淺析SiC MOS新技術：溝道電阻可降85%

我們知道，SiC MOSFET現階段最“頭疼”的問題就是柵氧可靠性引發的導通電阻和閾值電壓等問題，最近，日本東北大學提出了一項新的外延生長技術，據說可以將柵氧界面的缺陷降低99.5%，溝道電阻可以降低85.71%，整體SiC MOSFET損耗可以降低30%。

9月28日，東北大學和CUSIC在“ICSCRM2023”會議上宣布，他們針對SiC MOSFET開發一種“同步橫向外延生長法（SLE法）”，目的是通過在4C-SiC外延層上再生長3C-SiC層，來解決高溫柵氧導致的可靠性問題。

為什么需要怎么做？傳統4C-SiC柵氧層制備最大的問題是溫度太高（約1300℃），這會導致SiO2/SiC界面出現碳殘留，導致溝道遷移率低，以及可靠性和閾值電壓等缺陷。

如果通過3C-SiC來制備柵氧層，工藝問題可以低于900℃，可以完美解決這個問題。根據“行家說三代半”之前的報道，3C-SiC MOSFET的n溝道遷移率范圍為100-370 cm2/V·s。而4H-SiC MOSFET通常為20-40cm2/V·s，溝槽器件為6-90 cm2/V·s，京都大學的技術可以做到131 cm2/V·s，但也比3C-SiC MOSFET低3倍左右。

東北大學根據這思路制備了一種CHESS-MOSFET，即在4C-SiC疊加3C-SiC層，如下圖：

采用4H-SiC外延層的MOSFET（左），CHESS-MOS（右）

該研究團隊表示，CUSIC 設計的“CHESS-MOS”能夠同時降低功率損耗并確保長期可靠性。

該器件的特點是采用了混合外延層，既利用了3C-SiC的高遷移率，也利用了4H-SiC層的高耐壓。

然而，要實現這一目標需要開發新的外延和晶體生長技術，以無縫堆疊兩種不同晶格SiC層。因此，該研究團隊開發了SLE方法。

簡單來說，SLE方法是在4H-SiC的延伸基面上生長3C-SiC層，3C-SiC也沿著4H-SiC基面延伸，這樣使得3C-SiC層與4H-SiC層之間的界面非常平坦，沒有原子偏差。

掃描非線性介電常數顯微鏡測量結果顯示，3C-SiC表面的缺陷密度僅為4H-SiC的1/200，表明SLE方法可以大幅降低界面缺陷密度，預測CHESS-MOS可將損耗降低30%以上。

而且，由于基于3C-SiC的CHESS-MOS還可以極大地降低絕緣膜漏電流密度，消除絕緣膜在短時間內劣化的風險，提高器件的長期可靠性。

在實驗中，該團隊還發現，使用SLE法可以形成3C-SiC/4H-SiC/3C-SiC/4H-SiC等雙量子阱結構的現象，那么通過有意地形成這種堆疊結構，可以制造高頻器件，而在以前，SiC半導體器件被認為難以實現。

此外，該團隊還有另一個新發現，他們通過使用SLE方法在半絕緣4H-SiC襯底上生長3C-SiC層，可避免由于與襯底電容耦合而導致的高頻信號衰減問題，這將有望為高頻集成電路的大規模生產鋪平道路。

最為重要的是，SLE方法能夠直接在SiC外延層表面的一部分引入不同的晶體結構，而無需大幅改變現有的SiC MOSFET器件形狀或制造工藝，預計該技術很快可以導入器件生產線。

審核編輯：劉清