第10讲：SiC的加工工艺（2）栅极绝缘层

栅极氧化层可靠性是SiC器件应用的一个关注点。本节介绍SiC栅极绝缘层加工工艺，重点介绍其与Si的不同之处。

SiC可以通过与Si类似的热氧化过程，在晶圆表面形成优质的SiO2绝缘膜。这在制造SiC器件方面具有非常大的优势。在平面栅SiC MOSFET中，这种热氧化形成的SiO2通常被用作栅极绝缘膜，并已实现产品化。然而，SiC的热氧化与Si的热氧化存在一些差异，在将热氧化工艺应用于SiC器件时必须考虑到这一点。

首先，与Si相比，SiC的热氧化速率低。因此，该过程需要很长时间，而且还需要高温。在SiC的热氧化中，考虑高温工艺下装置的负荷是不可缺少的。此外，SiC的热氧化速率具有很大的各向异性，取决于晶体表面。热氧化速率通常在（0001）Si面最慢，在（0001(—)）C面最快。例如，在制作沟槽栅SiC MOSFET时，为了在与Si面与C面正交的面上形成栅极氧化膜，需要利用CVD氧化膜等对策。关于热氧化的气氛，可以使用水蒸气和干氧气，两者比较，水蒸气气氛的氧化速率更大，与Si相同。由于气氛气体影响SiC/SiO2界面的电子、空穴陷阱的形成，因此需要注意气氛气体的选择。另外，关于构成SiC的碳，在热氧化中以CO或者CO2的形式从SiO2脱离。已知SiC热氧化形成的SiO2除了在SiC/SiO2界面附近之外，碳残留非常少。对于SiC，在适当条件下形成的热氧化SiO2的绝缘击穿场强与Si的热氧化SiO2相比，得到了相同或更好的值，不存在与电气绝缘性能相关的本质性问题。

SiC与Si的热氧化膜的最大不同之处在于，SiC在SiC/SiO2界面上形成了许多电子、空穴陷阱。SiC/SiO2界面上的陷阱会对器件性能产生负面影响，例如增加MOSFET导通时的电阻，导致电气特性随时间变化。因此，进行了许多降低界面陷阱密度的尝试。其中，在NO、N2O等氮化气体气氛中，进行SiC/SiO2界面的退火处理是一种已经被广泛使用的方法，能够大幅改善MOSFET的SiC/SiO2界面电子的有效迁移率。进行该氮化退火处理时的温度需要与热氧化过程相同或更高的温度，需要与高温对应的退火处理装置。电子和空穴陷阱的起源被认为是涉及碳残留的复合缺陷，但仍有争议。另外，许多机构正在进行进一步降低陷阱密度的研究和开发。

关于SiC/SiO2界面陷阱对MOSFET的影响，对三菱电机制造的平面栅SiC MOSFET实施栅极电压应力试验（HTGB试验），结果如图1所示。测试温度设为150℃，在栅极和源极之间持续施加20V或-20V时，观察阈值电压的变化。测试的所有MOSFET，无论施加栅极电压的正、负，阈值电压的变动量都很小，稳定性非常好。表1汇总了施加1000小时栅极电压后导通电阻和阈值电压的变化量。与阈值电压一样，导通电阻的变动量也很小，不成问题。

图1(a)：在高温（150℃）、长时（1000hr）施加栅极电压（HTGB试验），SiC MOSFET栅极阈值电压随时间变化（栅极电压为20V时）


图1(b)：在高温（150℃）、长时（1000hr）施加栅极电压（HTGB试验），SiC MOSFET栅极阈值电压随时间变化（栅极电压为-20V时）


表1：SiC MOSFET施加栅极电压测试后导通电阻、阈值电压变化量

近年来，将高频交流电压施加到SiC MOSFET的栅极时，阈值电压等电特性的经时偏移引起了人们的关注。这是一种在时间上逐渐发生特性漂移的现象，与电压扫描中常见的滞回特性不同，这是由于存在于SiC/SiO2界面处的陷阱捕获、释放电荷。在漂移量大的情况下，在实用中有可能产生问题，所以有时候应用侧对长期可靠性表示担忧。图2表示对SiC MOSFET的栅极施加高频AC偏压时阈值电压的经时变化。三菱电机的SiC MOSFET，阈值电压的漂移量小、稳定性好，与其他公司产品（A公司）相比，有较大的差异。

图2：SiC MOSFET栅极施加高频AC应力时的阈值电压变化

在SiC MOSFET中，栅极施加偏置电压时电气特性的不稳定现象，有时也令人担忧，至今已有各种报告，处于稍微混乱的状况。MOSFET栅极相关特性的稳定性很大程度上依赖于栅极绝缘膜的制作方法、元件结构、驱动条件等。另外，导通电阻的降低和特性的稳定性不一定能并存。为了得到低电阻、特性稳定的SiC MOSFET，需要基于大量的经验、数据，对工艺、结构进行最优化。三菱电机SiC MOSFET的栅极特性已在各种应用系统中进行了评估，显示其稳定性非常好，是其主要优势之一。

关于三菱电机

三菱电机创立于1921年，是全球知名的综合性企业。截止2024年3月31日的财年，集团营收52579亿日元（约合美元348亿）。作为一家技术主导型企业，三菱电机拥有多项专利技术，并凭借强大的技术实力和良好的企业信誉在全球的电力设备、通信设备、工业自动化、电子元器件、家电等市场占据重要地位。尤其在电子元器件市场，三菱电机从事开发和生产半导体已有68年。其半导体产品更是在变频家电、轨道牵引、工业与新能源、电动汽车、模拟/数字通讯以及有线/无线通讯等领域得到了广泛的应用。