课件推送(SiC上的 SiO₂_界面机理与栅氧可靠性-半导体工艺知识站)

链接：器件衬底 × 介质材料横向对比 | SiC 上的 SiO₂_界面机理与栅氧可靠性

关键信息摘录如下：

1、碳问题：

SiC栅氧的核心难题是因为热氧化时碳排不净，界面留下碳相关的缺陷，导带边附近的界面态密度升高，俘获大量的反型层电子，导致沟道迁移率跌至个位数；

此处迁移率多取自LDMOS的场效应迁移率，SiC为常见的4H-SiC的Si面（0001）；

1.1、SiC氧化的困难（碳残留问题）来自界面反应热力学与动力学的共同约束。

Si氧化生成的SiO₂，碳需氧化为CO/CO₂，再以气态逸出。氧化发生在氧化层与半导体的界面处，氧必须先扩散穿过已生成的 SiO₂ 才能抵达界面；氧化层越厚，氧扩散限制越强。大致界面处局部缺氧，碳在界面附近逐渐累积，形成一个富碳区；即界面处“缺氧富碳”。

1.2、只要在 SiC 上做热氧化，残碳就无法完全避免，区别只在多少；电子能量损失谱 (EELS) 在透射电镜中给出过富碳区厚度，约 1 至 1.5 nm；

2、碳形态：

无定论，碳簇假说为主流；

界面态密度Dit指单位面积、单位能量间隔内的界面缺陷态数目，单位cm-2·eV-1；

经过氮化、导带边附近的 Dit 仍停留在10¹²量级，工程上达到了可用水平，并通过全部可靠性认证的量产器件，但物理层面远未根治。

3、迁移率跌至个位数：

两个原因，界面态的电子俘获和俘获电子的库伦散射；

1个限制：受主浓度 1×10¹⁷ cm⁻³ 时，NO 退火后的有效迁移率在 (0001) Si 面只有约 20 cm²/(V·s)；

3.1、界面态的电子俘获；

Hall测量配合分裂C-V给出的实测结果是：干氧样品里自由的电子只占总反型电荷的约4%，NO退火充分优化后也只升到约30%。换句话说，栅压拉入反型层的电子约有七成被陷阱俘获，参与导电的仅3成。

3.2、俘获电子的库伦散射；

俘获电子成为界面处的固定负电荷，对剩余的自由电子施加库伦散射，导致迁移率降低；

3.3、结构限制；

功率开关器件常关，即对应一个足够正的阈值电压，此时P阱必须重掺杂，浓度在10¹⁷至10¹⁸cm⁻³量级。研究表明：沟道迁移率都随P阱浓度升高而下降；

受主浓度1×10¹⁷cm⁻³时，NO退火后的有效迁移率在(0001) Si 面只有约20cm²/(V·s)。

沟槽MOSFET 把沟道从 (0001) Si 面转移到迁移率更有利的侧壁晶面；

4、解决方案：

8个？方案，在迁移率、阈值稳定性、量产可行性三者间权衡，至今没有方案三项同时占优；

4.1、NO退火；

当前量产主流路线；

具体工艺：栅氧化后在NO气氛中退火（1175℃，约2H，NO气氛）；

改善效果：N原子在界面处于缺陷结合形成Si-N相关键合；将Ec−0.1 eV处的Dit从约8×10¹²降到约2×10¹²cm⁻²·eV⁻¹，室温场效应迁移率从个位数提高到30至40cm²/(V·s)；

不利因素：NO剧毒，量产导入需要整套特种气体处理设施。而N₂O效果更有限，典型迁移率约 19 至 25 cm²/(V·s)。

4.2、Ph/Na路线；

迁移率很高，但稳定性差；

POCl₃磷钝化能把Si 面峰值场效应迁移率提高到约89-105 cm²/(V·s)，但它使整层氧化层向磷硅玻璃 (PSG) 转变，吸湿性与偏压下的电荷重排带来明显的阈值漂移；

钠增强氧化的迁移率可达10-150cm²/(V·s)，但钠是典型的可动离子，会在栅压与温度作用下于氧化层内漂移，偏压温度不稳定性达不到可接受水平。

4.3、沉积路线；

减少甚至避免氧化，采用CVD/ALD沉积SiO2再退火；

具体工艺：京都大学，三步法：先用H₂刻蚀清除表面损伤层，再沉积 SiO₂以避开氧化残碳，最后做界面氮化；

改善效果：把Dit压到4至6×10¹⁰cm⁻²·eV⁻¹，比量产NO路线低约两个数量级，迁移率做到80-85 cm²/(V·s)；

存在问题：量产可行性；

5、总结：

5.1、机理层：碳滞留由界面反应的热力学与动力学共同决定；界面缺陷俘获了约七成反型电子，再以库仑散射限制剩余的少数，重掺杂 p 体又叠加一层量子限制上限；

5.2、工艺层：钝化路线在迁移率、阈值稳定性、量产可行性三项之间权衡，至今无人三项兼得，NO凭三项均无明显短板留在量产线上；

全文完。