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SiC MOSFET氧化工艺中臭氧如何使用?发生器如何选型?

来源:www.ozonelab.cn 发布时间:2026-07-15 09:31:35 浏览次数:

SiC MOSFET氧化工艺中臭氧如何使用?臭氧浓度如何设置?发生器如何选型?

     随着新能源汽车、光伏储能、轨道交通等产业快速发展,第三代半导体碳化硅(SiC)MOSFET正在进入大规模应用阶段。相比传统硅器件,SiC MOSFET具有耐高压、耐高温、低导通损耗、高开关频率等优势,而栅氧化层(Gate Oxide)及SiC/SiO₂界面质量则直接决定器件的可靠性和电学性能。

近年来,越来越多的研究将臭氧(O₃)引入SiC栅氧化及氧化后处理(Post Oxidation Treatment)过程中,以提高氧化质量、降低界面缺陷密度(Dit),改善器件性能。那么,在SiC MOSFET工艺中,臭氧应该如何使用?臭氧浓度如何设置?又该如何选择合适的臭氧发生器?

 

SiC MOSFET氧化工艺中臭氧如何使用?发生器如何选型?(1)

一、为什么SiC MOSFET越来越多采用臭氧工艺?

SiC在热氧化过程中,与传统硅材料存在明显区别。

由于SiC中含有大量碳元素,在热氧化形成SiO₂过程中,界面附近容易形成碳相关缺陷、悬挂键以及较高的界面态密度(Dit),这些缺陷会降低沟道电子迁移率,并影响MOSFET的阈值电压稳定性和长期可靠性。

传统工艺通常采用NO或N₂O进行氧化后退火(POA)改善界面质量,但近年来越来越多研究发现,臭氧具有更强的氧化能力,可在较低温度下提供活性氧,有助于促进界面碳相关缺陷的氧化和去除,从而改善SiC/SiO₂界面质量。

因此,臭氧更多用于以下几类工艺:

SiC栅氧化过程中的氧化气源;

臭氧辅助氧化(Ozone-assisted Oxidation);

氧化后的臭氧处理工艺;

与后续NO、N₂O退火工艺配合使用,提高界面品质。

需要说明的是,不同研究机构和设备厂商采用的工艺路线并不完全相同,臭氧通常作为氧化工艺的重要组成部分,而不是简单意义上的"臭氧退火"。

 

二、臭氧浓度如何设置?

对于实验室及科研开发而言,臭氧浓度并不存在统一标准,而是需要根据设备结构、氧化目标、处理温度以及氧气流量进行优化。

这里所说的臭氧浓度,一般是指臭氧发生器出口浓度,并非反应腔内实际臭氧分压。

目前,高浓度臭氧发生器通常能够输出2%~10 wt%的臭氧浓度,可满足绝大多数SiC氧化实验需求。

对于初次开展实验的用户,可参考如下建议:

参数

建议范围

臭氧发生器出口浓度

2~6 wt%

氧气纯度

≥99.5%

臭氧流量

根据炉管尺寸及反应器设计确定

处理时间

根据氧化目标优化

工艺温度

根据设备及工艺验证确定

建议首次实验可选择约3 wt%左右作为初始条件,再结合氧化层厚度、界面态密度(Dit)、CV测试及器件电性能逐步优化臭氧浓度、处理时间和氧气流量,而不是一次设定到很高浓度。

值得注意的是,随着处理温度升高,臭氧热分解速率会明显增加。因此,高温条件下应综合优化臭氧浓度、气体流量、输送距离以及气路设计,而不是单纯提高臭氧发生器输出浓度。

 

三、臭氧发生器应该如何选型?

对于SiC MOSFET氧化工艺而言,臭氧发生器不仅要能够产生臭氧,更重要的是能够长期稳定输出高纯度、高浓度臭氧。

1. 优先选择氧气源臭氧发生器

空气源臭氧发生器臭氧浓度通常较低,并且容易受到湿度影响。

对于半导体工艺,建议采用高纯氧作为气源,既能够获得更高臭氧浓度,也有利于保证长期稳定性。

建议氧气纯度不低于99.5%。

 2. 具有连续调节能力

工艺开发阶段需要不断寻找合适工艺窗口,因此发生器应支持臭氧浓度连续调节。

目前主流方式包括:

调节放电功率;

调节氧气流量;

放电功率与流量联合调节。

连续可调比简单的开关控制更适合科研实验。

 3. 输出浓度稳定

对于半导体工艺来说,稳定性往往比高浓度更重要。

如果臭氧输出持续波动,即使平均浓度满足要求,也可能导致氧化重复性下降,从而影响器件一致性。

因此,建议重点关注:

长时间运行浓度稳定性;

重复启动一致性;

输出浓度重复性;

厂家是否能够提供连续运行测试数据。

 4. 与实验设备匹配

实验室常见设备包括:

石英管式炉;

RTP快速热处理设备;

小型氧化炉;

ALD反应器;

MOCVD前处理平台。

臭氧发生器应根据设备气路阻力、流量需求及接口形式进行匹配,避免因流量不足或压力不匹配影响工艺效果。

 

SiC MOSFET氧化工艺中臭氧如何使用?发生器如何选型?(2)

四、在线臭氧浓度监测同样重要

很多实验室在开展臭氧氧化实验时,只关注臭氧发生器,而忽略了浓度监测。

实际上,即使臭氧发生器设定值一致,不同时间、不同氧气纯度以及不同环境条件下,实际输出浓度仍可能存在差异。

因此建议配置紫外臭氧分析仪,对臭氧发生器输出浓度进行实时监测,实现:

臭氧浓度实时显示;

输出稳定性验证;

工艺参数记录;

实验结果可追溯。

对于需要长期开展工艺开发和论文研究的高校及科研院所,这一点尤为重要。

 

五、气路设计也决定实验效果

高浓度臭氧具有较强氧化性,如果气路设计不合理,也会影响实际到达反应器的臭氧浓度。

建议采用以下配置:

全程使用316L不锈钢或PTFE管路;

尽量缩短发生器至反应器之间的距离;

减少死体积和弯头数量;

避免使用橡胶、PVC等不耐臭氧材料;

配置尾气臭氧分解装置,确保实验安全。

合理的气路设计不仅能够降低臭氧损失,还能提高实验重复性。

 

六、北京同林臭氧SiC氧化实验解决方案

针对高校、科研院所及半导体设备研发企业,北京同林臭氧可提供完整的SiC氧化实验臭氧系统,包括:

高浓度氧气源臭氧发生器;(Atlas P30,802N,3S-T10,M1000等高浓度臭氧发生器)

高精度质量流量控制系统(MFC);

在线紫外臭氧分析仪;(3S-J5000臭氧在线检测仪)

臭氧尾气分解装置;(F800臭氧尾气破坏器)

PTFE及316L耐臭氧气路;

与石英管式炉、氧化炉、ALD等设备的联机方案。


对于SiC MOSFET工艺开发而言,臭氧发生器不仅要具备足够的输出浓度,更应关注浓度稳定性、连续可调能力、长期重复性以及系统集成能力。只有建立稳定可靠的臭氧供气系统,才能为SiC氧化工艺优化提供可靠的实验基础。

如果您正在开展SiC MOSFET氧化、氧化后处理或其他半导体臭氧工艺研究,欢迎与北京同林臭氧交流,我们可根据您的工艺平台和实验需求,提供针对性的臭氧系统配置建议。

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