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介绍
碳化硅具有比传统硅更宽的带隙、更好的击穿电场和热导率，在未来的电力电子领域受到了广泛关注。在各种类型的功率器件中，具有常关特性的金属氧化物半导体场效应晶体管应该成为下一代绿色电子器件的关键元件。如上所述，除了硅，碳化硅是唯一一种通过热氧化产生二氧化硅绝缘体的化合物半导体。与其他宽带隙半导体相比，这使得器件制造过程更加容易。一般认为，在高温氧化过程中，氧化物内的碳杂质以碳氧化物的形式扩散出去，但少量的碳杂质保留在氧化物内和二氧化硅/碳化硅界面上。因此，碳化硅金属氧化物半导体器件的电退化导致器件性能和可靠性的恶化，是实现硅基电力电子器件的最大障碍。
本文综述了近年来我们利用高分辨率同步辐射x射线光电子能谱(XPS)对4H-SiC衬底的热氧化以及在(0001) Si面和(000-1) C面上制备的二氧化硅/4H-SiC能带结构的研究。我们研究了相应的碳化硅金属氧化物半导体电容器的原子结构和电学性质之间的关系，讨论了界面结构和电学缺陷对能带偏移调制的内在和外在影响。此外，用原子力显微镜和透射电镜系统地研究了热生长二氧化硅/4H-碳化硅(0001)结构的表面和界面形貌，以阐明台阶聚束与氧化动力学之间的关系。
厚热氧化物下的界面结构
图4(a)和4(b)分别表示从40纳米厚的二氧化硅/碳化硅(0001)硅面和(000-1)碳面衬底获得的典型去卷积的二氧化硅/二氧化硅光谱，其中厚的热氧化物在同步加速器XPS分析之前使用稀释的HF溶液变薄。类似于薄的热氧化物(见图。1)，硅2p3/2光谱很好地拟合了源自体碳化硅和二氧化硅部分以及中间氧化物状态的五种组分。很明显，对于这两种情况，中间态的总量与剩余氧化物(约3 nm厚)的总量相比足够小。这意味着即使对于厚的热氧化物，氧化物侧的过渡层的物理厚度也薄至几个原子层。这些实验结果清楚地表明，无论衬底取向和氧化物厚度如何，用传统的干氧化法都能形成接近完美的二氧化硅/碳化硅界面。
图5比较了从二氧化硅/碳化硅界面获得的二氧化硅/二氧化硅光谱中中间氧化物状态总量的变化。绘制了生长在(0001)硅面和(000-1)碳面衬底上的薄和厚热氧化物的中间态和体信号之间的强度比。尽管最小中间氧化物状态再次意味着突变界面，但我们观察到中间状态略有增加，特别是对于C面衬底上的厚热氧化物界面，这表明在C面衬底上形成的碳化硅金属氧化物半导体器件的界面电性能下降。
图4 从氧化的(a) 4H-SiC(0001) Si面和(b) (000-1) C面衬底获得的Si 2p3/2核能级光谱
图5 从生长在碳化硅(0001)硅面和碳面衬底上的氧化物界面获得的硅2p3/2光谱中中间氧化物状态总量的变化
二氧化硅/碳化硅界面原子相关性
电降解和二氧化硅/碳化硅界面的原子键合特征之间的相关性提出了碳化硅氧化的内在问题。这与对碳化硅-金属氧化物半导体器件的普遍理解是一致的，而我们的同步加速器XPS分析排除了具有过量碳的几纳米厚的过渡层作为电退化的物理来源。相反，我们认为界面上的电缺陷，如Dit和Qox，部分归因于Si 2p光谱中的原子尺度粗糙度和与中间氧化物状态相关的缺陷。此外，考虑到碳化硅-金属氧化物半导体场效应晶体管中迁移率的显著降低，我们应该考虑形成位于碳化硅体侧的局部碳-碳二聚体的各种形式的碳间隙作为电缺陷的可能来源。因此，要提高硅基金属氧化物半导体器件的性能，我们应该关注沟道区内的原子键合特征和碳杂质，而不是二氧化硅/碳化硅界面附近的厚过渡层。
二氧化硅介质的表面和界面形貌
如图所示10(b)，氧化物表面的均方根粗糙度值约为0.36纳米，略高于生长的外延层表面的均方根粗糙度值。此外，似乎氧化物表面的台阶比初始表面更圆。图11显示了生长和氧化样品的横截面透射电镜图像。与初始外延层表面的多层台阶相比，在二氧化硅/4H-碳化硅界面观察到单层台阶。这些发现表明外延层的台阶结构被大量转移到二氧化硅表面，而界面粗糙度通过平滑台阶聚束而降低。由于碳面4H-碳化硅的氧化速率比硅面的氧化速率高得多，因此认为台阶边缘将通过增强氧化而变圆，并且由于从碳化硅到二氧化硅的体积膨胀，台阶附近的所得氧化物将更厚。
如图所示，图13是所示样品的横截面透射电镜图像。12(b)也清楚地表明在台阶聚束处有明显的氧化。另一方面，二氧化硅/4H-碳化硅界面的形貌明显比二氧化硅表面的形貌更缓和，这意味着氧化物界面处的台阶聚束通过氧化变得平滑。最大二氧化硅厚度(80纳米)位于台阶对面，是梯田的两倍多。由于氧化反应由扩散通过二氧化硅层的氧分子的量控制，台阶边缘将变圆，因为平台上的氧化物更薄。大的氧化物厚度波动必然导致在电应力期间台阶聚束周围的局部电场集中，从而导致优先击穿。因此，我们可以得出结论，栅氧化层形成前沟道区的表面形貌对于提高碳化硅金属氧化物半导体器件的可靠性非常重要。
图10 (a)通过在1100℃下干燥O2氧化12小时，在样品(a)上形成的生长态4H-碳化硅(0001)外延层表面和(b)二氧化硅表面的原子力显微镜图像
图13 二氧化硅/碳化硅结构的横截面透射电镜图像如图12(b)
结论
本文研究了碳化硅氧化和二氧化硅/碳化硅界面的基本方面。尽管有基于透射电镜观察的文献，我们发现由硅氧键主导的接近完美的界面是由4H-碳化硅(0001)衬底的干氧化形成的。然而，随着氧化物厚度的增加，发现原子尺度的粗糙度和缺陷会导致碳化硅-金属氧化物半导体器件的电退化。我们还指出了源于栅极泄漏的氧化物可靠性问题。研究发现，尽管由于界面缺陷导致的负固定电荷扩大了硅化金属氧化物半导体器件的导带偏移，但导致栅极泄漏增加的小导带偏移是一个固有特征，尤其是对于碳化硅(000-1) C面衬底。我们还研究了热生长氧化物的表面和界面形态，以阐明台阶聚束和氧化物击穿之间的关系。由于台阶和台阶面之间的氧化速率不同，晶片表面上的多层台阶以及台阶聚束导致氧化物厚度波动。台阶聚束附近的二氧化硅层的凸起状结构和平台上相对较薄的氧化物将导致局部电场集中，这增强了氧化物中电缺陷的产生，表明需要在栅极氧化物形成之前形成原子级平坦的表面。
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