第10講：SiC的加工工藝（2）柵極絕緣層

柵極氧化層可靠性是SiC器件應用的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。本節介紹SiC柵極絕緣層加工工藝，重點(diǎn)介紹其與Si的不同之處。
SiC可以通過(guò)與Si類(lèi)似的熱氧化過(guò)程，在晶圓表面形成優(yōu)質(zhì)的SiO2絕緣膜。這在制造SiC器件方面具有非常大的優(yōu)勢。在平面柵SiC MOSFET中，這種熱氧化形成的SiO2通常被用作柵極絕緣膜，并已實(shí)現產(chǎn)品化。然而，SiC的熱氧化與Si的熱氧化存在一些差異，在將熱氧化工藝應用于SiC器件時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)。
首先，與Si相比，SiC的熱氧化速率低。因此，該過(guò)程需要很長(cháng)時(shí)間，而且還需要高溫。在SiC的熱氧化中，考慮高溫工藝下裝置的負荷是不可缺少的。此外，SiC的熱氧化速率具有很大的各向異性，取決于晶體表面。熱氧化速率通常在（0001）Si面最慢，在（0001(—)）C面最快。例如，在制作溝槽柵SiC MOSFET時(shí)，為了在與Si面與C面正交的面上形成柵極氧化膜，需要利用CVD氧化膜等對策。關(guān)于熱氧化的氣氛，可以使用水蒸氣和干氧氣，兩者比較，水蒸氣氣氛的氧化速率更大，與Si相同。由于氣氛氣體影響SiC/SiO2界面的電子、空穴陷阱的形成，因此需要注意氣氛氣體的選擇。另外，關(guān)于構成SiC的碳，在熱氧化中以CO或者CO2的形式從SiO2脫離。已知SiC熱氧化形成的SiO2除了在SiC/SiO2界面附近之外，碳殘留非常少。對于SiC，在適當條件下形成的熱氧化SiO2的絕緣擊穿場(chǎng)強與Si的熱氧化SiO2相比，得到了相同或更好的值，不存在與電氣絕緣性能相關(guān)的本質(zhì)性問(wèn)題。
SiC與Si的熱氧化膜的最大不同之處在于，SiC在SiC/SiO2界面上形成了許多電子、空穴陷阱。SiC/SiO2界面上的陷阱會(huì )對器件性能產(chǎn)生負面影響，例如增加MOSFET導通時(shí)的電阻，導致電氣特性隨時(shí)間變化。因此，進(jìn)行了許多降低界面陷阱密度的嘗試。其中，在NO、N2O等氮化氣體氣氛中，進(jìn)行SiC/SiO2界面的退火處理是一種已經(jīng)被廣泛使用的方法，能夠大幅改善MOSFET的SiC/SiO2界面電子的有效遷移率。進(jìn)行該氮化退火處理時(shí)的溫度需要與熱氧化過(guò)程相同或更高的溫度，需要與高溫對應的退火處理裝置。電子和空穴陷阱的起源被認為是涉及碳殘留的復合缺陷，但仍有爭議。另外，許多機構正在進(jìn)行進(jìn)一步降低陷阱密度的研究和開(kāi)發(fā)。
關(guān)于SiC/SiO2界面陷阱對MOSFET的影響，對三菱電機制造的平面柵SiC MOSFET實(shí)施柵極電壓應力試驗（HTGB試驗），結果如圖1所示。測試溫度設為150℃，在柵極和源極之間持續施加20V或-20V時(shí)，觀(guān)察閾值電壓的變化。測試的所有MOSFET，無(wú)論施加柵極電壓的正、負，閾值電壓的變動(dòng)量都很小，穩定性非常好。表1匯總了施加1000小時(shí)柵極電壓后導通電阻和閾值電壓的變化量。與閾值電壓一樣，導通電阻的變動(dòng)量也很小，不成問(wèn)題。

圖1(a)：在高溫（150℃）、長(cháng)時(shí)（1000hr）施加柵極電壓（HTGB試驗），SiC MOSFET柵極閾值電壓隨時(shí)間變化（柵極電壓為20V時(shí)）

圖1(b)：在高溫（150℃）、長(cháng)時(shí)（1000hr）施加柵極電壓（HTGB試驗），SiC MOSFET柵極閾值電壓隨時(shí)間變化（柵極電壓為-20V時(shí)）

表1：SiC MOSFET施加柵極電壓測試后導通電阻、閾值電壓變化量

近年來(lái)，將高頻交流電壓施加到SiC MOSFET的柵極時(shí)，閾值電壓等電特性的經(jīng)時(shí)偏移引起了人們的關(guān)注。這是一種在時(shí)間上逐漸發(fā)生特性漂移的現象，與電壓掃描中常見(jiàn)的滯回特性不同，這是由于存在于SiC/SiO2界面處的陷阱捕獲、釋放電荷。在漂移量大的情況下，在實(shí)用中有可能產(chǎn)生問(wèn)題，所以有時(shí)候應用側對長(cháng)期可靠性表示擔憂(yōu)。圖2表示對SiC MOSFET的柵極施加高頻AC偏壓時(shí)閾值電壓的經(jīng)時(shí)變化。三菱電機的SiC MOSFET，閾值電壓的漂移量小、穩定性好，與其他公司產(chǎn)品（A公司）相比，有較大的差異。

圖2：SiC MOSFET柵極施加高頻AC應力時(shí)的閾值電壓變化

在SiC MOSFET中，柵極施加偏置電壓時(shí)電氣特性的不穩定現象，有時(shí)也令人擔憂(yōu)，至今已有各種報告，處于稍微混亂的狀況。MOSFET柵極相關(guān)特性的穩定性很大程度上依賴(lài)于柵極絕緣膜的制作方法、元件結構、驅動(dòng)條件等。另外，導通電阻的降低和特性的穩定性不一定能并存。為了得到低電阻、特性穩定的SiC MOSFET，需要基于大量的經(jīng)驗、數據，對工藝、結構進(jìn)行最優(yōu)化。三菱電機SiC MOSFET的柵極特性已在各種應用系統中進(jìn)行了評估，顯示其穩定性非常好，是其主要優(yōu)勢之一。

關(guān)于三菱電機

三菱電機創(chuàng )立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。截止2024年3月31日的財年，集團營(yíng)收52579億日元（約合美元348億）。作為一家技術(shù)主導型企業(yè)，三菱電機擁有多項專(zhuān)利技術(shù)，并憑借強大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設備、通信設備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場(chǎng)占據重要地位。尤其在電子元器件市場(chǎng)，三菱電機從事開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)半導體已有68年。其半導體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車(chē)、模擬/數字通訊以及有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。