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(yīng)用的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。本節(jié)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可以通過與Si類似的熱氧化過程，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(xiàn)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(yīng)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，該過程需要很長時(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(fù)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(gòu)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?xì)埩舴浅Ｉ?。對于SiC，在適當(dāng)條件下形成的熱氧化SiO2的絕緣擊穿場強(qiáng)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(fù)面影響，例如增加MOSFET導(dǎo)通時(shí)的電阻，導(dǎo)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程相同或更高的溫度，需要與高溫對應(yīng)的退火處理裝置。電子和空穴陷阱的起源被認(rèn)為是涉及碳?xì)埩舻膹?fù)合缺陷，但仍有爭議。另外，許多機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行進(jìn)一步降低陷阱密度的研究和開發(fā)。
關(guān)于SiC/SiO2界面陷阱對MOSFET的影響，對三菱電機(jī)制造的平面柵SiC MOSFET實(shí)施柵極電壓應(yīng)力試驗(yàn)（HTGB試驗(yàn)），結(jié)果如圖1所示。測試溫度設(shè)為150℃，在柵極和源極之間持續(xù)施加20V或-20V時(shí)，觀察閾值電壓的變化。測試的所有MOSFET，無論施加?xùn)艠O電壓的正、負(fù)，閾值電壓的變動(dòng)量都很小，穩(wěn)定性非常好。表1匯總了施加1000小時(shí)柵極電壓后導(dǎo)通電阻和閾值電壓的變化量。與閾值電壓一樣，導(dǎo)通電阻的變動(dòng)量也很小，不成問題。

圖1(a)：在高溫（150℃）、長時(shí)（1000hr）施加?xùn)艠O電壓（HTGB試驗(yàn)），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℃）、長時(shí)（1000hr）施加?xùn)艠O電壓（HTGB試驗(yàn)），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?xùn)艠O電壓測試后導(dǎo)通電阻、閾值電壓變化量

近年來，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(xiàn)象，與電壓掃描中常見的滯回特性不同，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)生問題，所以有時(shí)候應(yīng)用側(cè)對長期可靠性表示擔(dān)憂。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(jī)的SiC MOSFET，閾值電壓的漂移量小、穩(wěn)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(yīng)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(wěn)定現(xiàn)象，有時(shí)也令人擔(dān)憂，至今已有各種報(bào)告，處于稍微混亂的狀況。MOSFET柵極相關(guān)特性的穩(wěn)定性很大程度上依賴于柵極絕緣膜的制作方法、元件結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)條件等。另外，導(dǎo)通電阻的降低和特性的穩(wěn)定性不一定能并存。為了得到低電阻、特性穩(wěn)定的SiC MOSFET，需要基于大量的經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)，對工藝、結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化。三菱電機(jī)SiC MOSFET的柵極特性已在各種應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行了評估，顯示其穩(wěn)定性非常好，是其主要優(yōu)勢之一。

關(guān)于三菱電機(jī)

三菱電機(jī)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(cái)年，集團(tuán)營收52579億日元（約合美元348億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，并憑借強(qiáng)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(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機(jī)從事開發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有68年。其半導(dǎo)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、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。