SiC領域20年來的重大技術突破，京都大學將品質提高約10倍

2020-09-07 卡比獸papa

京都大學研究生院工學研究科的木本恆暢教授、東京工業大學科學技術創成研究院的松下雄一郎特任副教授及小林拓真博士研究員等人組成的研究團隊，把被視為節能王牌的SiC半導體20多年來面臨的主要問題——半導體缺陷降低了一位數，成功地將性能提高了約10倍。

以Si為中心的半導體不僅是計算機邏輯和存儲器，還廣泛應用於純電動汽車、電車的馬達控制及電源等，但存在耗電量（功耗）較大的問題。近年來，為降低功耗，性能優於Si的SiC電晶體的開發變得活躍，並開始實現實用化。

不過，20多年來，SiC電晶體的核心部位氧化膜與SiC的邊界部分（界面）始終存在很多缺陷，無法充分發揮SiC本來的特長。

本次研究將SiC功率半導體存在的最主要問題——氧化膜與SiC界面的特性提高了約10倍，有望一舉加速SiC功率半導體的實用化及由此產生的節能效果。此次提出的方法完全不需要使用特殊裝置或特殊氣體和化學物質，從事半導體器件業務的企業都可以無障礙地採用。還具備能擺脫一氧化氮劇毒氣體的巨大優點。

將此次的研究成果應用於SiC電晶體（MOSFET）可獲得以下優點：

  1. 大幅提高電晶體的性能；
  2. 通過削減晶片面積大幅降低成本；
  3. 大幅提高可靠性。

尤其是優點（2），降低成本，便可以大大加快在目前因為成本原因而猶豫是否要採用SiC電晶體的系統上配備。全球的SiC功率半導體的市場規模現在約為700億日元，預計5年後將超過2,000億日元。據估算，通過配備SiC功率半導體，有望節約相當於數座核電站的能源。

形成超高品質SiO2/SiC界面

研究方法與成果

Si半導體中最重要的電晶體是利用氧化膜與半導體的結的MOSFET（金屬-氧化膜半導體場效應電晶體）。Si MOSFET幾乎在所有應用中都是最重要和最基本的器件，比如計算機邏輯、存儲器、圖像傳感器以及電力用功率器件等。

Si MOSFET的核心部位就是氧化膜與Si的結界面。Si MOSFET利用了通過熱氧化Si（在氧氣氣氛中加熱至高溫）會在Si表面形成高質量氧化膜（SiO2）的特點。

與Si一樣，熱氧化SiC也會在表面形成SiO2膜，這被視為SiC的一大優點。以前一直利用這種方法形成氧化膜（SiO2膜）與SiC的結，製作SiC電晶體（MOSFET）。不過觀察發現，氧化膜/SiC的結界面存在非常多的缺陷（Si的100倍以上），這種界面缺陷大大限制了SiC電晶體的性能。業界一直嘗試通過調整SiC的氧化條件，或熱氧化後在各種條件下進行熱處理來降低氧化膜與SiC界面的缺陷，但20多年來始終沒有取得明顯的進展。另外，也一直不清楚氧化膜與SiC的界面缺陷的形成原因，始終不知道該如何提高品質。

此次，松下特任副教授等人的研究團隊利用第一性原理計算發現，熱氧化SiC時肯定會在界面高密度形成由碳原子引起的缺陷。木本教授等人根據該計算結果朝著乍一看很矛盾的目標推進了實驗研究，即「在不氧化SiC的情況下形成優質氧化膜＝通過一層也不氧化SiC的方法形成優質氧化膜」。研究團隊根據理論反覆進行思考和實驗，發現以下兩點能有效減少缺陷。

  1. 構思了在乾淨的SiC表面堆積Si薄膜，通過對其進行低溫氧化，將Si薄膜轉化為SiO2膜的想法，並利用該方法成功形成了高品質SiO2膜。Si的氧化起始溫度約為700℃，SiC的氧化起始溫度約為900℃，因此，在二者中間選擇合適溫度的話，完全無需氧化SiC，就能將Si薄膜徹底轉化為SiO2膜。
  2. 利用上述方法在SiC表面形成SiO2膜後，通過向界面導入氮原子提高了品質。一直以來，通過基於一氧化氮（NO）氣體的界面氮化來提高品質的方法還被廣泛應用於SiC MOSFET的量產，但使用NO氣體的話，在向界面導入氮原子的同時，NO氣體分子中的氧原子還會促進SiC氧化，從而生成新的缺陷。另外，NO氣體為劇毒氣體，因此應該避免在量產工廠使用。此次，木本教授等人通過在高溫氮氣（N2）氣氛中進行熱處理，成功得到了高品質界面。

圖1展示了常規的全球標準方法「熱氧化→一氧化氮（NO）氣體處理」和此次研究（「Si堆積→通過Si低溫氧化形成SiO2膜→在高溫下氮氣退火」）的方法。圖2比較了分別用這兩種方法形成的SiO2/SiC界面缺陷。如圖所示，與常規的全球標準方法（目前的最好方法）相比，性能提高了10倍（缺陷量1/10）。具體來說，利用自主開發的方法，將常規方法中存在的1.3x1011cm-2的缺陷密度成功降到了1.2x1010cm-2。另外，此次研究實施了很多系統性的的實驗，確認只要SiC半導體表面有輕微的氧化，就無法形成這種超高品質的界面。

圖1：形成SiO2/SiC結構的方法模式圖（上：常規方法，下：此次研究提出的方法）

圖2：降低SiO2/SiC界面缺陷的實驗數據

「氧化SiC在表面形成SiO2膜，將其用於SiC電晶體」——此次打破了這種一直以來的認識，通過「在不氧化SiC的情況下在表面形成優質氧化膜」的「逆向思維」，解決了困擾該領域20多年的技術課題，實現了重大突破。

【論文信息】

題目：Design and formation ofSiC(0001)/SiO2 interfaces via Sideposition followed by low-temperatureoxidation and high-temperature nitridation

期刊：Applied Physics Express

DOI：10.35848/1882-0786/ababed

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