SiC MOS新技術(shù)，溝道遷移率有望提升5倍

眾所周知，SiC MOSFET的研發(fā)重點(diǎn)之一就是提高柵氧界面（SiO2/SiC）的溝道遷移率，以及降低界面缺陷以提升器件可靠性。近日，業(yè)界又有一項(xiàng)新技術(shù)在這方面實(shí)現(xiàn)了新的突破。

東京大學(xué)、三菱電機(jī)的研究人員在《AlP Advances》期刊上發(fā)表了一篇名為《SiO2/4H–SiC界面摻入硼濃度與陷阱鈍化減少的關(guān)系》的文章，探討了硼元素在碳化硅氧化后退火工序中的重要作用。該研究表明：

●?采用硼元素對(duì)SiC MOSFET進(jìn)行氧化后退火，溝道遷移率（μFE）有望超過100 cm2?/?V·s，而采用一氧化碳退火方式只有20-40 cm2/V·s，大約可以提升2.5-5倍。

● 通過改變硼濃度，SiC MOSFET的Dit（界面態(tài)密度）還有望降低約70%。

研究起源

一般而言，經(jīng)過熱氧化工序后的SiC MOSFET因?yàn)樘荚痈蓴_等因素，會(huì)引發(fā)界面缺陷的出現(xiàn)，導(dǎo)致場(chǎng)效應(yīng)通道遷移率（μFE）過低，一般小于10 cm2/V·s，這意味著載流子在半導(dǎo)體中的移動(dòng)速度較慢，會(huì)造成器件開關(guān)速度降低、功耗和熱量增加等問題。

此外，SiC/SiO2的界面態(tài)密度（Dit）比Si/SiO2界面高出近2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，會(huì)導(dǎo)致SiC MOSFET柵極閾值電壓的不穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響了碳化硅器件的可靠性。

針對(duì)該問題，目前業(yè)界普遍采用一氧化氮（NO）對(duì)SiC MOSFET進(jìn)行氧化后退火，以降低界面陷阱密度，可以將μFE提高至20至40 cm2/V·s。除了氮之外，還可以采用磷、銻、砷、鈉和硼元素，其中硼元素退火理論上可獲得μFE>100 cm2 /?V·s，但其工藝對(duì)界面陷阱減少、器件穩(wěn)定性的影響還有待考證。

針對(duì)該問題，東京大學(xué)、三菱電機(jī)的研究人員通過專門設(shè)計(jì)的硼擴(kuò)散層氧化物結(jié)構(gòu)，能系統(tǒng)地改變氧化物/4H-SiC 界面附近的硼濃度，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)硼在高溫條件下對(duì)器件穩(wěn)定性的影響、硼濃度對(duì)界面態(tài)密度和界面陷阱密度的影響展開研究。

實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)論

文章透露，實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員通過制造和測(cè)試不同類型的樣品，以研究硼濃度在氧化物/4H-SiC界面中的作用和影響：

首先，研究人員通過清洗襯底、沉積氧化層、高溫退火等工序，分別制備含有不同濃度硼擴(kuò)散層、不含硼擴(kuò)散層的器件樣品。

經(jīng)過前期處理后，研究人員一共獲得四種樣品，分別為沉積SiO2/BDL（硼擴(kuò)散層）/SiC構(gòu)型的三層BDL樣品、三層對(duì)照樣品、兩層硼摻雜熱氧化樣品和一氧化氮（NO）鈍化樣品。

最后，研究人員在室溫環(huán)境下分別進(jìn)行硼濃度分析、界面態(tài)密度（Dit）和近界面陷阱（NIT）密度評(píng)估、深能級(jí)陷阱探測(cè)、平帶電壓（VFB）穩(wěn)定性測(cè)試等測(cè)量工作。

經(jīng)過研究人員測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在不同硼濃度及不同溫度條件下，對(duì)碳化硅器件具體影響為：

通過改變硼擴(kuò)散溫度（900至1150°C），成功調(diào)控了BDL（硼擴(kuò)散層）中硼的濃度。

通過改變硼濃度，BDL900樣品的Dit（界面態(tài)密度）比NO1150樣品低，尤其在導(dǎo)帶邊緣附近，Dit降低了約70%，顯示高硼濃度對(duì)淺能級(jí)Dit的鈍化效果顯著。

即使在低硼濃度下，也觀察到近界面陷阱密度的顯著降低，高硼濃度（如BDL900樣品）在減少深能級(jí)陷阱方面更為有效。

通過在室溫和不同溫度下施加恒定的積累偏壓，也發(fā)現(xiàn)高硼濃度并未導(dǎo)致額外的電子電荷陷阱形成或VFB穩(wěn)定性惡化。