三种碳化硅MOSFET沟道迁移率提升工艺介绍

时间： 2024-05-30 来源：阿基米德半导体公众号

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过去三十年，碳化硅功率半导体行业取得了长足的进步，但在降低缺陷方面依然面临着重大挑战。其主要问题是——碳化硅与栅氧化层之间的界面处存在着大量的缺陷。在NMOS中，反型层中产生的电子被高密度的界面陷阱等缺陷捕获，导致沟道内有效载流子数目大幅减少。此外，部分陷阱在俘获电子之后会变成带电中心，致使沟道表面的库仑散射效应加剧，沟道迁移率会进一步下降。

半导体材料的电子迁移率是指，电子在单位电场作用下的平均速度，是衡量电子在被电场拉动（或推动）并穿过半导体材料时速度的量度。电子迁移率越高的半导体材料，电阻率越低，通过相同的电流，损耗越小。由于碳化硅材料的电子迁移率比硅和氮化镓都要低，若不采取手段实现该技术难点的突破，SiC MOSFET将面临着因低沟道迁移率导致性能大打折扣的局面。

▲碳化硅材料的电子迁移率不高

为了在晶圆表面形成栅氧化层，器件制造厂商通常会选择热氧化处理工艺。对于传统的硅基MOSFET来说，硅晶圆表面可产出高质量的氧化层。对于碳化硅晶圆，不仅无法通过热氧化获得高质量的氧化层，更为严重的是，SiC与SiO₂之间的界面缺陷比Si与SiO₂之间高了100多倍。

▲碳化硅界面缺陷的主要类型

如上图所示，根据位置分布，通常将SiC/SiO₂界面附近的缺陷分为，界面陷阱（Dit）、近界面氧化物陷阱（NIOTs）、固定电荷、氧化层陷阱及移动电荷。其中界面陷阱主要指位于碳化硅表面的陷阱，主要包括由于热氧化产生的含碳副产物缺陷、悬挂键和晶格失配等形成的陷阱。

界面陷阱主要由金属杂质、结构缺陷和氧化诱导等因素引起。界面陷阱会影响电子输运及复合，降低可移动电子浓度，增加界面散射，导致沟道迁移率下降，比导通电阻上升。在硅中，氢和氮原子可以有效地消除界面陷阱，但在碳化硅中，氢钝化效果相对较弱，无法显著消除界面陷阱。

一、无碳残留、低缺陷的氧化层

众所周知，退火工艺可以在一定程度上减少界面缺陷，降低界面陷阱密度，进而提升沟道迁移率。特别是在含氮氛围中退火，可以有效地将沟道迁移率提升6～12倍。

但由于退火温度太高（约1300℃），这会导致SiC/SiO₂界面出现碳残留。残留的碳主要以下面几种形式存在，如C-Si键、碳空位、硅酸盐和碳化物。鉴于含碳副产物引发的界面缺陷是导致沟道迁移率下降的主要原因，因此业界迫切需要开发一种无碳残留的栅氧化层制作工艺。

日本京都大学的木本恒畅科研团队，在2022年提出了一项关于制作高质量栅氧化层的工艺。大致流程如下：首先，通过氢刻蚀去除残留在碳化硅晶圆表面的缺陷；其次，分两种方式制作氧化层：一（Process A）是在晶圆表面先沉积一层硅薄膜，然后在750℃低温下进行氧化，可将其转换为SiO₂薄膜。由于硅氧化的起始温度为700℃，而碳化硅的氧化起始温度为900℃，因此750℃仅氧化硅而不会氧化碳化硅。二（Process B）是使用化学气相沉积（CVD）方式直接沉积SiO₂薄膜。

▲高质量氧化层制作工艺流程

最后，引入氮原子以实现界面的高质量化。传统退火工艺通常使用一氧化氮对界面进行氮化，但碳化硅不可避免地会被一氧化氮中的氧原子氧化，产生新的缺陷。因此，新退火工艺避免使用一氧化氮，而采用在高温氮气氛围中热处理来提高界面质量。最终的评估结果是，Process A可以将界面缺陷密度降低到传统工艺的十分之一，而Process B可以将界面缺陷密度降低到传统工艺的五分之一。

考虑到界面缺陷的大幅降低，以600V或1200V的SiC MOSFET为例，其导通电阻可降低25~35％。换句话说，原来65~75％的芯片尺寸就可以达到相同的额定电流，从而可以将器件成本降低约30％。由于新工艺不采用一氧化氮，相关成本还会进一步下降。因为使用剧毒的一氧化氮不但危险，而且还会增加安装和维护废气处理设备以及检测警报的成本。

二、优质的垂直晶面成膜

日本京都大学木本教授的科研团队，不仅提出了关于高质量栅氧化层的制作工艺，而且发现在制造沟槽型MOSFET时，选择与硅面（0001）垂直的A面或M面上形成栅氧化层，与传统的硅面成膜的工艺相比，沟道迁移率可以提高约6～7倍。

▲沟槽型MOSFET新的垂直晶面选择

▲不同晶面成膜后粗糙度对比

此外，通过掺杂较高浓度的铝形成p阱，并在A面和M面上制造出了沟槽型SiC MOSFET。测量结果表明，相比传统的平面型（Si面），基于A面和M面的新晶面成膜方法将沟道迁移率分别提高到了6倍和80倍。这样一来，不仅器件的可靠性大大提高，而且面积大幅减少，使成本可降低到原来的三分之一左右。

▲不同晶面成膜导致沟道迁移率差异

三、眼前一亮的混合外延层

要知道，3C-SiC MOSFET的沟道迁移率为100~370cm²/V·s，而4H-SiC MOSFET通常为20~40cm²/V·s，沟槽型器件为6~90cm²/V·s。上面提到，京都大学可以将沟道迁移率最高做到131cm²/V·s，但仍比3C-SiC MOSFET低三倍左右。

设想如果能够制造一种混合外延层，既利用3C-SiC材料的高电子迁移率，又利用了4H-SiC材料的高击穿场强。要实现这一目标，则需要开发一种新的外延生长技术，以无缝堆叠两种不同晶型的碳化硅层。

2023年9月，日本东北大学的科研团队发明了一种名为同步横向外延（Simultaneous Lateral Epitaxy，SLE）生长方法。简单来说，就是在4H-SiC的延伸基面上生长3C-SiC层，3C-SiC也沿着4H-SiC基面延伸，这样使得3C-SiC层与4H-SiC层之间的界面非常平坦，完全没有原子偏差。

▲SLE外延层生长法

使用扫描非线性介电常数电镜（SNDM）测量的结果表明，3C-SiC表面的缺陷密度仅为4H-SiC的两百分之一。SLE法大幅降低了界面缺陷密度，预测制作的MOSFET可将损耗降低30%以上。

由于SLE法能够直接在碳化硅外延层表面引入不同的晶体结构，而无需大幅改变现有的SiC MOSFET器件形状或制造工艺，预计该方法可以快速导入现有的器件生产线。

总结

本文介绍了三种碳化硅MOSFET沟道迁移率提升工艺，包括通过工艺创新制作无碳残留、低缺陷氧化层；针对沟槽型器件选择优质垂直晶面成膜；使用SLE生长法制作含高迁移率的3C-SiC混合外延层。SiC MOSFET器件目前存在两个主要技术难点没有完全突破：低沟道迁移率和高温、高电场下栅氧化层的可靠性。在克服这两个问题后，碳化硅功率半导体行业将迎来爆发式增长。

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串扰问题（Cross talk）半桥电路中，SiC MOSFET芯片开关动作引起另一个SiC MOSFET芯片开关的栅源极电压波动的问题，分为正向串扰和负向串扰。本文阿基米德半导体将为您介绍SiC功率模块串扰机理及解决方案。

设计经验发布时间 : 2024-08-09

中电国基南方（CETC）成立于1958年，为中国电子科技集团公司第五十五研究所，拥有国内唯一的“宽禁带半导体电力电子器件实验室”，已承担十余项SiC功率电子方面的国家科技重大专项课题，专利受理206项，其中发明专利159项， PCT 10项。中电国基南方（CETC）是国内最早建立4、6英寸SiC生产线的公司，容纳圆片能力10000片/年，公司通过了GB/T 19001、ISO9001等行业认证。

碳化硅场效应管碳化硅肖特基二极管

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爱仕特专注于第三代半导体碳化硅（SiC）MOS芯片设计、功率模块的生产制造及其基于SiC器件在新能源领域的应用系统开发方案，由武岳峰资本及国内多家知名投资机构投资数亿元，中国科学院及清华大学博士领军，数十位半导体行业资深人士共同组建的高科技技术创新性企业。公司已申请25项专利技术，采用6英寸技术已量产20余款650V~3300V全系列SiC MOSFET产品，可为客户提供整套应用解决方案。

SiC MOS芯片 SiC MOS模块

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贝思科尔参加碳化硅功率器件制造与应用测试大会，共同探讨和分享功率器件相关行业最新的技术进展和应用经验

碳化硅功率器件制造与应用测试大会将于2024年6月26-28日在无锡锡山举行，贝思科尔将携功率器件测试解决方案亮相本次大会，诚挚欢迎您的到来。活动以“穿越周期 | 韧性增长”为主题，大会邀请了全国功率半导体产业技术实力最强的高校和院所教授授课，话题方向为包括SiC MOSFET功率芯片设计与制造、GaN 功率器件设计与应用、功率器件封装工艺、系统互联建模及设计、高功率高效率电源设计挑战及方案等。

厂牌及品类发布时间 : 2024-07-24

阿基米德半导体携光储及车用IGBT模块实力亮相上海第十七届SNEC展会！

6月13至15日，阿基米德半导体在十七届全球SNEC展会璀璨亮相，阿基米德半导体展示了SiC MOSFET/IGBT单管，半桥IGBT模块，三电平IGBT模块, SiC模块等众多产品。这些产品广泛应用于直流快充/超充，工业电源，感应加热，光伏逆变器，储能PCS，新能源汽车等领域，为行业实现了更高的可靠性和能源转化效率。

厂牌及品类发布时间 : 2024-06-22

HI-SEMICON 产品储能行业分享

型号- SCF60R190C,SGM066R5T,SFF16N50,SFP9N20,SFF50N06,SFP3018T,SC3D06065A,SGP103R0T,SFP18N20,SCF65R170C,HGN042N10A,SGM042R1T,XNP40N60TH,SCF65R190TF,SFF13N50,IXFH22N65,SCW65R090CF,SGM6008T,SGM105R5T,SGS10HR11T,SGM107R7T,SFP6005T,SFM4010T,SCW65R090C,SC3D20065A,SFF20N50,MUR1660CT,SCW65R099TF,SCP65R090CF,SCF60R160C,SC3D10065A,SGM105R0T,SFF33N10,SGP105R0T,SFM10008T,SGM109R5T,SFM6008T,SFM6005ST,SFF18N50,MUR1560G,SFF20N65,SFP110N55,SFF16N65,SFP50N06,SC3D08065A,SC3D12065I,SCF60R125C,SFP59N10,SGM10HR14T,SC3D06065I,SCF65R240C,SGM042R4T,SFP6007T

数据手册 - HI-SEMICON - 2023/8/21 PDF 中文下载

瞻芯电子七周年庆：创新驱动，碳化硅（SiC）技术改变未来

2024年7月17日，瞻芯电子迎来了成立7年周年的重要时刻。在过去的一年里，瞻芯电子顺利完成了股份改制，转型为股份有限公司，持续提升经营管理能力。公司还荣获了国家级专精特新“小巨人”企业等多项荣誉，彰显了其在行业内的卓越地位。同时，瞻芯电子在浙江义乌的碳化硅（SiC）晶圆厂的运营管理水平得到显著提升，通过了严格的IATF16949汽车质量管理认证，晶圆产线良率不断提高，流片周期进一步缩短。

厂牌及品类发布时间 : 2024-07-24

SLKOR（萨科微）功率器件/二极管/三极管/电源管理芯片/霍尔传感器/光耦选型指南

描述- 深圳市萨科微半导体有限公司，技术骨干来自清华大学和韩国延世大学，以新材料新工艺新产品引领公司发展，掌握国际领先的第三代半导体碳化硅功率器件技术。萨科微产品包括二极管三极管、功率器件、电源管理芯片等集成电路三大系列。萨科微从一家IP设计公司已发展成为集设计研发、生产制造、销售服务一体化的国家级高新科技企业,“SLKOR”品牌在半导体行业声誉日隆。萨科微官网在展示萨科微产品、宣传“SLKOR”品牌的同时，也开展行业的技术交流、思想碰撞、信息交互、资料查询等，逐渐成为半导体行业内协同发展最重要的平台之一。

型号- BZT52C43S,SS110,MCR00-8,SMCJ440CA,SL11N65CF,MC34063S,ZMM200,PC817,SL2310,SL3400,SL1629SH,SL252030MXXX,RS1A,RS1M,GBU4005,DB107S,1N4148WS,SMF5.0CA,DSK32,SL40T120FL,SL1625SH,MMBT4401,LM317,SL36N120A,SL75T65FL,SL50328MXXX,MMSZ5259B,SL22N120A,SL2301,BT151,GBP210,SL2302,BT169D,SL49SM8M20P-20,1SMB5921B,SL1613SH,S2MF,SL49SM12M20P-20,2N7002,SL201624MXXX,BTA26-800,SL322540MXXX,S3AB,SL4949,GBU610,BFG520,SL252016MXXX,BZT52B2V4,BZT52B43,SL1605SH,ZM4727,1SMA4777A,SL1609SH,BTA41-800,GBU6005,SL21N65CF,SL25T120FL,BTA24-800,SD05C,SL4275,ULN2003,SL1613TH,ES2A,SS525,6N137,6N136,SL15N65CF,WE05DF-BS,ULN2803,BT138-800,SL78LXX,2SC3357,LM2575,6N135,ZMM2V0,LM2576,BZT52C2V4S,US1A,SMF5.0A,SMAJ170A,SL10N120A,S5MB,RS2A,RS2M,MMBT5551,US1M,SL80N120A,S8550,S2AF,SMBJ5.0C,M1,SS22,BSS123,M7,SS310,ABS210,MMBT3904,MMBT3906,SMF58CA,BT137-800,MM1Z39B,ABS201,SMCJ440A,SMAJ5.0CA,BTA12-600,BAV99,SS32,SMBJ5.0,SL1623SH,SMBJ170CA,SL201612MXXX,BSS138,SL322512MXXX,1SMB5956B,FR101,ES2J,SS12,SL3N170AP,1SS181,FR107,SMF58A,78MXX,SL50T65FL,SM15C,SL1619SH,LL4148,MM1Z2V2B,SMAJ5.0A,MMBTA05,SL14N120A,BC817,SS8050,DB201S,SL1615SH,S1A,LM321,S5AB,SMCJ5.0CA,DSK310,GBU410,SS210,BCP51,SL40T65FL,BCP53,S8050,S1M,B772,SMBJ170A,SL28N65A,MMBT2222A,SLM601,BTA16-800,AMS1117-XX,ZM4761,TL431,SS52,NUP2105LT1G,DB101S,SL322524MXXX,SL1603SH,IRF640,SD12C,S9013,GBP2005,SL3407,BZT52C39,SL7N65CD,SMCJ5.0A,BZT52C2V4,SL50N120A,S3MB,MMSZ5221B,SS8550,SL3415,SMAJ170CA,GBLC05CI,BAV21W,LM358S,DB207S,SL80N65CT,1SMA4728A

选型指南 - SLKOR - 2022/10/9 PDF 中文下载