Electrical characterization of gate dielectrics for 4H-SiC MOSFETs

Abstract

Silicon is a semiconductor material used in most power devices and the Si metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) is the key switching device for high power applications. Recently silicon carbide (SiC) MOSFETs have emerged on the market for high voltage (>900 V) applications and these devices are more energy efficient than their Si counterparts. However, 4H-SiC MOSFET devices with native oxide, SiO2, as a gate dielectric are hampered by unacceptably low electron inversion channel mobilities which severely limit the output current. This low mobility is attributed to a high density of interface traps at the SiO2/SiC interface resulting in electron trapping and Coulomb scattering at the interface. The growth or annealing of the SiO2 layer in NO or N2O ambient improves the interface quality but more reduction in interface trap density is still needed. Other large bandgap high k-dielectrics such as Al2O3, AlN, HfO2, and ZrO2 have been investigated in an attempt to replace SiO2 in SiC MOS (metal-oxide-semiconductor) devices. In our work, we are dealing with Al2O3 and AlN as gate dielectrics and compare their electrical properties with thermally grown SiO2. MOS capacitors with Al2O3 or AlN as a single layer or in stack with other different dielectrics are analyzed using capacitance-voltage (CV) and conductance-voltage (GV) techniques. We applied and developed a GV technique in order to quantify the density of so-called near-interface traps (NITs) that are located few nm within the dielectric. Our findings show that Al2O3 and AlN make a very good interface with SiC and the interface traps observed at the SiO2/SiC interface are practically absent at AlN/SiC and Al2O3/SiC interfaces. However, current-voltage analysis shows that Al2O3 and AlN have relatively low breakdown field (4-5 MV/cm) when grown on SiC. This problem can greatly be reduced by using Al2O3 or AlN in stack with large bandgap dielectric like SiO2 which then increases the breakdown voltage of the dielectric. The findings suggest that a stack of SiO2 with a thin layer of Al2O3 or AlN at the SiC interface can be a realistic alternative to sole SiO2 as a gate dielectric in 4H-SiC MOS devices.

Aflrafeindatæknin í dag byggir að miklu leyti á rafsviðssmárum (MOSFET) sem gerðir eru í hálfleiðaranum kísli (Si). Sú tækni hefur verið bestuð undanfarna áratugi og nú er svo komið að það eru efniseiginleikar kísilsins sem takmarka straumgetu og spennuþol þessara íhluta. Á síðustu árum hafa hins vegar komið fram á sjónarsviðið nýjir smárar sem gerðir eru í hálfleiðaranum kísilkarbíði (SiC) sem hafa betri nýtni en hefðbundnir kísilsmárar og leiða til umtalsverðs orkusparnaðar. Fram að þessu er þó einungis unnt að nota SiC smárana við mjög háar spennur (> 900 V). Megnið af þeim rásum sem notaðar eru í aflrafeindatækni vinna hins vegar með spennur á bilinu 400-600 V og þar eru SiC smárarnir ekki samkeppnishæfir. Ástæðan er ekki tengd efniseiginleikum kísilkarbíðsins heldur því hvernig samskeyti SiC myndar við einangrandi efnið kísildíoxíð (SiO2) sem nauðsynlegt er til stýra smáranum. Straumgeta smárans takmarkast af því að veilur á SiO2/SiC samskeytunum hremma rafeindir sem eru á leið í gegnum smárann sem veldur því að straumurinn er um þrefalt lægri en búast má við ef samskeytin væru gallalaus. Reynt hefur verið að leysa þetta vandamál síðustu 20 árin en ekki tekist enn sem komið er. Í þessu rannsóknarverkefni er markmiðið að leysa þetta með því að rækta aðra einangrara: álnítríð (AlN) eða áloxíð (Al2O3) ofan á SiC í stað SiO2. Niðurstöður þessa verkefnis gefa tilefni til bjartsýni þar sem fjöldi veilna á AlN/SiC og Al2O3/SiC samskeytunum er mun minni en á hefðbundnum SiO2/SiC samskeytum. Einnig tókst að auka spennuþol þessara samskeyta með því að bæta við einangrandi lögum ofan á Al2O3 og AlN lögin. Hins vegar er þörf á að leita leiða til að auka spennuþol samskeytanna enn frekar ef þessir einangrarar eiga að geta tekið við hlutverki kísildíoxíðs í aflsmárum.