摘要：针对碳化硅(SiC)金属一氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)中SiC/SiO2界面态密度偏高、迁移率低、栅氧击穿场强退化与阈值电压不稳定问题，系统研究了氧化温度、NO退火组分对界面特性及器件性能的调控机制。通过设计三组对比实验(氧化温度1200~1350°C；退火温度1250~1300°C；NO组分10%~100%)，制备金属一氧化物-半导体(MOS)电容、平面MOSFET及横向MOSFET。电学表征与物性分析发现：温度升至1300°C可抑制界面碳团簇，阈值电压负漂移率改善44%，但1350°C工艺因氧空位增多导致栅氧反向击穿场强下降7%；10%NO退火较100%NO显著提升场效应迁移率38%，这源于氮原子对界面悬挂键的高效钝化。在最优工艺(1300°C氧化温度结合1300°C/10%NO退火)条件下，器件综合性能最优：栅氧正向击穿场强9.65MV/cm、迁移率14.4 cm2/(V·s)、阈值电压负漂移率-9%。本研究为SiCMOSFET栅氧工艺提供了明确的参数窗口与机理解释。
关键词：SiC金属一氧化物-半导体(MOS)电容；SiC横向金属一氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)；栅氧工艺；场效应迁移率；栅氧击穿场强；阈值电压漂移
引 言
由于碳化硅(SiC)具有宽带隙、高击穿电场、高热导率等较为优异的电学性能[1-6]，在高温、高压、高频和大功率器件领域得到了广泛应用[7]。基于其制备的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)表现出极其优异的特性，从而被广泛应用于电动汽车、轨道交通、充电桩、5G通信和光伏储能等领域[8-10]。然而，SiC材料与栅介质二氧化硅(SiO2)界面处存在高界面态密度(Dit)，以及SiC MOSFET器件迁移率偏低、阈值电压稳定性较差的问题[11]，仍是目前制约SiC MOSFET器件性能进一步提升与广泛应用的关键瓶颈。
近年来，研究人员开展了大量界面优化工艺与界面特性研究，2010年，奈良先端科技学院的研究者[12]发现利用三氯氧磷进行栅极氧化物的热退火，可使4H-SiC MOSFET Si面迁移率提高到89 cm²/(V·s)，但会出现较为严重的阈值电压漂移现象；2024年，S.Q.Yang等人[13]采用p阱注入工艺的MOSFET迁移率为11 cm²/(V· s)。
为改善界面特性,掺氮退火(NO/N2O)等工艺通过氮原子钝化缺陷已证实可有效降低Dit[14-15]。2025年，付兴中等人[16]对比了不进行氧化后退火(POA)、优化POA 两种工艺得到的器件级Dit, 分别为8.22×1012和6.52 ×1012 cm-2·eV-1；发现优化POA的样品界面态密度降低,且整体电学特性得到优化。
尽管该领域研究已持续深入，但目前仍缺乏对氧化温度与NO退火组分协同效应的系统性量化分析，特别是对界面特性、电学性能及可靠性的耦合影响机制尚不明确，为此本文通过设计三组对比工艺实验，系统研究了不同栅氧工艺下制备的SiC MOS电容的界面与电学特性，重点包括不同氧化温度及氧化后退火温度、不同NO组分退火及其组合工艺，深入分析界面态密度分布的变化规律及其与工艺条件的关联。进一步地,基于不同栅氧工艺制备SiC平面 MOSFET 及横向MOSFET，通过测试其电性参数定量表征并对比分析其阈值电压、迁移率、导通电阻、栅氧击穿场强等器件关键参数，揭示栅氧工艺-界面特性-器件性能之间的内在联系与影响机制。
1 实 验
采用(0001)晶面偏4°的n型SiC衬底,外延层掺杂浓度为1×1016 cm-3，外延层厚度为11 μm，栅氧厚度为50 nm，制备横向MOSFET结构[17] (图1，图中Lch 为沟道长度)、平面MOSFET结构(图2)及MOS电容结构(图3)。
采用三变量工艺矩阵解耦氧化温度(tOX)与NO氧化后退火效应，不同栅氧工艺条件如表1所示。
2 结果与讨论
2.1 栅氧可靠性及阈值电压漂移率
氧化层的绝缘特性、阈值电压Vth 漂移率与栅氧质量、器件可靠性密切相关。栅氧击穿场强(EOX)是评价栅氧绝缘特性的主要参数，它是栅氧击穿时加在栅氧上的电压与栅氧厚度之比。
Vth 漂移量是通过多次测量Vth，将不同Vth与初始阈值电压Vth0 的差值除以Vth0 得到的，其中Vth 负漂移量是通过Vth2 跟Vth0 的差值除以Vth0得到；Vth 总漂移量是Vth4 跟Vth0 的差值除以Vth0得到。测试方法如下：首先进行Vth0 测试，再在栅源电极间施加22 V 电压测试栅源电流Igss+；然后再进行Vth 测试，得到Vth1；接着在栅源电极间施加-10 V电压测试Igss-，然后再进行Vth 测试，得到Vth2；接下来在漏源电极间施加1200 V电压测试Idss，然后再进行Vth 测试，得到Vth3；最后进行Rdson 测试,再进行Vth 测试，得到Vth4。
采用不同栅氧工艺的样品其EOX、Vth 负漂移率及Vth总漂移率等关键参数如表2所示，其中EOX，正向和EOX，反向分别为栅氧正向和反向击穿场强。可以看出：不同tOX 下，EOX，正向与EOX，反向大小呈现不同变化趋势，Vth 漂移率也发生变化。如图4 所示，当tOX 或退火温度<1300 ℃时：EOX，正向<EOX，反向，当tOX 与退火温度≥1300 ℃时，表现相反。这是因为tOX 或退火温度<1300 ℃时,SiC/SiO2 界面的碳团簇积聚增多，导致EOX，正向偏低。另一方面，当tOX 低时，有利于降低氧化层氧空位数量，从而EOX，反向更高。但因tOX 偏低，界面碳团簇积聚形成大量深能级陷阱，在栅极施加反向偏压时俘获空穴，导致Vth 负漂移率高达-13%。当tOX与退火温度≥1300 ℃时，SiC/SiO2 界面的碳团簇减少，相应Vth 负漂移率逐渐减小，tOX 为1300 ℃时，Vth 负漂移率为-9%，相比1200 ℃时改善44%，但此时氧化层中氧空位增多，导致EOX，正向提升、EOX,反向降低。这是因为氧空位在SiO2 中通常表现为正固定电荷，当栅极施加正向偏压时，能带向下弯曲,正电荷会抵消部分栅压产生的电场，从而EOX，正向提升。而当栅极施加反向偏压时，能带向上弯曲，氧空位正固定电荷与反向偏压产生电场的方向一致，极大地增强了氧空位处的局部电场，导致EOX，反向降低。当tOX 增加至1350 ℃时，由于氧空位增多，导致栅氧反向击穿场强相比1200 ℃时下降7%，分别为9.13和9.8 MV/cm。采用最优工艺组合(1300 ℃氧化+1300 ℃/10%NO退火)时，栅氧击穿场强取得双向平衡，栅氧正向、反向击穿场强分别为9.65和-9.47 MV/cm。
随着tOX、退火温度升高，EOX，反向、Vth 负漂移率均呈现降低趋势，如图5所示。
2.2 迁移率
迁移率是指单位电场强度下所产生的载流子平均漂移速度，代表了载流子导电能力的大小[18]。半导体材料迁移率越高，电阻率越低，通过相同的电流损耗越小。
本次流片设计采用沟道长宽比为4∶100的横向MOSFET结构，沟道长度为4 μm，沟道宽度为100 μm。横向MOSFET 结构的μFE 计算公式[19]为
式中：VD 和ID 分别是漏源电压和漏源电流；VG是栅极电压；L 是横向MOSFET的沟道长度；W是横向MOSFET 的沟道宽度；COX 是栅氧特征电容。
2.2.1 不同栅氧工艺下界面态密度与迁移率
对比不同栅氧工艺下的Dit、μFE，数据如表3(表中EC 为导带能级，ET 为陷阱能级)所示，其中界面态密度是通过对MOS电容结构进行高低频电容-电压(C-V)测试，再根据高低频下电容值计算得到。由数据可知：#3 样品的μFE 最高(14.4 cm2/(V·s))，但其Dit (7.3×1011 cm-2·eV-1)不是最低，#2样品的界面态密度最低，但其μFE 并不是最高，这表明Dit 跟μFE 并不呈线性正相关。这是因为界面态密度并非决定迁移率的唯一因素，迁移率受多重散射机构制约[19]，总迁移率公式为
#5和#6样品数据对比：#6样品的μFE 低于#5样品，这是因为#6样品(tOX=1350 ℃)比#5样品(tOX=1300 ℃)的氧化速率更快，导致氧空位增加，继而库仑散射增强,迁移率下降。#3和#4样品数据对比：#4样品的μFE 低于#3样品，这是因为100%NO 较10%NO，过量的氮形成Si3≡N+ 带正电，导致库仑散射增强，迁移率下降。10%NO较100%NO提升μFE 38% (μFE 分别为14.4 和10.4 cm2/(V·s))；tOX=1300℃较tOX=1350 ℃提升μFE22% (μFE 分别为14.4和11.8 cm2/(V·s))。
2.2.2 不同栅氧工艺下μFE 与Rdson/Vth 的关系
为分析μFE 对碳化硅MOSFET器件(器件规格：反向耐压1200 V， 导通电阻Rdson为80mΩ)Rdson的影响，本次数据分析引入Rdson/Vth 这一比值来评估。因反向耐压为1200 V的碳化硅低压MOSFET器件其沟道电阻在MOSFET总Rdson 中占比较高，沟道电阻与μFE 呈反比，所以μFE 大小对Rdson 有直接影响。但是,在VG 相对较小时，沟道电阻与Vth 呈正比，即任何因素引起的Vth 变小都会导致Rdson 变小，所以不能直接用Rdson 变化来评价μFE 对MOSFET Rdson 的影响。而采用Rdson/Vth 这一比值可排除因流片过程中某些因素引起Vth 变化对Rdson 产生的影响，从而更为客观地表征因μFE 变化引起的Rdson 差异。表4为不同样品的迁移率与Rdson/Vth。
从图6可以看出：μFE 与Rdson/Vth 这一比值呈现负相关，即：μFE 越高，Rdson/Vth 的比值越低，对应MOSFET器件，随着μFE的提升，Rdson 降低的幅度越大。
3 结 论
本文通过分析不同栅氧工艺下SiC MOSFET器件栅氧的EO，正向和EOX，反向数据差异，并揭示其与Vth 负漂移量之间的关系，深入探索了影响栅氧击穿场强和阈值电压漂移两种参数的内在物理机制，得出以下结论：随着tOX 升高，界面碳团簇减少，负压后Vth 负漂移量降低：但如果tOX 过高(tOX≥1 350 ℃)，氧化层中氧空位过高，将导致EOX，反向降低，所以tOX 不能过高。另外，分析了不同栅氧条件下Dit 与μFE 不呈线性正相关的原因：最后，通过引入Rdson/Vth 这一比值，排除因流片过程中其他因素引起Vth 大小差异对Rdson 产生的影响，为更纯粹地分析μFE 对SiC MOSFET器件Rdson 的影响提供有力支撑。综合EOX，正向、EOX，反向、Vth 负漂移量、μFE、Rdson/Vth 等电性参数表现得出：最优工艺组合(1300 ℃ 氧化+1300 ℃/10%NO退火)下，在界面质量与电学性能间取得最佳平衡。
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