Determination of electrically active traps at the interface of SiC-MIS capacitors [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Florentin Ciobanu

Florin

Informations

• Publié par: friedrich-alexander-universitat_erlangen-nurnberg
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 22
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

Determination of
electrically active traps at
the interface of SiC-MIS
capacitors


Den Naturwissenschaftlichen Fakultäten
der Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg
zur
Erlangung des Doktorgrades



vorgelegt von
Florentin Ciobanu
aus Bukarest









Als Dissertation genehmigt
von den Naturwissenschaftlichen Fakultäten
der Universität Erlangen-Nürnberg




Tag der mündlichen Prüfung: 13. Dezember 2005
Vorsitzender der
Promotionskommission: Prof. Dr. D.-P. Häder
Erstberichterstatter: Prof. Dr. M. Schulz
Zweitberichterstatter: Prof. Dr. M. Hundhausen

Zusammenfassung
Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Störstellen von Metal –
Isolator - Semiconductor (MIS) Strukturen auf SiC Basis.
Die Rolle des Wasserstoffs H (Proton) im Oxid von MOS Kondensatoren
wurde systematisch untersucht. Thermische SiO Schichten auf Si, 4H- und 6H-2
SiC wurden mit H implantiert (E ≤ 300 eV). Kapazität - Spannungskennlinien (C-
V) wurden gemessen, um das temperaturabhängige „de-trapping“ von Protonen
zu untersuchen. Der Einfluss der 4H- und 6H-SiC Kristallorientierung auf die
Grenzflächenzustandsdichte D wurde untersucht. Der Einfluss von Stickstoff N it
auf D von 4H-, 6H- und 3C-SiC/SiO MOS Kondensatoren wurde untersucht. Die it 2
Implantation von N-Atomen mit anschließender Überoxidation des implantierten
SiC-Bereiches wurde beschrieben und untersucht.
D von MIS Strukturen mit „high-κ“ Dielektrika wie HfO und Al O auf SiC it 2 2 3
wurde analysiert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sind im Folgenden
zusammengefasst.
Oxidstörstellen
- Positiv geladene Oxidstörstellen werden von H-Atomen (Proton)
verursacht. Diese Arbeit demonstriert die Lokalisierung von getrappten
Protonen sowohl im Volumen des Oxids als auch an der SiC/SiO 2
Grenzfläche.
- Die Ätzrate des Oxids in HF-Säure wird verstärkt auf Grund des von
positiv geladenen Protonen verursachten elektrisches Feldes;
r = 0,75 nm/s. etch
- Die Bindungsenergie von Protonen im SiO ist: 2
E = 1,5 ± 0,2 eV a
für thermische Oxide auf Si und 4H-/6H-SiC. Diese Bindungsenergie
entspricht der thermischen Aktivierungsenergie von im Oxid getrappten
Löchern, die vom Si-Substrat injiziert wurden [Fuj-01].
- Wasserstoff wurde von der Oxidschicht schnell und effektiv bei
Temperaturen größer als 450 K entfernt. Danach ist ein stabiler Betreib
des SiC-MOSFETs bei T > 450 K möglich.
I II
- D bei 4H / 6H-SiC MOS Kondensatoren hängt ab von der Orientierung it
des Substrates und steigt in der Folge:
Si-face < a-plane < C-face.
Schnelle Oxidation ruft die Bildung von Kohlenstoffpräzipitaten an der
Grenzfläche hervor.
- Die hohe Konzentration von „Near Interface Traps (NITs)“ nahe der
Leitungsbandkante E von 4H-SiC erzeugt eine große Hysteresis von C
C-V Kennlinien und eine starke Temperaturabhängigkeit der
Flachbandspannung, besonders bei T < 200 K.
Stickstoff an der 4H-SiC/SiO Grenzfläche 2
- Stickstoff, eingeführt an der 4H-SiC/SiO Grenzfläche durch 2
Behandlung des SiC Kristalls in NO oder N O Atmosphäre bei hohen 2
Temperaturen, führt zu einer Reduzierung der NITs und
Kohlenstoffpräzipitate.
- NO-Oxidierung reduziert die NITs.
- N O spaltet in NO und atomaren Sauerstoff bei hohen Temperaturen 2
auf. Ein Wettbewerb zwischen NO - induziertem Abbau von NITs und
Sauerstoff-Induziertem Aufbau von NITs findet statt. Der hochreaktive
Sauerstoff wirkt effektiv auf den Abbau der Kohlenstoffpräzipitate.
Stickstoff an der 3C-SiC/SiO Grenzfläche 2
- NO-Oxidation baut D in der ganzen 3C-SiC Bandlücke ab. it
- UV Bestrahlung (hν = 10 eV) zusammen mit NO-Oxidation führt zur
Reduzierung von D um zwei Größenordnungen. Es wurde ein Wert it
von:
11 -1 -2D (3C-SiC) ≈ 10 eV cmit
nahe der Leitungsbandkante erreicht. Dies macht den 3C-SiC Polytyp
geeignet für MOSFET Anwendungen.
Einfluss einer N-Implantation auf D von SiC MOS Kondensatoren it
Eine alternative Methode zur Einführung von Stickstoffatomen an der
SiC/SiO Grenzfläche ist die Implantation eines N-Gaußprofils und die 2
III
Überoxidation der implantierten Schicht. Die Ergebnisse dieses Verfahrens für n-
/ p-typ 4H / 6H-SiC MOS Kondensatoren mit Si- oder C-face Orientierung sind:
- N-Implantation erzeugt bei implantierten N-Dosen größer als
12 -2D = 2 x 10 cm eine positive Oxidladung Q . Etwa zehn N FC
implantierte N-Atome sind erforderlich um eine positive Oxidladung zu
erzeugen.
- Die Anwesenheit des Stickstoffes an der SiC/SiO Grenzfläche führt zu 2
einer Temperaturunabhängigkeit der Flachbandspannung U . FB
- N-Implantation ergibt:
10 11 -1 -2D (3C-SiC) = (10 - 10 ) eV cmit
im oberen Energiebereich der Bandlücke
E – E = (3,2 eV – 2,6 eV). it V
Dies weist auf eine komplette Eliminierung der NITs hin,
möglicherweise durch eine mehr kompakte Struktur des nitrierten
Oxids und durch eine reduzierte Fehlanpassung der Gitterkonstante
zwischen SiC und SiO . 2
- N-Implantation führt zum Anstieg von D nahe der Valenzbandkante E . it V
- Es wurde ein mittlerer Abstand zwischen einem Elektronenzustand und
einem N-Donator von
d = (0,15 nm – 0,4 nm) e-N
abgeschätzt. Dies deutet darauf hin, dass die positiv geladenen N -
Donatoren sich inerrhalb der Kohlenstoffpräzipitate befinden. Die
Coulombwechselwirkung schiebt die Elektronenzustände bedingt
durch die Kohlenstoffpräzipitate zu tieferen Energien und könnte als
Folge erklären, dass D nahe der Leitungsbandkante E reduziert wird it C
und nahe der Valenzbandkante E von SiC ansteigt. V
High-κ Dielektrika: 4H-SiC/SiO /HfO Stapel 2 2
- Stapel von 4H-SiC/NO-Oxynitride/HfO MIS Kondensatoren wurden 2
untersucht. Der Beitrag der Kohlenstoffpräzipitate zu D ist proportional it
zur Dicke der Oxinitridschicht.
- Eine Oxinitridschicht von 4 nm Dicke ergibt
12 -1 -2D ~ 10 eV cmit
nahe an EC
IV
High-k Dielektrika: Al O2 3
- Al O/SiC MIS Kondensatoren wurden optimiert durch 2 3
Wasserstoffsättigung der SiC - Grenzfläche vor der ALD - Züchtung
und durch Wasserstoffpassivierung der Al O /SiC Grenzfläche nach 2 3
der Züchtung. D nahe bei E wurde zu it C
11 -1 -2D (4H-SiC) ~ 7 x 10 eV cmit
bzw.
11 -1 -2D (6H-SiC) ~ 1 x 10 eV cmit
bestimmt.

Contents
Zusammenfassung........................................................................................I
1. Introduction .........................................................................................1
2. The effect of nitrogen on traps at the SiO /SiC-interface ....................4 2
3. Electrical measurements of MOS capacitors ......................................7
3.1. Admittance of capacitors..............................................................7
3.2. The MOS band-diagram8
3.2.1. The band-diagram of an ideal MOS capacitor ........................10
3.2.2. The real MOS capacitor..........................................................12
3.2.3. MOS capacitor in accumulation ..............................................14
3.2.4. MOS capacitor in depletion.....................................................15
3.2.5. MOS capacitor in deep depletion / inversion...........................17
3.3. C-V measurements....................................................................19
3.4. Conductance method.................................................................21
3.4.1. Computation procedure ..........................................................22
3.4.2. Oxide capacitance and series resistance................................24
3.4.3. Doping concentration and flatband bias shift ..........................24
3.4.4. Density of interface traps and capture cross section ..............25
3.4.5. Deduction of the trap energy position in the bandgap.............26
3.4.6. Stretch out due to D ...............................................................27 it
3.5. Admittance spectroscopy...........................................................27
4. Experimental .....................................................................................30
4.1. Sample surface preparation.......................................................30
4.2. Standard oxidation .....................................................................31
4.3. Oxidation in nitrogen oxides32
4.4. Oxidation of N-implanted SiC layers ..........................................32
4.5. Hydrogen plasma treatment of thermal oxide ............................36
4.6. High-k dielectric deposition ........................................................36
4.6.1. Stack of HfO /SiO /SiC ...........................................................36 2 2
4.6.2. Deposition of Al O .................................................................36 2 3
4.7. Admittance set-up......................................................