[论文解读] Structure and energetics of carbon defects in SiC (0001)/SiO2 systems at realistic temperatures: Defects in SiC, SiO2, and at their interface

小林拓真, Takuma Kobayashi+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2020

Silicon Carbide Semiconductor Technologies参考文献 36被引用 62

一句话总结

本第一性原理研究揭示，4H-SiC/SiO2界面中的碳相关缺陷对氧化条件极为敏感：在富氧环境下，SiC体相中的双碳反位缺陷（(C2)Si）占主导地位，并在导带附近产生深能级，导致n通道MOSFET性能下降；在缺氧条件下，界面处的Si-C-C-Si缺陷最为稳定，同样会降低n通道迁移率。结果表明，高温、缺氧氧化工艺在能量上更占优势，有助于减少缺陷形成。

ABSTRACT

We report first-principles calculations that reveal the atomic forms, stability, and energy levels of carbon-related defects in SiC (0001)/SiO$_{ m 2}$ systems. We clarify the stable position (SiC side, SiO$_{ m 2}$ side, or just at the SiC/SiO$_{ m 2}$ interface) of defects depending on the oxidation environment. Under an O-rich condition, the di-carbon antisite ((C$_{ m 2}$)$_{ m Si}$) in the SiC side is stable and critical for $n$-channel MOSFETs, whereas the di-carbon defect (Si-C-C-Si) at the interface becomes critical under an O-poor condition. Our results suggest that the oxidation of SiC under a high-temperature O-poor condition is favorable in reducing the defects, in consistent with recent experimental reports.

研究动机与目标

• 确定在SiC (0001)/SiO2系统中，碳相关缺陷在SiC、SiO2及界面区域的稳定原子构型。
• 确定这些缺陷在不同氧化条件（富氧与缺氧）下的热力学稳定性。
• 评估稳定缺陷的电子能级，并评估其对MOSFET性能的影响。
• 为优化SiC热氧化工艺以降低界面态密度提供理论依据。

提出的方法

• 采用HSE06杂化泛函的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以精确描述4H-SiC的带隙。
• 使用VASP进行结构优化与电子结构计算，采用投影缀加平面波（PAW）方法及400 eV平面波截断能。
• 缺陷形成能通过公式 EF = ED − E0 − Σniμi 计算，其中化学势μi由参考相（Si、SiC、SiO2、CO2、O2、CO、SiH4）在碳富集、氧富集及碳富集、氧缺的条件下得出。
• 对气相物种（O2、CO、CO2、SiH4）应用温度依赖的焓变与熵变校正，使用热化学数据表。
• 缺陷在三个不同区域建模：128原子4H-SiC超胞（SiC侧）、72原子α-石英SiO2超胞（SiO2侧）及128原子SiC表面超胞（界面）。
• 系统评估了共114种初始缺陷构型（SiC上23个、SiO2上12个、界面处79个）的稳定性与电子能级。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实际氧化条件下，碳相关缺陷在SiC、SiO2及SiC/SiO2界面中的哪些构型具有热力学稳定性？
• RQ2 富氧与缺氧环境如何影响碳缺陷的形成能与稳定性？
• RQ3 最稳定缺陷的电子能级是什么？它们如何影响MOSFET性能？
• RQ4 本研究结果能否解释实验观察中高温、缺氧氧化后界面缺陷减少的现象？

主要发现

• 在富氧条件下，SiC体相中的双碳反位缺陷（(C2)Si）是最稳定的缺陷，其形成能与1600 K时的CO和CO2分子相当。
• (C2)Si缺陷在导带边以下0.1 eV（h位）和0.4 eV（k位）处产生缺陷能级，是n通道MOSFET的关键陷阱。
• 在缺氧条件下，界面处的Si-C-C-Si缺陷最为稳定，并在导带边以下0.1 eV处产生缺陷能级，同样会降低n通道性能。
• 多种界面碳二聚体缺陷（如Si-CO-CO2、Si-CO-CO-Si）在富氧条件下稳定存在，并在价带边附近产生能级，影响p通道MOSFET性能。
• 本研究解释了实验报告中观察到的高温（1720 K）缺氧氧化及低氧分压Ar中退火后缺陷减少的现象。
• 尽管缺氧条件可降低缺陷密度，但Si-C-C-Si缺陷仍是n通道器件迁移率的持续性问题。