超临界二氧化碳催生卓越的MOSFET

用超临界CO₂进行低温处理可改善SiC和SiO₂之间的界面

 

SiC MOSFET的性能受SiC和SiO₂之间的界面质量的影响。但来自西安交大和西安电子科技大学的研究团队声称，这种弱点可以通过超临界CO₂处理来解决，这种处理会大大降低界面态的密度。

 

西安交通大学的刘卫华是该团队的发言人，他告诉我们，在传统的SiC MOSFET中，界面并没有用高温退火来优化，因为这会产生碳簇和其他缺陷。

 

用较低温度的超临界CO₂处理可消除这些缺陷的形成，该处理可保证较高的载流子迁移率、较低的泄漏电流，并提升栅极氧化物的临界击穿场。

 

在超临界流体中，液相和气相共存。得益于此，超临界CO₂将气态溶解性与液态渗透性相结合，实现了向纳米级结构的无损伤扩散。

 

使用超临界CO₂改善半导体器件中的界面并不是什么新鲜事。早在2007年，就有报道描述了这种技术可以给非晶硅制成的薄膜晶体管带来的好处。

 

当在低至150°C的温度下将超临界CO₂处理应用于SiC MOSFET时，它被认为可以终止氧化物-半导体界面的陷阱，并抑制界面寄生氧化物。

 

为了评估超临界CO₂工艺的好处，该团队首先制作了MOS结构。他们采用了掺杂浓度为3.5 x 10¹⁵ cm^-3的n型层的外延片，在应用了标准清洁工艺后，使用干氧化法制造出了厚度为55-60 nm的SiO₂膜。

 

使用20 MPa的压力，将一些样品在150°C的超临界CO₂中处理60分钟（请参见上图）。该团队向处理室中添加了0.5 ml的水和0.5 ml的丙醇。后者充当非极性CO₂分子和极性水分子之间的表面活性剂，使水均匀分布在超临界CO₂中。

 

为了对结果进行基准测试，该小组没有处理某些样品，而是在150°C的纯水蒸气中处理了60分钟。

 

采用直径为300μm的铝电极制造MOS结构，使该团队可以评估近界面氧化物陷阱的密度。通过电容电压测量，他们发现未经处理的样品中，近界面氧化物陷阱密度为1.62 x 10¹¹ cm^-2，而在水蒸气和超临界CO₂中处理的样品产生的值分别为6.63 x 10¹⁰cm^-2和1.84 x 10¹⁰cm^-2 。据称，该最小值是通过形成Si-O-Si特征键终止了SiO₂中的陷阱达成的。

 

超临界CO₂处理的其他好处是减少漏电流和增加击穿场。

 

界面态密度的测量还揭示了超临界CO₂处理的益处。

 

Liu表示，团队接下来的任务之一是优化实验条件，以进一步降低界面态密度。另一个目标是通过将这种处理方法应用于4H-SiC MOSFET，来验证超临界流体工艺是否能给这类器件带来好处。

 

参考文献

 

M. Wang et al. Appl. Phys. Express 13 111002 (2020)