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SiC 热氧化 SiO2 的红外光谱研究
1
田晓丽，龚敏，曹群，石瑞英
四川大学物理学院微电子学系，微电子技术四川省重点实验室，成都（610065）
E-mail: mgong@scu.edu.cn
摘 要：SiC 热氧化时由于 C 元素的存在及其诱生的空位型缺陷，影响 SiO2 层的质量、
SiO2/SiC 界面及 SiC MOS 器件的击穿特性。本文采用红外光谱技术研究了 6H-SiC 上热氧化
生长的 SiO2 层，分析和讨论了 SiO2 氧化层及界面态的红外反射特征峰，对偏振入射光与
SiO2 振动模的相互作用进行了分析。同对 C 元素的红外光谱学表征进行了初步研究，从而
为工艺中对 SiO2 层中 C 元素的实时检测和进一步改善 SiC MOS 器件电学特性的研究打下
基础。
关键词：红外反射光谱；6H-SiC；空位型缺陷；偏振；界面态
中图分类号：O657.33
1．引言
宽禁带半导体碳化硅(SiC)材料由于具有各种优异性能，使其成为制造高温、大功率、
抗辐照器件和电路的理想材料
[1]
。但是碳化硅MOS场效应晶体管（MOSFET）的整体性能远
不如人们所期望，主要受限于氧化层的质量和SiO
2
/SiC的界面
[2]
。SiC氧化时，O
2
扩散到
SiO
2
/SiC的界面，与SiC反应生成SiO
2
，C则以CO或CO
2
的形式释放，经已生长的氧化层扩散
出来。由于C的存在和外扩散，引入大量的空位(vacancy)和空洞(void)型缺陷，出现悬挂键；
高温下工作时，它们断裂、重构导致固定电荷重新分布，电荷态发生变化，从而影响界面质
量以及造成SiO
2
层的高温稳定性差。因此对SiO
2
/SiC由于C存在造成的质量及其界面的研究
很重要。
目前，国内外关于 SiO
2
/SiC 的研究多集中在界面态和 MOS 沟道迁移率上
[3,4]
，同时配合
C-V 特性研究了其界面态。并采用 X 射线光电子能谱（XPS）和二次离子质谱（SIMS）等
实验研究了氧化层中的杂质分布及变化
[5]
，但是它们检测的深度一般只有几个原子层，对我
们所关注的界面情况分析不够；并且对于有些 XPS 技术由于受到它的灵敏度和真空度等限
制，对含量很低的元素检测不到
[6]
。2004 年，M. Gong 等人利用慢正电子湮灭多普勒展宽谱
技术对 SiC 上热氧化 SiO
2
中空位型缺陷的研究表明氧化层中存在大量的空位型缺陷，随着
退火工艺将会减少
[7]
，但是整体来说现在有关氧化层中 C 元素的表征和因为它而造成的氧化
层结构致密性和空洞型缺陷及其长期在高温或高电压下的变化进行研究的报道很少，其最重
要的原因是直接有效的检测方法的缺乏
[8]
。
红外光谱作为一种非破坏性的技术是一项基于分子中原子振动的技术，在中红外波段通
过激发分子的振动态来得到有关分子结构的信息，它对原子的检测一般达到了 10
18
atom/cm
2
,
是出现的研究表面和界面最成功的分析技术之一
[9]
，在器件薄膜应用中具有重要作用
[10]
。红
外光谱技术已经被成功应用于 SiO
2
/Si 的分析中
[10,11,12]
。SiC 上热氧化 SiO
2
层，由于 C 元素
的存在及其诱生的空位型缺陷，使得其红外光谱有别于 SiO
2
/Si
[13]
。本文分析了偏振红外入
射光如何与物质内部分子键相互作用，激起 SiO
2
的振动模；研究了 6H-SiC 热氧化 SiO
2
层
及其界面的红外光谱，并对 C 元素存在引起的红外反射峰进行研究，对其光谱学表征进行
初步讨论，为工艺中对 SiO
2
层中 C 元素的实时检测和进一步改善 SiC MOS 器件电学特性的
研究打下基础。
1 课题得到教育部博士点基金（20060610008）的资助。
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