MOS interface improvement based on boron treatments for high channel mobility SiC MOSFETs

Abstract

Although silicon (Si) is used in most current commercial power semiconductor components, Si capabilities are insufficient for new energy conversion requirements. Some of its important limitations are related with power losses, operation temperature, radiation hardness and switching speed. Then, new semiconductor materials must be developed to face the future global energetic challenges, overcoming Si intrinsic limitations. Silicon Carbide (SiC) is a proper wide bandgap (WBG) semiconductor with high critical electric field strength and a high saturation carrier’s drift velocity, which makes it able to sustain higher voltages with lower conduction losses. Furthermore, in a similar way to Si, SiC native oxide (SiO2) can be formed. However, a drawback of SiC MOSFETs is their poor oxide reliability and low channel mobility values attributed to a poor SiO2/SiC interface quality, with high density of interface traps (Dit) and near interface oxide traps (NIOTs). Nitridation processes, consisting in a nitric or nitrous oxide (NO, N2O) annealing is considered as the standard post oxidation annealing approach in 4H-SiC MOSFETs, being commonly used in commercial SiC power MOSFETs for reducing the Dit and NIOTs. However the nitridation interface passivation is not enough and, furthermore the limit of the improvement provided by nitridation has been reached. This thesis is focused on 4H-SiC-based power devices, particularly, on one of the major issues in SiC technology: to find a suitable and reliable fabrication process that improves the gate oxide and SiO2/SiC interface quality and reliability. Regarding electrical performances, we will focus on two of the major challenges of this field: the improvement of the inversion channel mobility, and the gate oxide stability, in order to further reduce the on-resistance and enhance the gate oxide reliability. Both problems are related to the defects near the SiO2/SiC interface. To meet these challenges and improve the current gate oxide quality state-of-the-art, several strategies were followed. We have worked on a newly interface passivation by oxynitridation methods combined with a boron diffusion treatment through the gate oxide. This novel approach allowed us to reach significantly high channel mobility values, up to 200 cm2/Vs. We also extensively studied the impact of the boron treatment parameters on the stability performances of our test structures, revealing some stability issues, especially at high temperature operation. In parallel, we have also worked on the improvement of the dielectric reliability by using a thin layer of a high-k material. On the other hand, equally important, we studied the different fabrication issues found during the gate dielectric optimisation process. Taking into account the specific performances of our devices, we adapted the electrical and physical characterization processes required for a complete study of this kind of high mobility devices (for both, oxide and interface quality characterization, and final electrical MOSFET performance). Finally, some studies which provide information about boron treatment impact on the oxide and interface traps, and about the global electrical behaviour of our devices are included in this thesis; concretely: i) A study on MOSFET mobility anisotropy, having into account different scattering mechanisms involved in channel carrier’s mobility. ii) The effect of MOSFET channel dimensions in the obtained channel mobility. iii) A comparison of B passivation effect on MOSFETs fabricated over 4H-SiC and 6H-SiC polytypes. As a result, despite our new boron doping process is still not mature to be used in commercial devices, it allowed us to progress in the understanding of some of the phenomena taking place at the SiO2/SiC interface, in the way to properly characterise and interpret them, and in the way to further improve the MOS structure on SiC.

El silici (Si) és el semiconductor utilitzat en la majoria de components comercials de potència, no obstant, les seves propietats intrínseques són insuficients per als nous requeriments de conversió energètica, fent que sigui necessari el desenvolupament de nous materials semiconductors. Les seves limitacions estan relacionades amb les pèrdues tèrmiques, la temperatura de funcionament, la resistència a la radiació o la velocitat de commutació. Un material semiconductor adequat és el Carbur de Silici (SiC) el qual té un alt valor de camp elèctric crític i un alt valor de saturació de la velocitat de portadors, cosa que el fa capaç de mantenir altes tensions amb menors pèrdues per conducció. A més a més, com passa amb el Si, es pot formar diòxid de silici (SiO2) natiu sobre el SiC. Un inconvenient dels MOSFETs de SiC és la baixa fiabilitat del òxids i els baixos valors de mobilitat de canal, atribuïts a una mala qualitat de la interfície SiO2/SiC, que conté una alta densitat de trampes a la interfície (Dit) i al òxid proper a la interfície (NIOTs). Els MOSFETs comercials de 4H-SiC són sotmesos a un procés tèrmic standard post-oxidació. Aquest consisteix en un recuit en òxid nítric o òxid nitrós (NO, N2O), amb propòsit de reduir la Dit i els NIOTs. Tot i així, la passivació de la interfície assolida mitjançant la nitridació no és suficient i s'ha arribat al límit de millora que pot proporcionar aquest procediment. Aquesta tesi està dirigida a resoldre un dels principals problemes de la tecnologia en 4H-SiC: trobar un procés de fabricació adequat i fiable que millori la qualitat i la fiabilitat tant de l’òxid de porta com de la interfície SiO2/SiC, per a la seva aplicació en dispositius de potència. Pel que fa a les prestacions elèctriques, ens centrem en dos dels principals reptes d’aquest àmbit: la millora de la mobilitat del canal d’inversió i l’estabilitat de l’òxid de porta, per tal de reduir la resistència del canal drenador-font i millorar la fiabilitat de l’òxid de porta. Per assolir aquests reptes i millorar la tecnologia actual lligada a l’optimització de l'òxid de porta, seguim diverses estratègies: Per una banda, utilitzar una nova passivació d’interfície mitjançant mètodes d’oxinitridació combinats amb un tractament de difusió de bor (B) a través de l’òxid de la porta. Estudiant també quin és el seu impacte sobre l’estabilitat de les estructures tant a temperatura ambient com a altes temperatures. Aquest nou procés ha permès assolir valors de mobilitat del canal significativament elevats, fins a 200 cm2/Vs. Per altra banda hem treballat en la millora de la fiabilitat del dielèctric mitjançant una capa prima d’un material d’alta k. Paral·lelament, s’han estudiat diferents problemes de fabricació trobats durant el procés d’optimització del dielèctric. Tenint en compte les prestacions específiques dels nostres dispositius, vam adaptar els processos de caracterització elèctrica i física necessaris per a un estudi complet, tant de la qualitat de l’òxid i la interfície, com per al rendiment elèctric del MOSFET final. Finalment, en aquest treball s’inclouen alguns estudis que proporcionen informació sobre l’impacte que té la difusió de B sobre la Dit, els NIOTs i, en general el comportament elèctric dels nostres dispositius. Concretament: i) L’anisotropia de la mobilitat dels MOSFETs, tenint en compte els diferents mecanismes de dispersió implicats en la mobilitat dels portadors. ii) L’efecte de les dimensions del canal sobre la mobilitat obtinguda. iii) Comparació de l’efecte de passivació que té el B sobre MOSFETs fabricats en els politipus 4H-SiC i 6H-SiC. Malgrat el procés de dopatge de bor presentat encara no està suficientment madur per ser utilitzat en dispositius comercials, ens ha permès progressar en la comprensió d'alguns dels fenòmens que tenen lloc a la interfície SiO2