Irradiation impact on optimized 4H-SiC MOSFETs

Resumen

Silicon (Si) power device’ technologies have reached a high maturity level, but current limitations on mechanic, temperature operation and electric performances require to investigate other semiconductor materials that can potentially compete with and overcome those border issues. This is the case of Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN) which are becoming serious competitors to the Si due to their superior physical properties. Concerning SiC, the 4Hpolytype seems to be the best suitable candidate for high power MOSFETs according to its band gap, electric field strength, electron bulk mobility, and attainable threshold voltage, among others. But still, technological processes must be optimized in order to SiC MOSFETS can compete with their Si counterparts. This is the case of the gate oxidation process. A reduction of interface charge density is required for threshold voltage stability, and further improvements of the interface quality are also needed for high inversion mobility values. Once solved these problems, a path toward new perspectives of high power applications will be opened. This work is the direct continuation of the Aurore Constant’s work. It is focused on 4HSiC based devices, more specifically on the gate oxidation processes and their behaviour under different harsh environments. Up to now, most of the works carried out were focused on the improvement of the Silicon Dioxide-Silicon Carbide (SiO2/SiC) interface quality. Solving those problems would allow designing high-speed and low-switching losses MOSFETs. In the past work, the main strength was focused on a new surface pre-treatment and on a gate oxidation process. Results showed improved electrical performances. However, we are convinced that better values can be obtained by optimizing the post-oxidation annealing step, by performing surface counter doping or by performing special irradiation treatments. All the efforts of this work will oriented to the development of reliable SiC MOSFETs with improved electrical parameters, which can operate under harsh environments (like high temperature or proton/electron irradiated environment). Thus, the mains guidelines of this Ph. D. Thesis are in accordance with the following lines: 1. State of the art on various SiC related fields. 2. Electrical characterization processes. 3. Proton irradiation impact on 4H-SiC MOSFETs and charge build-up mechanisms theory at the SiO2/SiC interface. 4. Electron irradiation impact on 4H-SiC MOSFETs. 5. Gate oxidation and implantation processes optimization. 6. Robustness limit of the improved processes under irradiation environments. Las tecnologías de dispositivos de potencia en silicio (Si) han alcanzado una gran madurez. Sin embargo, las limitaciones del Si debidas a sus restricciones mecánicas, térmicas y eléctricas hacen necesario otros materiales semiconductores que puedan competir con el Si y superar sus limitaciones. Este es el caso del Carburo de Silicio (SiC) y del Nitruro de Galio (GaN) que ya comienzan a ser serios competidores del Si debido a sus mejores propiedades físicas. En lo que respecta al SiC, el politipo 4H es el candidato más adecuado para la integración de MOSFETs de potencia debido, entre otros, a los valores del bandgap, campo eléctrico crítico, movilidad volumíca de los electrones y tensión umbral alcanzable. A pesar de estas ventajas teóricas del material, es necesario optimizar cada uno de los procesos tecnológicos involucrados en la fabricación de un MOSFET en SiC para que realmente pueda competir con su contrapartida en Si. Este es el caso del proceso de oxidación para la formación del dieléctrico de puerta. Concretamente, una buena estabilidad de la tensión umbral del componente requiere disminuir la densidad de cargas en la interfase óxido/semiconductor, y mejoras adicionales en la calidad de esta interfase son también necesarias para obtener altos valores de la movilidad de los portadores en el canal de inversión. La solución de los problemas tecnológicos anteriormente enunciados abrirá nuevas perspectivas a las aplicaciones de alta potencia. Este trabajo es una continuación directa del de Aurore Constant. Se centra en dispositivos basados en 4H-SiC, y más específicamente en los procesos de oxidación de puerta, y de sus comportamientos eléctricos en diferente ambientes de trabajo hostiles. Hasta la fecha, la mayor parte de la investigación se ha centrado en la mejora de la calidad de la interfase dióxido de silicio/carburo de silicio (SiO2/SiC). La solución de estos problemas debería permitir el diseño de MOSFETs muy rápidos y con pérdidas de conmutación muy bajas. El objetivo del trabajo previo de Aurore Constant fue encontrar un nuevo procedimiento de limpieza de la superficie antes de realizar la oxidación, y en definir un nuevo proceso de oxidación para la formación del dieléctrico de puerta. Los resultados obtenidos mostraron claras mejoras del comportamiento eléctrico de los componentes. Sin embargo, estamos convencidos que la mejora podría ser aún mayor optimizando la etapa del recocido post-oxidación, utilizando un proceso adicional de dopaje superficial, o realizando un adecuado proceso de irradiación. Todos los esfuerzos de este trabajo se han dirigido al desarrollo de MOSFETs en SiC fiables, con mejores características eléctricas, y capaces de trabajar en ambientes de alta temperatura y de irradiación protónica o electrónica. En resumen, las principales líneas de esta Tesis son las siguientes: 1. Estado del arte de los diferentes dominios de trabajo del SiC. 2. Procesos y técnicas de caracterización eléctrica. 3. Impacto de la irradiación de protones en MOSFETs fabricados en 4H-SiC, y descripción teórica de los mecanismos de creación de carga en la interfase SiO2/SiC. 4. Impacto de la irradiación electrónica en MOSFETs fabricados en 4H-SiC. 5. Optimización de los procesos de oxidación y de implantación. 6. Límite de robustez de los procesos tecnológicos optimizados en ámbitos irradiados.