【導讀】SiC可以通過與Si類似的熱氧化過程，在晶圓表面形成優質的SiO2絕緣膜。這在制造SiC器件方面具有非常大的優勢。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，并已實現產品化。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器件時必須考慮到這一點。
柵極氧化層可靠性是SiC器件應用的一個關注點。本節介紹SiC柵極絕緣層加工工藝，重點介紹其與Si的不同之處。
SiC可以通過與Si類似的熱氧化過程，在晶圓表面形成優質的SiO2絕緣膜。這在制造SiC器件方面具有非常大的優勢。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，并已實現產品化。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器件時必須考慮到這一點。
首先，與Si相比，SiC的熱氧化速率低。因此，該過程需要很長時間，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，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的本質性問題。
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界面上的陷阱會對器件性能產生負面影響，例如增加MOSFET導通時的電阻，導致電氣特性隨時間變化。因此，進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，進行SiC/SiO2界面的退火處理是一種已經被廣泛使用的方法，能夠大幅改善MOSFET的SiC/SiO2界面電子的有效遷移率。進行該氮化退火處理時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，許多機構正在進行進一步降低陷阱密度的研究和開發。
關于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，觀察閾值電壓的變化。測試的所有MOSFET，無論施加柵極電壓的正、負，閾值電壓的變動量都很小，穩定性非常好。表1匯總了施加1000小時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，導通電阻的變動量也很小，不成問題。
圖1(a)：在高溫（150℃）、長時（1000hr）施加柵極電壓（HTGB試驗），SiC MOSFET柵極閾值電壓隨時間變化（柵極電壓為20V時）
圖1(b)：在高溫（150℃）、長時（1000hr）施加柵極電壓（HTGB試驗），SiC MOSFET柵極閾值電壓隨時間變化（柵極電壓為-20V時）
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，將高頻交流電壓施加到SiC MOSFET的柵極時，閾值電壓等電特性的經時偏移引起了人們的關注。這是一種在時間上逐漸發生特性漂移的現象，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，在實用中有可能產生問題，所以有時候應用側對長期可靠性表示擔憂。圖2表示對SiC MOSFET的柵極施加高頻AC偏壓時閾值電壓的經時變化。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應力時的閾值電壓變化
在SiC MOSFET中，柵極施加偏置電壓時電氣特性的不穩定現象，有時也令人擔憂，至今已有各種報告，處于稍微混亂的狀況。MOSFET柵極相關特性的穩定性很大程度上依賴于柵極絕緣膜的制作方法、元件結構、驅動條件等。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，需要基于大量的經驗、數據，對工藝、結構進行最優化。三菱電機SiC MOSFET的柵極特性已在各種應用系統中進行了評估，顯示其穩定性非常好，是其主要優勢之一。
關于三菱電機
三菱電機創立于1921年，是全球知名的綜合性企業。截止2024年3月31日的財年，集團營收52579億日元（約合美元348億）。作為一家技術主導型企業，三菱電機擁有多項專利技術，并憑借強大的技術實力和良好的企業信譽在全球的電力設備、通信設備、工業自動化、電子元器件、家電等市場占據重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機從事開發和生產半導體已有68年。其半導體產品更是在變頻家電、軌道牽引、工業與新能源、電動汽車、模擬/數字通訊以及有線/無線通訊等領域得到了廣泛的應用。
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