SiC器件歐姆接觸的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、碳化硅(SiC)是近十幾年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的寬禁帶半導(dǎo)體材料之一。與廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料Si,Ge以及GaAs相比，SiC材料具有寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)、高載流子飽和漂移速率、高熱導(dǎo)率、高功率密度等等許多優(yōu)點(diǎn)，是制備高溫、大功率、高頻器件的理想材料，但是在SiC器件的制造工藝中仍然存在很多問(wèn)題和困難，嚴(yán)重制約了SiC器件發(fā)展。 對(duì)于器件的歐姆接觸，低比接觸電阻和高穩(wěn)定性是決定器件性能的兩個(gè)重要因素。因此為了充分的發(fā)揮碳化硅材料的優(yōu)勢(shì)，

2、在其器件工藝中歐姆接觸的制作工藝具有非常重要的位置。而目前碳化硅材料的歐姆接觸存在著種種問(wèn)題：(1)接觸金屬層成分和厚度不確定；(2)形成歐姆接觸的合金化退火工藝的時(shí)間、溫度、氛圍等工藝參數(shù)相差很大；(3)得到的歐姆接觸比接觸電阻結(jié)果參差不齊，可重復(fù)性差；(4)歐姆接觸形成的機(jī)理及物理模型還不夠清楚等。大量的研究工作都是著眼于在對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝的優(yōu)化，而較少的從形成歐姆接觸的理論和機(jī)理角度進(jìn)行研究并在其基礎(chǔ)上對(duì)改進(jìn)工藝進(jìn)行指

3、導(dǎo)。即使是對(duì)于相對(duì)應(yīng)用廣泛n型SiC材料的Ni基歐姆接觸和p型SiC材料的AI-Ti金屬歐姆接觸，其形成歐姆接觸的機(jī)理和物理模型也是眾說(shuō)紛紜，沒(méi)有定論。本研究對(duì)SiC材料器件的歐姆接觸工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新性成果如下： 1)研究了用于SiC材料歐姆接觸重?fù)诫s的離子注入理論和工藝特性。通過(guò)蒙特卡羅模擬軟件TRIM對(duì)P、N、Al離子注入SiC中形成歐姆接觸高摻雜區(qū)的能量，深度，偏差和雜質(zhì)濃度分布等參數(shù)進(jìn)行

4、了分析，并對(duì)離子注入工藝參數(shù)(能量和劑量)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了離子注入后雜質(zhì)激活退火的溫度，時(shí)間，氛圍，密封劑等工藝條件，設(shè)計(jì)制作了具有多晶SiC內(nèi)襯的退火用高純石墨坩鍋。提出了一種可行的高溫退火掩膜(密封劑)方案，經(jīng)表面測(cè)試對(duì)比證明，能夠很好地改進(jìn)了高溫退火后SiC表面情況。得到了較好的離子注入激活率和較低的注入層的方塊電阻值，為進(jìn)一步進(jìn)行器件的制備作好了工藝研究基礎(chǔ)。 2)研究了N型Ni基金屬SiC材料歐姆接觸形成的機(jī)理，提出

5、在高溫合金化退火時(shí)，Ni基金屬和SiC的互相反應(yīng)可以導(dǎo)致C原子外擴(kuò)散，在接觸金屬層下的區(qū)域形成大量的C空位(V<,c>)。因?yàn)閂<,c>起施主的作用，會(huì)導(dǎo)致接觸下面電子濃度的增加，電子輸運(yùn)的耗盡層寬度減薄，隧穿效應(yīng)大大增強(qiáng)，從而導(dǎo)致了比接觸電阻的降低，是Ni基n型SiC歐姆接觸形成的主要原因。在機(jī)理的研究基礎(chǔ)上給出了Ni基n型SiC歐姆接觸的界面區(qū)能帶圖，提出了比接觸電阻構(gòu)成模型。在此模型指導(dǎo)下對(duì)Ni基n型SiC歐姆接觸的工藝進(jìn)行了改進(jìn)

6、，利用兩種Ni硅化物(NiSi<,2>和NiSi)來(lái)制作n型SiC的歐姆接觸，得到了接近國(guó)際最好值的比接觸電阻結(jié)果。 3) 精確求解一維定態(tài)薛定諤方程得到電子通過(guò)三角形勢(shì)壘的隧穿幾率，并用其用其代替W K B近似計(jì)算的結(jié)果，對(duì)求解比接觸電阻的方法進(jìn)行修正。經(jīng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，改進(jìn)后的方法更加符合實(shí)際情況，比采用WKB近似的傳統(tǒng)比接觸電阻計(jì)算公式更加精確。 4)研究了Al-Ti金屬形成p型SiC材料歐姆接觸的機(jī)理。提出合金

7、化退火過(guò)程中Al-Ti金屬和SiC發(fā)生反應(yīng)形成的三元合金Ti<,3>SiC<,2>才是其形成歐姆接觸的主要原因。對(duì)Al-Ti金屬的比例，退火條件等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在理論分析的基礎(chǔ)上，提出采用Al-Ti金屬與SiC反應(yīng)形成中間層Ti<,3>SiC<,2>是一種可以用來(lái)同時(shí)形成n型和p型SiC材料歐姆接觸的金屬化方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到的比接觸電阻值能夠滿足實(shí)用需要。 5)提出利用中間層在歐姆接觸界面形成梯度勢(shì)壘，即把原來(lái)的

8、一個(gè)高勢(shì)壘通過(guò)中間層的存在分成兩個(gè)或者更多的勢(shì)壘，以便于歐姆接觸的形成。在基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)Ge離子注入SiC材料形成SiC：Ge層來(lái)形成中間層，在退火溫度較低，退火時(shí)間較短的情況下形成較好的歐姆接觸。 從理論和實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)n<'+>多晶硅/N-SiC異質(zhì)結(jié)歐姆接觸的可行性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明n<'+>多晶硅/N-SiC是可以形成歐姆接觸的，其比接觸電阻值達(dá)到了常見(jiàn)的Ni基N型SiC歐姆接觸的一般水平。 在材料和