碳化硅場(chǎng)效應(yīng)器件的模型及關(guān)鍵工藝技術(shù)研究.pdf

1、新型寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC兼有高飽和電子漂移速度、高擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，在高溫、大功率、高頻、光電子、抗輻射等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。作為最重要的SiC器件，SiC場(chǎng)效應(yīng)器件(主要指SiC金屬—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，MESFET和金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，MOSFET)以及基于MOS技術(shù)的SiCCMOS電路更是受到了廣泛的關(guān)注。 雖然目前碳化硅材料、場(chǎng)效應(yīng)器件技術(shù)已取得很大的進(jìn)展，但在理論模型及器件工藝方面仍有較多問(wèn)

2、題亟待解決。理論上，從器件物理的角度出發(fā)，建立和完善SiC場(chǎng)效應(yīng)器件模型，以利于器件結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)，是目前SiC理論研究需要解決的問(wèn)題。工藝上，受到實(shí)際水平的限制，即使在制造設(shè)備較為發(fā)達(dá)的國(guó)外，研究文獻(xiàn)表明器件的制造工藝仍處于研發(fā)階段，具體的工藝環(huán)節(jié)也在摸索之中。國(guó)內(nèi)關(guān)于SiC基礎(chǔ)工藝的研究剛剛起步，鑒于工藝條件和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上的限制，需要對(duì)SiC場(chǎng)效應(yīng)器件關(guān)鍵工藝技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究以獲得大量的工藝數(shù)據(jù)。 本文重點(diǎn)對(duì)SiCMESFET

3、、MOSFET及CMOS倒相器特性進(jìn)行了模型研究，并從實(shí)驗(yàn)的角度對(duì)影響SiC場(chǎng)效應(yīng)器件特性的三個(gè)關(guān)鍵工藝—?dú)W姆接觸、氧化和刻蝕進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要工作如下： (1)基于對(duì)6H-SiC自身能帶結(jié)構(gòu)的分析以及各向同性弛豫時(shí)間近似法，采用三橢球等能面、拋物線性簡(jiǎn)化，建立了適于模擬n型6H-SiC電子霍耳遷移率和霍耳散射因子的解析模型，精確描述了不同散射機(jī)制對(duì)于6H-SiC低場(chǎng)電子輸運(yùn)特性的影響；用系綜蒙特卡羅法(EnsembleMon

4、teCarlo，EMC)對(duì)高場(chǎng)條件下6H-SiC中的電子輸運(yùn)進(jìn)行了數(shù)值模擬。得出了穩(wěn)態(tài)條件下電子平均漂移速度、平均能量、能量馳豫時(shí)間、c軸方向碰撞電離率同高電場(chǎng)的關(guān)系以及電子橫向漂移速度在不同階躍電場(chǎng)強(qiáng)度下的瞬態(tài)變化規(guī)律。 (2)從器件內(nèi)部載流子輸運(yùn)機(jī)理出發(fā)，考慮到載流子的凍析效應(yīng)、漏源串連電阻的影響，在場(chǎng)致遷移率、速度飽和效應(yīng)的基礎(chǔ)上，得到了能夠較好模擬4H-SiCMESFET器件直流I-V特性和小信號(hào)參數(shù)的解析模型。建模中對(duì)

5、飽和工作模式進(jìn)行分析時(shí)采用了兩區(qū)模型的思想，因此對(duì)短?hào)臩iCMESFET的特點(diǎn)給了更清晰的描述。該模型具有物理概念清晰的優(yōu)點(diǎn)，算法也較為簡(jiǎn)單，能夠較精確地分析器件特性，充分體現(xiàn)了SiC材料和器件結(jié)構(gòu)的物理特性，因此非常適于SiCMESFET器件預(yù)研和電路設(shè)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域。 (3)在經(jīng)典薄層電荷模型的基礎(chǔ)上，計(jì)入雜質(zhì)不完全離化及界面態(tài)電荷的影響，建立了較為準(zhǔn)確且適于6H-SiCMOSFET所有工作區(qū)的統(tǒng)一的漏電流、跨導(dǎo)以及漏電導(dǎo)解析

6、模型。表面勢(shì)的計(jì)算是建立模型的關(guān)鍵，主要通過(guò)解析求解一維泊松方程及牛頓-拉夫森迭代實(shí)現(xiàn)。該解析模型對(duì)于雜質(zhì)不完全離化及界面態(tài)電荷對(duì)于器件特性的影響給出了清晰的理論分析，并具有計(jì)算準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，不僅為制備SiCMOSFET器件的實(shí)驗(yàn)提供了設(shè)計(jì)手段，同時(shí)也為使用SiCMOSFET器件提供了理論基礎(chǔ)。 (4)運(yùn)用二維器件仿真軟件MEDICI首次建立了適于6H-SiCCMOS倒相器的電路模型，建模中考慮了SiC特殊的材料性質(zhì)及界面電荷等因

7、素的影響，對(duì)相關(guān)的模型進(jìn)行了修正，使得研究結(jié)果較為合理，從器件物理的角度反映了SiCCMOS倒相器工作的機(jī)理。 (5)針對(duì)碳化硅場(chǎng)效應(yīng)器件研究中的具體工藝環(huán)節(jié)，立足于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有條件，對(duì)歐姆接觸、氧化和干法刻蝕三種關(guān)鍵工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 歐姆接觸方面，通過(guò)離子注入4H-SiC和直接采用高摻雜4H-SiC外延材料兩種方法制備了歐姆接觸，運(yùn)用歐姆接觸測(cè)試圖形TLM結(jié)構(gòu)歐姆接觸進(jìn)行了測(cè)試，得到了比接觸電阻的大小(分別為～10-5

8、和～10-6Ω·cm2量級(jí))。并進(jìn)行了二次離子質(zhì)譜(SIMS)分析。 氧化方面，通過(guò)對(duì)6H-SiC干氧和濕氧氧化特性的比較，得到了氧化層厚度與氧化時(shí)間、溫度、氧化氣氛之間的關(guān)系，為進(jìn)一步改善氧化工藝，提高SiC柵氧化層質(zhì)量提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 刻蝕方面，以Cl2+Ar為刻蝕氣體，采用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕工藝，研究了不同工藝參數(shù)如氣體流量、壓力、線圈功率等對(duì)4H-SiC刻蝕速率的影響。對(duì)刻蝕后的樣品表面進(jìn)行了原子力顯