4H-SiC MOS结构工艺与电学特性研究

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SiC材料是第三代宽禁带半导体材料的代表,因其在高温、高功率、高辐射条件下的优异性能,而成为“极端电子学”中最重要的研究对象之一;同时SiC材料又是除了Si材料之外唯一能够通过直接热氧化生长氧化绝缘膜的半导体材料。目前,功率器件的研究是SiC应用的主要研究方向,尤其功率MOSFET更是研究的热点所在。但是,在制作SiC MOS器件时始终存在着沟道迁移率低的问题,这主要是由SiO2/SiC的高界面态密度引起的。因此如何降低MOS器件的界面态密度成为SiC MOS器件研究中需要解决的首要问题。本文研究的核心是如何通过对MOS工艺的合理优化来降低界面态密度。本文首先研究了MOS器件工艺,以实验室的标准Si工艺为基础,在4H-SiC衬底上通过干氧氧化生长SiO2绝缘层。为了能够更好的改善界面性能,本文使用了包括氮气退火和湿氧二次氧化退火在内的氧化后退火工艺。本文中制作会属电极的材料为Al,利用特制金属掩膜板蒸发至衬底表面形成电极图形。另外,本文为了验证衬底氢等离子表面处理对SiC MOS器件性能的影响,还在同样工艺下制作了MOS电容器件样品。本文还对在不同工艺下制作的MOS电容器件进行了电学参数特性的研究。通过I-V特性研究,证明了本文采取的MOS工艺所获得的氧化绝缘层质量优异,击穿场强达到了10 MV/cm。另外,通过利用Fowler-Nordheim隧道电流模型对I-V曲线进行分析,进而获得了衬底材料与氧化绝缘膜之间的能带信息。在C-V测试中,一方面通过研究高频C-V曲线的平带电压,获得了氧化绝缘膜中的电荷分布情况等性能参数;另一方面,重点利用Terman法和高频—准静态法分析了SiO2/SiC界面态密度分布,通过对比说明了通过工艺优化能够有效的降低界面态密度,达到了1011eV-1cm-2的量级。通过本文的研究工作,验证了采用湿氧二次氧化退火的氧化后退火工艺能够改善MOS器件的电学性能,降低SiO2/SiC系统的界面态密度。这一研究结果对进一步研究SiC MOS器件具有重要的意义。
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