Effects of Post Deposition Annealing on Atomic-Layer-Deposited Al2O3-SiC MOS Structures

Abstract

Silicon carbide (SiC) has gained traction as a high-power semiconductor due to its wide bandgap, high electric breakdown field and good thermal conductivity. However, to fully utilize these unique properties of SiC, a high-κ dielectric that offers a quality interface to SiC is needed, prompting investigations into atomic-layer-deposited (ALD) aluminum oxide (Al2O3). This thesis investigates the effects of post-deposition annealing on the structural and electrical properties of ALD Al2O3 in SiC metal-oxide-semiconductor (MOS) structures. Structural characterization via X-ray reflectivity (XRR) revealed a gradual decrease in oxide thickness with higher annealing temperatures, and a formation of an ∼1 nm interfacial silicon oxide (SiO2) layer at 1100 °C. Capacitance-voltage (CV) and current-voltage (IV) measurements were employed to analyze dielectric performance. Results indicated increased dielectric constants with higher annealing temperatures, though CV dispersion and density of interface traps also grew, suggesting a deterioration of the Al2O3-SiC interface. The 1100 °C sample exhibited high leakage currents, likely due to oxide crystallization. While annealing improved certain dielectric properties, it concurrently introduced oxide defects and charge trapping effects.

Kísilkarbíð (SiC) hefur vakið athygli sem hálfleiðari í aflrafeindatækni vegna breiðrar orkugeilar, mikils brotspennuþols og góðrar varmaleiðni. Hinsvegar, til að nýta þessa eiginleika SiC til fulls er þörf á einangrara með háan rafsvörunarstuðul sem myndar hágæða samskeyti við SiC og hefur það leitt til rannsókna á áloxíð (Al2O3) húðum sem myndaðar eru með lotuskiptum hvörfum (ALD). Í þessu verkefni voru áhrif bökunar eftir húðun á efnis- og rafeiginleika ALD Al2O3 skoðuð með mælingum á SiC málm-oxíð-hálfleiðara (MOS) strúktúrum. Þykkt Al2O3 lagsins var mæld með röntgenendurkastsmælingum (XRR) sem sýndu minnkandi þykkt með hækkandi hitastigi bökunar og myndun á ∼1 nm kísiloxíð (SiO2) millilagi við 1100 °C. Rýmdar-spennu (CV) og straum-spennu (IV) mælingar voru notaðar til að greina rafeiginleika oxíðsins. Mælingarnar bentu til hækkandi rafsvörunarstuðuls með auknu hitastigi bökunar en samtímis jókst dreifing tíðnirófs CV mælinganna sem og þéttleiki veilna á Al2O3-SiC samskeytunum. 1100 °C sýnið var ónothæft þar sem hár lekastraumur myndaðist við lága álagða spennu, sem líklegt er að stafi af kristöllun á oxíðlaginu. Bökun eftir húðun virðist auka rafsvörunarstuðul oxíðsins en samtímis hrakar öðrum rafeiginleikum vegna innleiddra veilna og fastra hleðslna.