分析检测中心技术探秘：EELS表征栅氧质量

栅氧层（SiO₂）作为 SiC MOSFET 栅极结构的核心界面层，其质量直接决定器件的阈值电压稳定性、界面陷阱密度和击穿特性。然而，SiC 与 SiO₂界面存在的固有缺陷（如碳残留、氧空位、界面态密度高等），以及高温制备工艺引入的化学不均匀性，导致传统表征手段（如 CV 测试、FTIR 光谱）难以精准定位纳米级界面缺陷的化学组成与分布。如何在原子尺度解析栅氧层的元素分布、厚度均匀性及缺陷状态，成为突破 SiC 器件可靠性瓶颈的关键技术痛点。

本方案使用的机台为日本电子球差透射电子显微镜（Cs-TEM，JEOL NEOARM 200），搭配电子能量损失谱（EELS），通过自主建立的python代码，可以获得：
a) 过渡层原子像
b) 缓冲层厚度
c) 元素价态变化
d) 元素含量变化

由于SiC晶体中Si和C的化学势差异，界面处易形成非化学计量比的过渡层（如SiOxCy、碳团簇或非晶层），其厚度和成分由氧化工艺（温度、时间、气氛）决定。缓冲层厚度差异又会进而影响界面态密度、击穿场强、可靠性等电学参数。图1展示了界面处的原子像，可用于表征晶体质量，观察C团簇等形貌表征，图中显示过渡层结构从有序转为无序。通过提取C/O元素的沿垂直于界面方向的含量变化，可以准确量测缓冲层的厚度。

图1. 界面C/O缓冲层的直观展示

图2直观展示了Si L边峰位沿垂直界面方向的变化趋势，说明界面附近SiC化学和结构改性，还可用于分析元素价态、成键方式及过渡层相变化。

图2. Si L边沿位置变化分布

图3展示了界面处C/Si元素沿垂直于界面方向的含量变化，可用于表征栅氧工序和栅氧质量。该图中的异常点表明Si/C比出现减少，这是由于SiC在高温热氧化时若局部区域氧气扩散受阻或反应动力学差异，会导致Si优先被氧化，而C以CO形式溢出不完全，形成C团簇。C残留可能形成电荷陷阱中心从而影响器件可靠性。作为原子级的表征手段，球差电镜和EELS可以深入表征微观缺陷，并与宏观性能和工艺调控相互串联，助力器件迭代开发。

图3.界面处C/Si元素含量分布

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中心硕博占比80%，资深工程师（工作经验5年以上）占比50%，主要来自于闳康、EAG、胜科纳米、中芯国际、台积电、英诺赛科等知名企业。

何光泽
分析检测中心首席专家
毕业于台湾中央大学，曾担任闳康科技失效分析处长，TPCA构装委员会委员，近30年失效分析经验，在新失效分析技术研发方面亦有丰富经验。

参考文献

[1] Appl. Phys. Lett. 93, 022108 (2008)