SiC-MOS结构的电特性及其辐照效应

SiC材料和器件特性及其辐照效应的研究84第七章SiCMOS结构的电特性及其辐照效应为了使SiCMOS器件能够在高辐照环境下正常工作，栅氧化层必须具有高的击穿电场，低的漏电流，低的氧化物电荷和界面态电荷。对于SiCMOS电容的电特性研究已有一些报道[7.2]。在早期的研究中，所使用SiC样品中缺陷密度较大，SiCMOSC-V特性几乎看不到电容的变化，随着SiC衬底质量的提高，SiCMOSC-V曲线显示了令人满意的积累，耗尽和深耗尽区域，这为研究SiCMOS结构的辐照特性提供了条件。为了研制出能够在高辐照环境下工作的SiCMOS器件，首先就必须对SiCMOS结构能够承受辐照的能力有一个具体数量上的认识。已有文献分析了Co60γ辐照对SiCMOS结构的影响[7.4][7.7]，结果表明：3C-SiCMOSFET应能承受10Kgy(SiO2)的辐照剂量，但是直至目前为至，辐照对6H-SiCMOS结构电参数影响及其退火特性的研究还没有人进行过。本章通过对制备的SiCMOSC-V特性和漏电流进行系统的电学测量，分析了其电学特性及界面质量。接着测量了在不同辐照偏压下6H-SiCMOS电容C-V特性随辐照剂量的变化，分析了栅偏压对SiCMOS电容平带电压漂移的影响，并研究了SiCMOS电容的辐照退火特性。§7.1SiCMOS结构的I-V特性实验所采用的样品是在n型6H-SiC衬底上制作的MOS电容，SiC衬底来自CreeResearch，掺杂浓度为1.1×1016/cm3，将衬底在1100℃的温度下热氧化2小时，估计可生长氧化层厚度为30nm，然后在氧化层上蒸Al，并刻出图形。单个MOS电容的图形为园形，直径为515μm。为了便于测试，最后对样品进行了封装。对SiCMOS电容氧化层漏电流的分析可通过I－V测量来进行，在Al栅电极和衬底n型SiC之间加上正电压，那么，电子就会由n型SiC中向氧化层中发射。室温下，一般在电场较低时，是其他漏电机制决定着氧化层电流的大小，而在电场较高时，电流会呈指数增加，Fowler-Nordheim隧穿电流起主要作用。隧道发射是被陷电子经场致电离进入导带或电子从金属费米能级隧穿到绝缘体导带所致，隧道发射与外电压有着强烈的关系。如果电场再进一步升高，到一定程度时，就会引起氧化层击穿。图7.1为6H-SiCMOS电容在室温下测量的I－V特性曲线。测量是在HP4156B半导体参数测试仪上进行的。在测量中，氧化层电压由0V变化到30V，或者说电场近似由0MV/cm变化到10MV/cm，没有发现氧化层击穿，由于这时漏电流较大再加上测量仪器的限制，SiCMOS氧化层的击穿特性没第七章SiCMOS结构的电特性及其辐照效应85有得到。根据文献[7.2][7.3]，在氧化层厚度为60nm时，6H-SiCMOS结构氧化层的击穿电场为2－11MV/cm不等。对于SiMOS电容来说，氧化层的本征击穿电场为10MV/cm－30MV/cm。SiC氧化层的击穿电场普遍低于Si的氧化层，这是由于SiC生长SiO2时，同时形成的CO要穿过SiO2向外扩散，会影响界面质量。另外，对于SiCMOS氧化层的研究现在一般采用Al栅，温度升高，Al容易穿透SiO2层，引起电容过早击穿。若采用多晶硅栅，将会改善SiC/SiO2界面的质量，因为相对Al栅而言，多晶硅栅的离子沾污少，所以能够稳定。图7.1SiCMOS电容电流电压特性在SiO2层的导电机制中，Fowler-Nordheim隧穿机制尤为重要，它可用下式来表示[7.1][7.3]：hqEmCEJox328exp232(7-1)其中：oxthmmeC82，J为氧化层漏电流密度，E是电场，h是普朗克常数，为氧化层和n型6H-SiC之间的势垒高度，oxm是氧化层内电子有效质量，对于6H-SiC和4H-SiC来说，042.0mmt，05.0mmox，m0为电子静止质量。从式(7-1)可以看出，当Fowler-Nordheim机理占主导地位时，2lnEJ和E1应成线性关系，斜率K为：hqmKox32423(7-2)SiC材料和器件特性及其辐照效应的研究862lnEJ和E1在电场为5MV/cm和10MV/cm之间的线性关系如图7.2所示：图7.2n型6H-SiCMOS电容1/E和ln(J/E2)的关系由图7.2可以看出，当栅氧化层电场大于8.5MV/cm时，Fowler-Nordheim隧道电流在SiC栅氧化层的漏电流中起主导作用。由测量数据可知，2lnEJ和E1之间的斜率为-3.3×107V/cm，由(7.2)式可得，φ为0.83eV，这个值与文献[7.3]报道的在SiC(0001)面上氧化的MOS二极管的测量值相比较小，这是由于在SiC/SiO2界面上存在深能级，隧道电流可以借助于这些深能级而穿过氧化层，因而正是这些缺陷能级降低了SiC衬底和氧化层之间的势垒高度。§7.2SiCMOS电容的C-V分析图7.3是对SiCMOS电容样品测量的高频C-V曲线。在测量中，偏压扫描速率为0.1V/s，信号频率为1MHz。电压从积累区扫描到深耗尽区，再扫回积累区。正扫曲线和反扫曲线在耗尽区表现微小迟滞，这是由于在SiC/SiO2界面附近存在着时间常数较大密度的陷阱，当电压从负偏压向正电压方向扫描时，陷阱中的正电荷还很多，所以C-V关系表现为沿图7.2中的左边曲线上升。随着栅偏压增大，栅极上的正偏压形成的电场有利于SiC/SiO2界面处的电子从SiC一侧向SiO2中注入，注入的电子填充陷阱后使其带负电，C-V特性向正电压方向平移，故C-V关系表现为沿图7.2中的右边曲线下降。根据(7.3)式可以得到有效固定电荷密度（包括不随温度和偏压改变的界面附近的氧化层正电荷、界面态电荷和可动离子等）：第七章SiCMOS结构的电特性及其辐照效应87图7.36H-SiCMOS电容室温高频C-V特性oxmsFBoxmsFBoxffdVeVeCeQN0(7-3)其中：oxd为氧化层厚度，ox为氧化层的相对介电常数，fQ为SiC/SiO2界面有效固定电荷密度，FBV为平带电压，ms为金属和SiC的功函数差。FCmSiCmmsEE(7-4)金属Al的功函数mW为4.2eV，6H-SiC的亲和能为3.8eV，对于掺杂1.1×1016/cm3的n型6H-SiC来说，FCEE为0.185eV。根据所测量的C-V特性，样品的平带电压为0.25eV。利用式(7-3)求得SiC/SiO2界面有效固定电荷密度为：7.185×1011/cm2，电荷为负。这是因为对于n型SiCMOS电容，费米能级在导带附近，大多数界面态被电子占据，因此界面态表现为负，从而导致总的有效固定电荷为负。§7.3γ辐照对SiCMOS电容的影响对以上SiCMOS电容进行γ辐照实验，在辐照过程中，实验样品分别加上偏压10V，5V，-5V和-10V，辐照剂量率为62.5rad(Si)/s。本实验是在西北核技术研究所的Co源上进行的。在不同的γ辐照剂量下对不同辐照栅压的SiCMOS电容C-V特性分别进行测量，其结果如图7.4－图7.5所示。把图7.4－图7.5综合起来进行考虑，可以看出：（1）电离辐照引起了SiCMOS电容的C-V曲线向负电压方向漂移，这是由于在氧化层中引入了正的空间电荷。（2）电离辐照还可以使高频C-V曲线出现畸变，这归因于在SiC/SiO2界面引入了新的界面态[7.5][7.8]。SiC材料和器件特性及其辐照效应的研究88图7.410V偏压下，辐照对6H-SiCMOS电容的影响图7.55V偏压下，辐照对6H-SiCMOS电容的影响图7.6-5V偏压下，辐照对SiCMOS电容的影响第七章SiCMOS结构的电特性及其辐照效应89图7.7-10V偏压下，辐照对SiCMOS电容的影响在图7.5和图7.6中，可以观察到在C-V曲线上出现一段平台的异常现象，这是由于在SiCMOS电容样品制作过程中引入的界面陷阱所致，这种界面陷阱发射或俘获电子的速率和栅电压变化的速率相等，界面陷阱中的电荷会屏蔽从栅极到SiC衬底之间的电场，使得耗尽层中的电场保持不变，这样，耗尽层厚度不随栅压而变，电容也不随栅压而变化。图7.8不同栅偏压下辐照下的SiCMOS电容平带电压漂移图7.8为在不同辐照剂量下，栅偏压对SiCMOS电容平带电压的影响，从图中可以看出，辐照偏压对SiCMOS电容的辐照特性影响很大。在正栅偏压下，辐照产生的正空间电荷主要位于SiC/SiO2界面附近，离SiC表面很近，这必然显著影响SiC表面的特性，引起较大的C-V特性变化。当栅偏压加负电压且正好和金属－半导体功函数差相等时，SiO2层中的电场为0，辐照产生的电子空穴对会大量复合，只有界面附近的电子才能离开SiO2层，少量的空穴被俘获于SiC/SiO2界面SiC材料和器件特性及其辐照效应的研究90附近，从而使得辐照对SiC表面的影响大大减小。在我们的实验中，偏压-5V最接近于这一点，所以在这个偏压下，电离辐照对SiCMOS电容的影响较小。当负栅偏压继续加大时，尽管在Al/SiO2界面附近会俘获正电荷，但离SiC表面相对较远，因此负栅偏压的作用会有所降低。但当负栅压进一步增大且辐照剂量较大时，在Al/SiO2界面附近会俘获大量的正电荷，这还是可以引起较大的MOSC-V特性变化。平带电压漂移可以很直观的反映MOS电容的电离辐照特性。图7.9示出了在10V偏压辐照下，SiCMOS电容和SiMOS电容平带电压漂移与辐照累积剂量的关系，其中CE，CK，CI，CG，CH，CL，CF，CJ分别为用不同的工艺制作的SiMOS电容[7.5]。由图中可以看出，SiCMOS电容的抗辐照特性比抗辐照特性最好的SiMOS电容CJ还要好。在1Mrad(Si)的辐照剂量下，SiCMOS的平带电压漂移仅为-1.5，这说明了SiC材料不仅自身具有好的抗辐照特性，SiCMOS结构同样具有优于SiMOS结构的抗辐照性能。图7.910V偏压辐照下，Si和SiC平带电压漂移与辐照剂量的关系§7.4SiCMOS电容的辐照退火特性MOS器件的电离辐照效应存在着和时间相关的退火过程。图7.10是辐照后的SiCMOS电容样品在0栅偏压，室温下的退火曲线，由图中可以看出，不管辐照后MOS电容平带电压的漂移有多大，在中止辐照后MOS电容的特性都呈恢复趋势，平带电压漂移的恢复最大可达1.5V。对于SiCMOS电容，在0栅压和室温下，一般需要24小时就可使MOS电容的特性稳定下来，但是退火并没有使MOS电容还原到辐照前的状态，说明退火只能使部分辐照损伤得到恢复，这是因为室温下退火只能使俘获的正电荷暂时得到补偿[7.6]，剩下的辐照缺陷需要更高的退火温度才能消除。第七章SiCMOS结构的电特性及其辐照效应91图10SiCMOS电容辐照后的退火特性§7.5小结本章对在n型6H-SiC上制备的SiCMOS结构进行了电学分析，包括其I-V特性和C-V特性。分析结果表明，在氧化层电场较高时是Fowler-Nordheim隧穿电流决定着SiCMOS结构的漏电流，实验样品的有效固定电荷密度的计算值为7.185×1011/cm2，电荷表现为负。在此基础上，对不同的栅偏压和不同的γ电离辐照剂量下SiCMOS电容样品的C-V特性变化进行了研究，研究结果显示了当氧化层中存在较强电场时，电离辐照对SiCMOS电容的影响会更明显，尤其是当栅偏压为大的正电压时，这种辐照影响最显著。然而在SiO2层中电场趋于0时，电离辐照对MOS电容的作用较小。与SiMOS电容在相同辐照条件下辐照效应的对比说明了，SiCMOS器件比Si器件具有更好的抗γ辐照的能力。对SiCMOS电容电离辐照退火特性的研究表明在0栅压，室温下，经过24小时可使SiCMOS电容的特性趋于稳定。