通过在高温氮氧化（NO）退火过程中进行界面再氧化处理，在4H-SiC CMOS中实现对称的沟道载流子迁移率

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Achieving symmetric channel carrier mobilities in 4H-SiC CMOS via interfacial Re-oxidation during high-temperature NO annealing

　　

胡子健|徐宏毅|魏立明|盛匡|纳仁

浙江大学电气工程学院，杭州，310027，中国

摘要

n型与p型沟道载流子之间显著的迁移率不匹配仍然是SiC CMOS技术的主要障碍，限制了电路层面的性能。本研究探讨了高温NO退火（1175-1350°C）对LPCVD沉积栅氧化层的SiC CMOS器件中电子和空穴传输的影响。D-SIMS和AFM表征表明，1350°C的处理与界面重构的重新氧化过程有关，并且退火后的界面更加平滑。研究结果揭示了一个明显的工艺权衡：1250°C的处理获得了最高的室温NMOS场效应迁移率（18.3 cm2/V·s），这与更强的氮相关界面钝化效果一致；而1350°C的处理则获得了最高的PMOS场效应迁移率以及最接近室温下的n/p迁移率对称性（μn = 15.7 cm2/V·s，μp = 15.9 cm2/V·s，μn/μp = 0.99）。从298 K到573 K的温度依赖性表征显示，1250°C样品在整个测量温度范围内n/p迁移率比约为2，而1350°C样品在室温下的迁移率比接近1，并在较高温度下逐渐增加到约2。

引言

碳化硅（SiC）作为一种关键的半导体材料，因其出色的临界电场强度和高导热性而成为适用于极端环境中的功率集成电路（ICs）的首选材料[1]。要充分发挥这种材料的潜力，需要通过SiC互补金属氧化物半导体（CMOS）技术实现控制电路和驱动电路的单片集成[[2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。然而，SiC CMOS的发展受到n型电子迁移率（μn）与p型空穴迁移率（μp）之间显著不对称性的严重阻碍。尽管通过先进的SiC/SiO?界面钝化技术，μn得到了显著提升，但μp通常仍低两到三倍。这种迁移率不匹配需要通过几何补偿来解决，这导致PMOS宽度过大，从而增加了芯片面积、寄生电容，并降低了开关频率，最终限制了高速SiC功率IC的可扩展性和性能[[3], [4], [5], [9], [10]]。

关于SiC界面钝化的广泛研究主要集中在热生长氧化物上，重点通常放在优化NMOS沟道电子迁移率上，而往往忽略了PMOS沟道空穴迁移率的表征[[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]。虽然超高温N?退火在提升PMOS性能方面显示出潜力，但沟道电子和空穴迁移率之间的差异仍然存在[15]。此外，在先进器件架构中，沉积的栅介质相比热氧化物具有明显优势，因为它可以将介质形成过程与基底消耗分离。这种方法有效抑制了碳簇缺陷的形成，并确保了更好的台阶覆盖度[18,19,[20], [21], [22]]。然而，虽然基于氮的钝化技术已被证明可以降低界面态密度（Dit）[[23], [24], [25], [26]]，但沉积界面在高温退火下的变化机制及其对电子和空穴传输的不同影响仍需进一步研究。

在本文中，我们研究了经过高温NO退火的LPCVD（低压化学气相沉积）沉积的SiO?栅介质，作为调节4H-SiC CMOS中NMOS和PMOS传输长期不平衡的一种方法。通过系统性的退火研究（温度范围为1175至1350°C），我们发现1250°C的温度范围对NMOS优化最为有利；而1350°C的温度范围则使退火后的界面更加平滑，PMOS场效应迁移率显著提高，并接近室温下的迁移率对称性。本研究的目的不是寻找适用于所有器件指标的通用最佳退火条件，而是阐明NO退火温度如何定义NMOS优化、PMOS性能提升以及沉积氧化物SiC中室温n/p迁移率平衡的不同工艺窗口。

章节摘录

实验

图1(a)和(b)展示了在本研究中制造的4°偏轴n型4H-SiC (0001)外延晶圆上的横向N/P MOSFET和MOS电容器的示意图。外延层厚度为10 μm，掺杂浓度Nd = 8.5 × 101? cm?3。P型阱（Na = 3.5 × 101? cm?3，深度1 μm）是通过铝（Al）离子注入并在1700°C下激活形成的。在制备栅介质之前，所有样品都经过了1100°C的氢（H?）环境表面预处理作为标准步骤

结果与讨论

图2(a)和(b)展示了n/p MOS电容器的C-V特性，并附上了理想的C-V曲线进行对比。根据高频C-V曲线的积累电容（Cox）计算得到的等效氧化物厚度（EOT）分别为1175°C、1250°C和1350°C样品的47.8 nm、48.2 nm和52.8 nm（见图2(c)），这表明在1350°C退火过程中发生了界面重新氧化，而在1175°C时几乎没有氧化物生长

结论

本研究探讨了高温NO退火对SiC CMOS中LPCVD沉积栅介质的界面结构和载流子传输的影响。研究结果表明，在沉积氧化物SiC CMOS中存在明显的工艺权衡：1250°C退火最有利于NMOS优化，而1350°C退火则伴随着界面平整化以及PMOS性能的显著提升。在1350°C时，PMOS的场效应迁移率达到了15.9 cm2/V·s的高值

CRediT作者贡献声明

胡子健：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件开发，方法论设计，实验研究，数据分析，概念构思。徐宏毅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论设计，实验研究，数据分析，概念构思。魏立明：方法论设计，实验研究，数据分析。盛匡：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目监督，资源协调，项目管理，实验研究，资金支持

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52377200和U23B20136）和浙江省自然科学基金（项目编号：LD24F040003）的支持，同时也得到了“领头鹅”研发计划（项目编号：2024C01113）的部分资助。