浅析SiC MOS新技术：沟道电阻可降85%

我们知道，SiC MOSFET现阶段最“头疼”的问题就是栅氧可靠性引发的导通电阻和阈值电压等问题，最近，日本东北大学提出了一项新的外延生长技术，据说可以将栅氧界面的缺陷降低99.5%，沟道电阻可以降低85.71%，整体SiC MOSFET损耗可以降低30%。

9月28日，东北大学和CUSIC在“ICSCRM2023”会议上宣布，他们针对SiC MOSFET开发一种“同步横向外延生长法（SLE法）”，目的是通过在4C-SiC外延层上再生长3C-SiC层，来解决高温栅氧导致的可靠性问题。

为什么需要怎么做？传统4C-SiC栅氧层制备最大的问题是温度太高（约1300℃），这会导致SiO2/SiC界面出现碳残留，导致沟道迁移率低，以及可靠性和阈值电压等缺陷。

如果通过3C-SiC来制备栅氧层，工艺问题可以低于900℃，可以完美解决这个问题。根据“行家说三代半”之前的报道，3C-SiC MOSFET的n沟道迁移率范围为100-370 cm2/V·s。而4H-SiC MOSFET通常为20-40cm2/V·s，沟槽器件为6-90 cm2/V·s，京都大学的技术可以做到131 cm2/V·s，但也比3C-SiC MOSFET低3倍左右。

东北大学根据这思路制备了一种CHESS-MOSFET，即在4C-SiC叠加3C-SiC层，如下图：

采用4H-SiC外延层的MOSFET（左），CHESS-MOS（右）

该研究团队表示，CUSIC 设计的“CHESS-MOS”能够同时降低功率损耗并确保长期可靠性。

该器件的特点是采用了混合外延层，既利用了3C-SiC的高迁移率，也利用了4H-SiC层的高耐压。

然而，要实现这一目标需要开发新的外延和晶体生长技术，以无缝堆叠两种不同晶格SiC层。因此，该研究团队开发了SLE方法。

简单来说，SLE方法是在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，没有原子偏差。

扫描非线性介电常数显微镜测量结果显示，3C-SiC表面的缺陷密度仅为4H-SiC的1/200，表明SLE方法可以大幅降低界面缺陷密度，预测CHESS-MOS可将损耗降低30%以上。

而且，由于基于3C-SiC的CHESS-MOS还可以极大地降低绝缘膜漏电流密度，消除绝缘膜在短时间内劣化的风险，提高器件的长期可靠性。

在实验中，该团队还发现，使用SLE法可以形成3C-SiC/4H-SiC/3C-SiC/4H-SiC等双量子阱结构的现象，那么通过有意地形成这种堆叠结构，可以制造高频器件，而在以前，SiC半导体器件被认为难以实现。

此外，该团队还有另一个新发现，他们通过使用SLE方法在半绝缘4H-SiC衬底上生长3C-SiC层，可避免由于与衬底电容耦合而导致的高频信号衰减问题，这将有望为高频集成电路的大规模生产铺平道路。

最为重要的是，SLE方法能够直接在SiC外延层表面的一部分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，预计该技术很快可以导入器件生产线。

审核编辑：刘清