碳化硅(SiC)半导体由于其优异的物理和电学特性,近些年越来越引起人们广泛地关注,是应用于高温、高压和大功率电子器件领域的热门材料。与si热氧化技术的兼容性使SiC有利于制造金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。随着各种钝化技术特别是氮钝化技术的发展,较差的界面性能得到显著改善,沟道迁移率已达到可接受的水平。然而,SiC MOSFET器件存在着另一个关键的问题,即工作电压应力下的阈值电压(Vth)漂移问题,也称为偏压温度不稳定性,这限制了 SiC MOS器件的进一步商业化应用。因此,准确评价这种不稳定性、探究不稳定的行为和机制、开发不稳定漂移的抑制技术是现阶段SiC MOSFET器件急需解决的关键问题。本论文通过借助SiC MOS电容的平带电压(Vfb)来评价上述不稳定性。考察了测量因素对于Vfb不稳定性的影响,建立了 SiC MOS电容Vfb不稳定性的表征评价体系;研究了偏压温度应力下的不稳定行为,重点对应力温度下的漂移行为和机理进行了探讨;开发了电子回旋共振(ECR)微波三元H-Cl-N以及N-O混合等离子体氧化后退火钝化工艺,成功地抑制了电压漂移,改善了器件不稳定性,并深入分析了改善界面质量和器件不稳定性的机理。主要研究内容和结论如下:1、考察了测量因素对Vfb不稳定性的影响,建立了 SiC MOS电容体系下Vfb不稳定性的表征评价体系。结果表明C-V测量条件也会影响Vfb。应力后的C-V测量条件对Vfb不稳定性的影响表明:快速扫描、从施加的栅极偏压应力后的相同极性处开始扫描、减少延迟时间以及在高温应力后的原位测量是首选的,以便获得由偏压温度应力(BTS)引起的最大或真实地Vfb不稳定性。通过本章的研究可以更精确地测量和评价SiC MOS电容的Vfb不稳定性,为后面章节的不稳定性电学测试打下基础。2、研究了 SiC MOS电容Vfb在BTS下的不稳定行为和机理。应力温度诱导的Vfb漂移显示:在300K及以下应力温度下,HF C-V曲线表现出顺时针回滞;而在423 K时呈现逆时针回滞。Vfb漂移的分离表明低温应力下的漂移由SiC/SiO2界面和近界面的电子俘获决定。在室温下,漂移由陷阱和可动离子共同作用。温度增加引起陷阱解陷速率变快,探测到的电荷俘获减少。高温应力下的漂移行为受到激活的移动离子控制,其抵消了电荷俘获引起的漂移效应。移动离子和缺陷的激活诱导了高温应力下额外的电子陷阱产生。栅偏压应力诱导的Vfb漂移结果表明:在100 K下,Vfb漂移随着栅压的增加表现出先增加后平稳的趋势。在273 K和423 K下,随着栅压的增加,Vfb漂移逐渐负漂。应力时间诱导的Vfb漂移结果表明:在100 K时的Vfb漂移仍呈现先增加后平稳的趋势,在273 K处的缓慢正漂是由于诱导了缓慢增加的电荷俘获,而在423 K处的漂移行为取决于激活的陷阱和激活移动离子随着应力时间的变化。通过本章的研究阐明了 SiC MOS电容的Vfb不稳定性的行为和机理,为后面从工艺角度减小漂移不稳定打下了理论基础。3、电子回旋共振(ECR)微波三元H-Cl-N混合等离子体氧化后退火(POA)改善4H-SiC MOS电容界面和偏压温度不稳定性研究。不稳定测试表明,5 min的三元H-Cl-N混合等离子体处理可以获得最低的低温交替正负BTS以及高低温应力测试的Vfb和中带电压(Vmg)回滞。而10 min混合等离子体处理产生了额外的激活的陷阱和移动离子,导致了低温交替正负BTS及高低温应力测试的Vfb和Vmg回滞的增加以及TVS测试中的离子峰值电流的增加;激活的陷阱和移动离子最终导致10 min处理的样品在高温下具有较高的Vfb稳定性。在423 K不同栅氧场强下的解钝化结果显示在和低于4.43 MV/cm下时HF C-V曲线几乎没漂移,表明在SiC/SiO2界面和栅氧化层处的钝化结构较为稳定。在423 K下3600 s和2.33 MV/cm场强下的解钝化结果显示Vfb几乎没有漂移,表明钝化结构在长时间的应力下很稳定。SIMS测试表明混合等离子体POA成功将H、Cl和N元素引入到了界面处。H、Cl和N元素降低了 SiC/SiO2的界面粗糙度、减小了界面过渡区以及钝化了界面处的缺陷,从而抑制了电子俘获,减小漂移和回滞。DFT计算表明Cl和N可以钝化移动离子和Si-Si键;N钝化和复合的N和H钝化在钝化Si-Si键和减少氧空位方面是稳定且有效的。通过本章的研究,开发了一种三元H-Cl-N同时减小电荷俘获和钝化可动离子的新途径,为改善商业SiC MOSFET的Vth不稳定提供了新思路。4、电子回旋共振微波N-O混合等离子体POA改善4H-SiC MOS电容界面和偏压温度不稳定性研究。ECR N-O混合等离子体POA显著改善了界面性质和偏压温度不稳定性,改善后的界面性质和稳定性与NO POA处理的界面电性能和稳定性较为相近。结果显示,N-O混合等离子体POA降低了 SiC Ec以下0.055-0.2 eV处的Dit,在高温423 K的四个连续PBTS和NBTS循环中保持了Vfb回滞的稳定性,并显著降低了在低温100 K下PBTS和NBTS交替应力下的Vfb回滞。N-O混合等离子体POA后,氧化物陷阱密度大大减少至2.27×1012 cm-2。通过SIMS,XPS和DFT研究了 SiC/SiO2界面处的钝化和改性机理。高反应活性的N和O混合等离子体产生了协同钝化效应,不仅可以促进界面处N的大量吸收,而且防止了 SiC衬底的进一步氧化。N和O的协同钝化增加了界面区域SiOx的x值,减少/钝化了 C相关缺陷(SiOxCy和C二聚体),钝化了 Si间隙缺陷,并减小了过渡层厚度,从而抑制电子俘获,最终改善界面性能和器件稳定性。此外,N-O混合等离子体POA减小了 O空位和SiOxNy缺陷的产生,因此还可以抑制空穴俘获。通过本章的研究,我们开发了新颖的N-O混合等离子体退火工艺,不仅可以同时改善界面性质和偏压温度不稳定性,还可以同时抑制电子俘获和空穴俘获。此外,阐明了N和O在钝化O-、C-和Si-相关界面缺陷的协同作用机制,为改善商业SiC MOSFET的阈值电压不稳定提供了新的工艺思路和理论见解。