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西安交大科研人员基于超临界流体工艺研制成高性能碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管

碳化硅 (SiC) 是电力电子领域中最重要的半导体材料之一,在新能源汽车、太阳能和风能等领域有着广泛的应用前景。SiC功率器件目前的市场份额已经超过15亿美元并且呈现出越来越迅速的发展趋势,预计在2025年SiC功率器件总市场份额将超过35亿美元。SiC MOSFET技术的成熟是当前碳化硅功率器件大规模应用最重要的技术关隘。其核心技术瓶颈是SiC MOSFET 栅氧层界面质量差导致沟道迁移率低(通常低于10 cm2/V·s),使得沟道开态电阻过高,能源转换效率严重受限。低沟道迁移率主要是由于在SiC热氧化形成二氧化硅(SiO2)过程中,在SiO2/SiC 界面产生高密度的界面态。研究表明靠近SiC/SiO2界面的碳残留是导致高密度界面态的主要原因。目前,降低这种界面缺陷的标准程序是在一氧化氮 (NO) 或一氧化二氮 (N2O) 中高温退火,称为后氧化退火 (POA),其典型温度范围为 1000°C至1500°C。然而这样的高温钝化工艺,无法避免界面处再氧化而导致额外缺陷,从而严重限制了界面质量的提升效果。此外,在磷基环境中进行高温退火和使用沉积的高 k 电介质(如三氧化二铝)来代替热氧化物等技术方案,则往往导致栅氧层可靠性的降低和较高的漏电流。SiC MOSFET的栅氧层界面质量问题是该领域的重大技术瓶颈。

低温超临界流体设备和横向硅(Si)面SiC MOSFET器件示意图

超临界流体工艺处理后获得高质量的SiO2/SiC界面和高迁移率的SiC MOSFET

为解决以上技术瓶颈,西安交通大学新人注册送58元平台耿莉教授、刘卫华教授团队与西安电子科技大学郝跃院士共同合作,提出了一种使用低温超临界二氧化碳(SCCO2) 或超临界一氧化二氮 (SCN2O) 流体的低温退火工艺,以提高4H-SiC MOSFET中4H-SiC/SiO2界面的质量。通过增加压力,二氧化碳(CO2)和 一氧化二氮(N2O) 在接近室温时更容易进入超临界流体 (SCF) 状态。SCF态是物质的一种特殊相,它具有气体一样的高渗透能力和液体一样的高溶解度,几乎没有表面张力,因此,可以将 SCCO2或 SCN2O 流体引入界面来减小陷阱,而不会造成新的损伤。实验证明,使用SCF在120°C下进行的退火工艺在提高 MOSFET 器件中的 4H-SiC/SiO2质量方面非常有效,在 (0001) Si 面上制造的横向 4H-SiC MOSFET 的峰值场效应迁移率高达72.3 cm2/V · s,大约是氮氧后氧化退火工艺的最新结果的两倍。低温避免了高温的再氧化和材料分解问题,因而显著提高了介电层的可靠性。该研究成果不仅实现了高质量的SiO2/SiC界面、高的沟道迁移率和介电可靠性,更令人鼓舞的是,所提出的高效低温退火工艺与标准 SiC MOSFET 制造工艺兼容,为制备高性能SiC MOSFET器件提供了新的有效方法,方便用于商用器件的制备。

近日,上述研究成果论文在第67届电气电子工程师学会(IEEE)国际电子器件会议(International Electron Devices Meeting, IEDM)上发表,论文题目为:“超临界流体低温退火工艺实现高性能”(Toward High Performance4H-SiC MOSFETs Using Low Temperature Annealing Process with Supercritical Fluid)(IEDM 36.2.1-36.2.4 (2021))。王梦华是学生第一作者,杨明超老师是第二作者,刘卫华教授、耿莉教授和郝跃院士是论文的通讯作者,西安交通大学为第一单位和通讯单位。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、西安交通大学基本科研业务费的支持。

背景链接:

IEDM始于1955年,具有六十多年历史,是微电子器件领域的顶级会议。该会议主要报道国际半导体和电子器件方面的最新研究进展,是著名高校、研发机构和行业领军企业报告其技术突破的重要平台,每年英特尔(Intel)、三星(Samsung)、台积电(TSMC)和国际商业机器公司(IBM)等国际知名半导体公司都利用这个会议发布最新研究成果,具有“风向标”的作用,在国际半导体技术领域具有权威的学术地位和广泛的影响力。

 



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