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

Tesi per compendi d'articles, amb diferents seccions retallades per drets de l'editor.
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
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
Postprint (published version)