，消除掉界面態(tài)和串聯(lián)電阻影響的真實(shí)溝道遷移率可達(dá)77cm2/Vs。 在材料和實(shí)驗(yàn)條件都不甚理想的情況下，我們?nèi)匀坏玫搅溯^高的有效遷移率，這個(gè)值已經(jīng)