SiC MOS新技术，沟道迁移率有望提升5倍

众所周知，SiC MOSFET的研发重点之一就是提高栅氧界面（SiO2/SiC）的沟道迁移率，以及降低界面缺陷以提升器件可靠性。近日，业界又有一项新技术在这方面实现了新的突破。

东京大学、三菱电机的研究人员在《AlP Advances》期刊上发表了一篇名为《SiO2/4H–SiC界面掺入硼浓度与陷阱钝化减少的关系》的文章，探讨了硼元素在碳化硅氧化后退火工序中的重要作用。该研究表明：

● 采用硼元素对SiC MOSFET进行氧化后退火，沟道迁移率（μFE）有望超过100 cm2 / V·s，而采用一氧化碳退火方式只有20-40 cm2/V·s，大约可以提升2.5-5倍。

● 通过改变硼浓度，SiC MOSFET的Dit（界面态密度）还有望降低约70%。

研究起源

一般而言，经过热氧化工序后的SiC MOSFET因为碳原子干扰等因素，会引发界面缺陷的出现，导致场效应通道迁移率（μFE）过低，一般小于10 cm2/V·s，这意味着载流子在半导体中的移动速度较慢，会造成器件开关速度降低、功耗和热量增加等问题。

此外，SiC/SiO2的界面态密度（Dit）比Si/SiO2界面高出近2~3个数量级，会导致SiC MOSFET栅极阈值电压的不稳定性，严重影响了碳化硅器件的可靠性。

针对该问题，目前业界普遍采用一氧化氮（NO）对SiC MOSFET进行氧化后退火，以降低界面陷阱密度，可以将μFE提高至20至40 cm2/V·s。除了氮之外，还可以采用磷、锑、砷、钠和硼元素，其中硼元素退火理论上可获得μFE>100 cm2 / V·s，但其工艺对界面陷阱减少、器件稳定性的影响还有待考证。

针对该问题，东京大学、三菱电机的研究人员通过专门设计的硼扩散层氧化物结构，能系统地改变氧化物/4H-SiC 界面附近的硼浓度，在此基础上，针对硼在高温条件下对器件稳定性的影响、硼浓度对界面态密度和界面陷阱密度的影响展开研究。

实验过程与结论

文章透露，实验过程中，研究人员通过制造和测试不同类型的样品，以研究硼浓度在氧化物/4H-SiC界面中的作用和影响：

• 首先，研究人员通过清洗衬底、沉积氧化层、高温退火等工序，分别制备含有不同浓度硼扩散层、不含硼扩散层的器件样品。
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• 经过前期处理后，研究人员一共获得四种样品，分别为沉积SiO2/BDL（硼扩散层）/SiC构型的三层BDL样品、三层对照样品、两层硼掺杂热氧化样品和一氧化氮（NO）钝化样品。
• 最后，研究人员在室温环境下分别进行硼浓度分析、界面态密度（Dit）和近界面陷阱（NIT）密度评估、深能级陷阱探测、平带电压（VFB）稳定性测试等测量工作。

经过研究人员测量发现，在不同硼浓度及不同温度条件下，对碳化硅器件具体影响为：

• 通过改变硼扩散温度（900至1150°C），成功调控了BDL（硼扩散层）中硼的浓度。
• 通过改变硼浓度，BDL900样品的Dit（界面态密度）比NO1150样品低，尤其在导带边缘附近，Dit降低了约70%，显示高硼浓度对浅能级Dit的钝化效果显著。

• 即使在低硼浓度下，也观察到近界面陷阱密度的显著降低，高硼浓度（如BDL900样品）在减少深能级陷阱方面更为有效。
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• 通过在室温和不同温度下施加恒定的积累偏压，也发现高硼浓度并未导致额外的电子电荷陷阱形成或VFB稳定性恶化。

来源：行家说三代半

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