注入工艺对SiC MOSFET栅氧质量的影响

今天为大家介绍一篇2025年的文章，来自阳明交通大学，主要内容是注入工艺对SiC MOSFET栅氧质量的影响，

先介绍背景，

近年，SiC功率器件的商业应用不断拓展，商用器件的主要类型包括SiC MOSFET、SiC SBD和SiC JFET，

对SiC MOSFET而言，栅氧化层质量是决定器件可靠性的关键，而辐照环境下的栅氧质量研究目前尚不多见，

相比CVD淀积生长栅氧化层，一般认为热氧生长的栅氧化层具备更优异的可靠性，

然而在SiC MOSFET制备过程中，离子注入先于栅氧化层生长进行，这可能导致注入工艺影响栅氧化层质量，需要通过实验进行验证。

本文正是为了验证注入工艺是否对栅氧化层产生影响。

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SiC MOSFET器件结构及关键制造工艺如上，

外延厚度5.5μm，分别以铝（Al）和磷（P）作为P型、N型注入离子，离子注入在 500°C 环境下进行，随后在1700°C下激活退火30分钟，

栅氧工艺在湿氧环境下进行，随后在1200°C下采用纯NO进行退火，栅氧厚度40nm，

分别制备了沟道长度0.8μm、0.9μm的SiC MOSFET，测试其在辐照前后的转移特性，

辐照源采用钴-60（Co-60）伽马射线源，总累积剂量1kGy，剂量速率为0.515 kGy (Si)/h，

辐照过程中，栅极施加+20 V直流电压，源极和漏极均接地，

为了排除栅应力对器件性能的影响，样品在无辐照条件下进行了室温2小时直流测试，

另外还需注意，在SiC MOSFET中，由于栅氧界面态密度较高，亚阈值摆幅并非定值，这可能导致通过∆Vth估算电荷时出现偏差，

为减小此影响，额外定义Vi——归一化漏电流达到1 pA时的栅极电压。

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不同沟道长度SiC MOSFET在栅应力前后的转移特性如上，

左图L/W=0.8/10，右图L/W=50/10，

在VDS=0.1V条件下测出Vi漂移量约0.22V，随后因为亚阈值摆幅退化，两条曲线逐渐分离，

这表明∆Vth是由界面态或栅氧化层中的电子俘获引起。

而右图所示的长沟道器件，Vth和亚阈值摆幅几乎不变。

换言之，短沟道器件对栅应力更加敏感，栅氧更易受到栅应力的影响。

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器件在辐照前后的转移特性如上，左图L/W=0.8/10，右图L/W=50/10，

此前研究表明，伽马射线辐照会在栅氧化层中产生电子-空穴对，施加外电场会抑制电子-空穴对复合，

由于空穴迁移率较低，大量空穴会被捕获在氧化层中，因此辐照后，所有曲线均向栅压负方向偏移（只要更小的阈值电压器件便能开启），

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两次实验结果如上，

无论栅应力还是辐照，短沟道器件的∆Vth和∆Vi都更加显著，

通过∆Vi可估算氧化层有效电荷，结果显示，短沟道器件的正电荷密度约为长沟道器件的四倍，

即，短沟道器件受辐照影响远大于长沟道器件。

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在相同辐照条件下测试不同沟道长度的SiC MOSFET器件，结果如上，

当沟道长度超过2 μm时，∆Vth和∆Vi都迅速下降，且在沟道长度大于5 μm后趋于饱和。

为解释这一现象，作者提出磷掺杂模型。

即，SiC MOSFET实际制造中，源区先进行磷离子注入，在后续的高温工艺中，磷原子可能会从被消耗的SiC层进入栅氧化层，并留存其中，

为验证该模型，制备了一个覆盖在磷掺杂区域上方的氧化层样品，进行SIMS测试，

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结果如上，

在SiO2中，磷的浓度超过3e19 cm-3，且在靠近界面处浓度达到峰值，

越靠近SiO2表面，磷的浓度越低，

这也符合“从被消耗的掺杂SiC层进入氧化层” 的猜想。

进一步的猜想是——从N⁺区进入氧化层的磷原子，是否会沿着氧化层横向扩散？这种扩散是否会覆盖整个沟道区域？

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对不同沟道长度的器件进行仿真，结果如上，

对L = 0.8 μm 的短沟道器件：从两侧N⁺区横向扩散的磷，在氧化层中相向而行最终相遇，完全覆盖沟道区，

这意味着整个栅氧化层都变成“磷掺杂氧化层”，

对L = 50 μm 的长沟道器件：磷的横向扩散仅限于沟道边缘附近，沟道中心区域上方的栅氧基本未受磷的影响，

这也与之前沟道长度大于5 μm后∆Vth趋于饱和相映证。

小结：

1、相比长沟道器件（50 μm），短沟道（0.8 μm）SiC MOSFET在伽马射线辐照和栅极电压应力下，表现出更加显著的的阈值电压不稳定性，

2、提出磷掺杂模型解释以上差异，

即，SiC MOSFET实际制造中，源区先进行磷离子注入，在后续的高温工艺中，磷原子可能会从被消耗的SiC层进入栅氧化层，并留存其中，

SIMS结果证明，磷原子会从N⁺区进入氧化层，在SiO2中磷的浓度超过3e19 cm-3，

3、仿真结果表明，造成短沟道器件阈值电压不稳定性显著强于长沟道器件的原因，是前者沟道太短，磷可以扩散到整个栅氧层，

而后者沟道太长，磷只能在沟道边缘的栅氧中存在。

参考《A Study of Irradiation-Induced Threshold Voltage Instability in 4H-SiC NMOSFETs with Varying Channel Lengths》

来源：晏小北

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