在推动碳化硅（SiC）功率器件制造成本节约的过程中，多数时候我们会非常关注衬底供应及其潜在成本、自动化200毫米晶圆厂，以及向沟槽器件架构的转变。 然而，在SiC MOSFET的制造和设计中，最大的挑战（和成本）仍然是最古老的问题：如何在SiC表面形成高质量和可靠的介电层（氧化物），或者——如果未能实现这一点——如何通过工艺变通、器件设计和测试来应对不完美的氧化物。 碳化硅作为宽带隙半导体的最大优势之一被认为是碳化硅，就像硅一样，碳化硅可以被氧化形成二氧化硅 (SiO2)。然而，人们早已知道碳化硅中的碳含量会使简单的氧化过程复杂化。由于碳会卡在氧化物中以及氧化物和碳化硅之间的界面上，这种不完美的氧化物必须用一氧化氮退火来处理，才能产生一种足以满足大众市场需求的氧化物。
这看似无害的栅氧层是许多SiC创新的根本原因。沟槽器件架构克服了由栅氧层引起的高沟道电阻。高达25%的栅氧层在制造后立即失效 ，这是器件产量和成本的一个主要问题，也需要进行进行老化测试阶段来识别出问题器件 。同时，器件设计人员必须不惜一切代价保护SiC MOSFET的栅氧层，以确保长期可靠性，这决定了器件设计选择，并经常需要降额。 在这两篇关于SiC栅氧层的文章中，我们首先从问题的起源开始，即在SiC氧化过程中未完全去除的碳及其对效率、产量和可靠性的影响。我们评估了当前最先进的氮基处理技术，这些技术帮助实现了当今变革性的 SiC 产品系列。 在下个月发布的第二篇文章中，我们将探讨具有挑战性的栅极氧化物的更广泛影响。在回顾实验室正在探索的一些更激进的替代方案以替代或增强 SiC 氧化物之前，我们将考虑设备制造商在其设备设计中用于处理此问题的当前方法。
碳化硅（SiC）行业现在是一个每年20亿美元的市场，自2011年第一个SiC MOSFET发布以来，受到电动汽车、工业机器、数据中心和可再生能源部门的需求推动，市场迅速崛起 。这一成功源于材料的基本属性，包括其高临界电场、高热导率和更宽的带隙。这些属性结合产生了快速开关和高效率的功率转换器，SiC因此而闻名。然而，这些属性也与其他宽带隙半导体共享，包括氮化镓、金刚石和氧化镓。 区分SiC与其他宽带隙材料的两个关键方式是它与硅（Si）的相似性。首先，就像Si一样，可以生长高质量的大面积SiC晶体，这些晶体可以切割成单独的衬底，制造过程可以从这些衬底开始。由于可实现的SiC晶体高度有限、生长速度慢和设备及维护成本高，这些衬底仍然非常昂贵。然而，全球范围内从150毫米直径衬底技术向200毫米衬底技术的转变，是未来预计成本降低的主要来源之一。 SiC与Si之间的第二个相似之处是，可以在它们的表面形成一层二氧化硅（SiO2），这一过程被称为热氧化。由于SiC是50%的硅，将其表面在1200-1400°C的温度下加热在氧气中，会形成SiO2，这是形成功能正常、可靠的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的完美绝缘体。 这些相似性解释了为什么SiC功率器件（MOSFET、肖特基二极管、JFET）几乎与半个多世纪前开发的Si器件一模一样。实际上，打开一个200V Si MOSFET并与1200V SiC MOSFET进行比较，很难发现差异。 然而，关于SiC及其氧化物，还有一个更详细的故事要讲。 尽管从其含有50%硅含量的化合物中获得了所有好处，但碳在氧化过程中的作用是长期限制器件产量、可靠性和效率的根本原因。事实上，优化SiC与SiO2之间的界面以最小化损失并提高可靠性的挑战，已经成为30多年来数百篇博士论文的主题。 》》SiC氧化工艺 这个过程从一个简单的化学反应开始，氧气与 SiC 表面的 Si 结合形成第一个 SiO2 单层。同时，碳本身会与氧气发生反应，形成一氧化碳 (CO)，一氧化碳作为副产品被去除。 随着这一初始层的生长，进入的氧气渗透到已经形成的薄 SiO2 层中，SiC 中的更多 Si 被消耗，形成更深、更厚的 SiO2 层，大部分碳会穿过薄 SiO2 层被去除。 图1：硅碳化物的热氧化导致在其表面形成SiO2层。
然而，在仅仅几层SiO2生长之后，就有证据表明，一些碳没有通过SiO2离开。 相反，如图1所示，未反应的碳原子被困在SiC与新形成的SiO2之间的界面上。这种界面碳会引起重大问题，我们稍后将看到，但在这个阶段，界面仍在运动，因为更多的SiC在持续的氧化过程中被消耗。因此，可能在界面释放的碳本身被消耗在不断扩大的氧化物中，并将留在那里。 一旦热氧化过程完成，在SiC表面形成了大约40纳米的SiO2层，它并不是我们期望的纯SiO2。相反，整个氧化物中以及现在永久的SiO2-SiC界面上都充满了不需要的碳。 》》碳滞留问题 在本节和下一节中，我们将集中讨论效率问题，以及当前基于氮的解决方案。 如图2所示，“沟道”是在应用栅极电压时在SiC的顶部几纳米区域内形成的区域。这个区域在MOSFET的运行中起着关键作用，1）在设备开启时允许电荷（电子）通过设备流动，2）在设备关闭时阻止这种电流，3）以及高效可靠地在这些状态之间转换。在“开启”状态下，电子通过与氧化物界面紧密接触的狭窄沟道，使其质量至关重要。
图2：位于SiC/SiO2界面和氧化物内部的碳相关电荷使电子减速并偏离理想路径， 这种基于半导体的通道可以比作穿过运河或溪流的水。驻留在界面处的碳的影响可以比作扔进运河的数千块巨石，这会减慢流过的水流速。
同样，栅极氧化物下方的电子流受到捕获的碳的阻碍。然而，这不仅仅是界面碳的物理屏障。界面处或附近每个不需要的、被捕获的碳原子都会带有一些电荷，这会对下方流过的电子流施加力，如图 2 所示。被称为界面和近界面陷阱，整个氧化物中不需要的碳的密度越大，电子流越慢，最终 MOSFET 的电阻越高。
半导体中电子的流动可以用“电子迁移率”来衡量。硅 MOSFET 通道中的电子迁移率通常大于 400 cm2/vs。在 SiC 中，捕获电荷意味着其电子迁移率可以低至 5 cm2/vs。
迁移率降低 80 倍会导致通道区域电阻增加 80 倍，从而限制器件效率。事实上，如此低的通道迁移率不可能提供当今高效的 SiC 器件。
》》当前最先进技术：氮气来救援 到目前为止，这项工作最成功的解决方案是在氧化过程中使用氮。 NO后氧化退火已成为器件制造商的标准工艺，因为这个迁移率值足够高，可以满足实际应用的需求。
正如我们在第二部分所讨论的，通过建模，我们发现在最先进的750V SiC MOSFET中，沟道占据了总器件电阻的10-20%，具体比例取决于设计。然而，SiC沟道迁移率仍然比同等硅值低一个数量级。 我们的建模表明，如果迁移率能提高到大约100 cm²/V·s，将几乎可以消除这种电阻。
提高沟道迁移率是降低电阻和提高效率的关键因素，这最终可能导致芯片尺寸缩小和产量提高。然而，这只是栅氧化层问题的一个方面，它还影响长期可靠性和生产产量。
》》与氧化物相关的MOSFET可靠性
其中一个挑战是，如果氧化物长时间暴露在太多应力下，将容易长期失效。
二是器件的降额——使用保守的器件设计（这最终降低了效率）来限制应力。
使用这种氧化物还存在其他一些特性，包括其阈值电压（开启器件所需的栅极电压）可能因为施加在栅极上的电压而上升或下降。在器件并联连接以增加电流通过量的情况下（例如汽车应用），如果不加以控制，不匹配的阈值电压可能导致不均匀的磨损，最终导致器件过早失效。
在过去几年中，这些领域的进展迅速，这些问题已经得到了控制。包括降额在内的成功缓解策略意味着，当器件在汽车合格MOSFET数据表上指定的安全条件下使用时，阈值电压不稳定不再是一个主要问题。然而，正如我们将在第二部分看到的，为了实现这一点而施加的限制是限制性的。
》》与氧化物相关的MOSFET产量问题
问题的严重性在于，每个完成的器件都必须在制造后进行测试，以捕捉所有将立即失效的器件。
在硅处理中，由于故障很少，这是不可想象的，SiC行业越来越多地转向烧录测试，这是一种将多达18个完全加工的SiC晶圆装载到一个腔室中，并行测试每个晶圆上的每个器件的方法。
这些测试包括对器件施加应力（对栅极施加电压）48-96小时，以引起那些将立即失效的器件。有了这些知识，IDM可以在切割和进一步封装或模块开发之前，消除晶圆上的坏芯片。
外部栅极氧化物故障的原因在业界一直存在争议。主要怀疑因素是 SiC 中的高电场以及 SiC 和 SiO2 之间的较低势垒。然而，氧化物中存在缺陷是试图解释栅极氧化物故障的理论和模型中始终存在的触点。
》》总结 然而，我们仍然可以努力做得更好，一种可以立即提高产量、长期可靠性和效率的解决方案是通过解决碳问题的根本原因。
在本篇评论的第二部分中，我们将更详细地介绍器件设计人员用于管理具有挑战性的氧化物的应对策略和方法。这些策略和方法将包括当前行业趋势，即沟槽器件、更小的单元间距以及这些架构为栅极氧化物提供的保护。我们还将考虑更激进的方法，包括努力完全取代热氧化工艺，从而有可能全面降低成本。
本文来源：PGC Consultancy Ltd （ Peter Gammon） 原文链接： https://www.pgcconsultancy.com/post/the-silicon-carbide-gate-oxide-part-1-a-perfect-oxide-an-imperfect-interface
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