Characterization and Development of the 4H-SiC/SiO2 Interface for Power MOSFET Applications

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2016-11-10
Issue Year
2016
Authors
Salinaro, Alberto
Editor
Abstract

The present work addresses the characterization and the optimization of the interface between 4H-SiC (Silicon Carbide) and SiO2 (Silicon Dioxide) for applications in power Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs). The first part focuses on the characterization and development of different gate oxidation processes for an improved channel mobility. The gate oxides investigated in this thesis were realized with different methods, either by thermally growing or by depositing an oxide layer which was subsequently post-oxidized in dry oxygen (O2), nitrous oxide (N2O) or nitric oxide (NO) gases. The results of these experiments are discussed in the light of the current understanding of SiC interface passivation and nitridation. In particular, the dependence on time and temperature of the nitridation process in NO of deposited oxides is highlighted and its effect is for the first time studied with the help of regression analysis of wafer-scale measurements on MOS capacitors. It is found that the nitridation in NO gas leads to the best interface passivation, especially for longer times and higher temperatures of the treatment, confirming the existing models. On MOSFETs with optimized gate oxides, the effect of the interface states density on the transistor’s performance has also been studied in a large temperature range. The results suggest that the mobility is a thermally activated process in the presence of a high concentration of interface defects, in strong contrast to Si MOSFETs. This behavior – typical of amorphous semiconductors – might indicate that a disordered layer exist at the interface, as suggested by some research groups. In order to verify this hypothesis, a deeper look at the SiC/SiO2 interface is given by the HRTEM and EDX analysis of the fabricated samples, in order to shed some light on its nature. This complements the electrical measurements and allows to study the microscopic structure of SiC/SiO2 interface. No signs of an interlayer if amorphous nature or presence of carbon clusters are visible from this analysis, in contrast to previous reports. Furthermore, the properties of theMOS interface fabricated on in-situ Germanium (Ge)-doped epitaxial layers are presented, as a novel approach for the reduction of the interface defect density. A second target of this work is the comparison of the MOS interface characterization methods coming from the Si world. In particular, the techniques based on impedance measurements on MOS capacitors – High-Low Frequency Capacitance and Conductance methods – could in some cases underestimate the real interface states density. Among the methods based on MOSFETs, the Charge Pumping technique has been successfully transferred from Si to SiC transistors and it was possible to extract the interface states profile over bandgap energy, for the first time on SiC transistors. Moreover, the Charge Pumping method presents a larger accuracy on MOSFETs with respect to that achievable with techniques based on MOS capacitors, especially when characterizing optimized gate oxides with a low concentration of interface states.

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung und Optimierung der Grenzfläche zwischen 4H-SiC (Siliziumkarbid) und SiO2 (Siliziumdioxid) für Anwendungen in Power Metal-Oxide-Semiconductor-Feldeffekttransistoren (MOSFETs). Der erste Teil beschäftigt sich mit der Charakterisierung und Entwicklung von verschiedenen Gate-Oxidationsverfahren für eine verbesserte Kanalbeweglichkeit. Die Gateoxide in dieser Arbeit wurden mit unterschiedlichen Methoden untersucht, entweder durch thermisches Aufwachsen oder durch Abscheiden einer Oxidschicht, die in trockenem Sauerstoff (O2), Distickstoffoxid (N2O) oder Stickstoffmonoxid (NO) anschliessend nachoxidiert wurde. Die Ergebnisse dieser Experimente werden in Anbetracht der derzeitigen Verständnis der Passivierung und Nitridierung der SiC-Schnittstelle diskutiert. Insbesondere wird die Abhängigkeit von Zeit und Temperatur des Nitrierungsprozesses in NO von abgeschiedenen Oxiden hervorgehoben und dessen Auswirkungen wurden zum ersten Mal mit Hilfe der Wafer- Scale-Messungen und der Regressionsanalyse an MOS-Kondensator-Strukturen untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Nitridierung in NO-Gas zu der besten Grenzflächen-Passivierung führt, was insbesondere für längere Prozessierungszeiten und höhere Temperaturen gilt. Diese Tatsache ließ sich durch bestehende Modelle bestätigen. Auf MOSFETs mit optimierten Gateoxiden, wurde der Effekt der Grenzflächenzustandsdichte auf die Leistung des Transistors auch in einem weiten Temperaturbereich, und zum ersten Mal in dieser Zusammenfassung, untersucht. Die Ergebnisse legen nahe, dass in Gegenwart einer hohen Konzentration von Grenzflächendefekten die Beweglichkeit ein thermisch aktivierter Prozess ist, was in starkem Kontrast zu Si MOSFETs steht. Dieses Verhalten - typisch für amorphe Halbleiter - deutet darauf hin, dass eine ungeordnete Schicht an der Grenzfläche existiert, wie von einigen Arbeitsgruppen postuliert. Um diese Hypothese zu überprüfen, wird die SiC/SiO2 Schnittstelle anhand von HRTEM- und EDXAnalysen der hergestellten Proben eingehend untersucht, die Art der Schnittstelledefekte genauer zu beleuchten. Dies ergänzt die elektrische Messungen und erlaubt es die mikroskopische Struktur der SiC/SiO2 Schnittstelle zu studieren. Im gegensatz zu früheren Untersuchungen sind keine Zwischen-Schichten zu erkennen, weder amorpher Natur noch aus Kohlenstoff-Clustern. Als neuer Ansatz für die Verringerung der Grenzflächenzustandsdichte wurden die Eigenschaften der auf in-situ-Germanium (Ge) dotierten epitaxialen Schichten MOS-Schnittstelle dargestellt. Ein zweites Ziel dieser Arbeit ist der Vergleich der Charakterisierungsmethoden der MOS-Schnittstelle, die aus der Si Welt kommen. Die Techniken, die auf Impedanzmessungen an MOS-Kondensatoren basieren – “High-Low Frequency Capacitance” und “Conductance” Methoden – können in einigen Fällen die reale Grenzflächenzustandsdichte unterschätzen. Unter den Verfahren, die bei MOSFETs angewendet werden, wurde die Charge Pumping Methode zum ersten Mal erfolgreich von Si zu SiC-Transistoren übertragen. Mit diesem Verfahren war es erstmalig möglich das Schnittstellen-Profil über die Bandlückenenergie zu gewinnen. Charge Pumping besitzt eine größere Genauigkeit auf MOSFETs in Bezug auf die Methoden, welche auf MOS-Kondensatoren basieren. Dies gilt insbesondere bei der Charakterisierung optimierter Gateoxide mit einer niedrigen Konzentration von Grenzflächenzuständen.

DOI
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