碳化硅(SiC)是电力电子领域中最重要的半导体材料之一，在新能源汽车、太阳能和风能等领域有着广泛的应用前景。SiC功率器件目前的市场份额已经超过15亿美元并且呈现出越来越迅速的发展趋势，预计在2025年SiC功率器件总市场份额将超过35亿美元。SiC MOSFET技术的成熟是当前碳化硅功率器件大规模应用最重要的技术关隘。其核心技术瓶颈是SiC MOSFET栅氧层界面质量差导致沟道迁移率低（通常低于10 cm²/V·s），使得沟道开态电阻过高，能源转换效率严重受限。低沟道迁移率主要是由于在SiC热氧化形成 二氧化硅（SiO₂）过程中，在SiO₂/SiC界面产生高密度的界面态。研究表明靠近SiC/SiO₂界面的碳残留是导致高密度界面态的主要原因。目前，降低这种界面缺陷的标准程序是在一氧化氮(NO)或一氧化二氮(N₂O)中高温退火，称为后氧化退火(POA)，其典型温度范围为1000°C至1500°C。然而这样的高温钝化工艺，无法避免界面处再氧化而导致额外缺陷，从而严重限制了界面质量的提升效果。此外，在磷基环境中进行高温退火和使用沉积的高k电介质（如三氧化二铝）来代替热氧化物等技术方案，则往往导致栅氧层可靠性的降低和较高的漏电流。SiC MOSFET的栅氧层界面质量问题是该领域的重大技术瓶颈。

图1 低温超临界流体设备和横向硅（Si）面SiC MOSFET器件示意图

图2 超临界流体工艺处理后获得高质量的SiO₂/SiC界面和高迁移率的SiC MOSFET

为解决以上技术瓶颈，西安交通大学微电子学院耿莉教授、刘卫华教授团队与西安电子科技大学郝跃院士共同合作，提出了一种使用低温超临界二氧化碳(SCCO₂)或超临界一氧化二氮(SCN₂O)流体的低温退火工艺，以提高4H-SiC MOSFET中4H-SiC/SiO₂界面的质量。通过增加压力，二氧化碳（CO₂）和 一氧化二氮（N₂O） 在接近室温时更容易进入超临界流体(SCF)状态。SCF态是物质的一种特殊相，它具有气体一样的高渗透能力和液体一样的高溶解度，几乎没有表面张力，因此，可以将SCCO₂或SCN₂O流体引入界面来减小陷阱，而不会造成新的损伤。实验证明，使用SCF在120°C下进行的退火工艺在提高MOSFET器件中的4H-SiC/SiO₂质量方面非常有效，在(0001) Si面上制造的横向4H-SiC MOSFET的峰值场效应迁移率高达72.3 cm²/V·s，大约是氮氧后氧化退火工艺的最新结果的两倍。低温避免了高温的再氧化和材料分解问题，因而显著提高了介电层的可靠性。该研究成果不仅实现了高质量的SiO₂/SiC界面、高的沟道迁移率和介电可靠性，更令人鼓舞的是，所提出的高效低温退火工艺与标准SiC MOSFET制造工艺兼容，为制备高性能SiC MOSFET器件提供了新的有效方法，方便用于商用器件的制备。

近日，上述研究成果论文在第67届电气电子工程师学会（IEEE）国际电子器件会议（International Electron Devices Meeting, IEDM）上发表，论文题目为：“超临界流体低温退火工艺实现高性能”（Toward High Performance4H-SiC MOSFETs Using Low Temperature Annealing Process with Supercritical Fluid）（IEDM 36.2.1-36.2.4 (2021)）。王梦华是学生第一作者，杨明超老师是第二作者，刘卫华教授、耿莉教授和郝跃院士是论文的通讯作者，西安交通大学为第一单位和通讯单位。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、西安交通大学基本科研业务费的支持。

背景链接：IEDM始于1955年，具有六十多年历史，是微电子器件领域的顶级会议。该会议主要报道国际半导体和电子器件方面的最新研究进展，是著名高校、研发机构和行业领军企业报告其技术突破的重要平台，每年英特尔（Intel）、三星（Samsung）、台积电（TSMC）和国际商业机器公司（IBM）等国际知名半导体公司都利用这个会议发布最新研究成果，具有“风向标”的作用，在国际半导体技术领域具有权威的学术地位和广泛的影响力。