SiC器件歐姆接觸的理論和實驗研究.pdf

1、碳化硅(SiC)是近十幾年來迅速發(fā)展起來的寬禁帶半導體材料之一。與廣泛應用的半導體材料Si,Ge以及GaAs相比，SiC材料具有寬禁帶、高擊穿電場、高載流子飽和漂移速率、高熱導率、高功率密度等等許多優(yōu)點，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題和困難，嚴重制約了SiC器件發(fā)展。 對于器件的歐姆接觸，低比接觸電阻和高穩(wěn)定性是決定器件性能的兩個重要因素。因此為了充分的發(fā)揮碳化硅材料的優(yōu)勢，

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果參差不齊，可重復性差；(4)歐姆接觸形成的機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比實驗結果的基礎上進行工藝的優(yōu)化，而較少的從形成歐姆接觸的理論和機理角度進行研究并在其基礎上對改進工藝進行指

3、導。即使是對于相對應用廣泛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理和物理模型也是眾說紛紜，沒有定論。本研究對SiC材料器件的歐姆接觸工藝進行了系統(tǒng)的理論和實驗研究，主要研究內容和創(chuàng)新性成果如下： 1)研究了用于SiC材料歐姆接觸重摻雜的離子注入理論和工藝特性。通過蒙特卡羅模擬軟件TRIM對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，偏差和雜質濃度分布等參數(shù)進行

4、了分析，并對離子注入工藝參數(shù)(能量和劑量)進行了設計。設計了離子注入后雜質激活退火的溫度，時間，氛圍，密封劑等工藝條件，設計制作了具有多晶SiC內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，經表面測試對比證明，能夠很好地改進了高溫退火后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，為進一步進行器件的制備作好了工藝研究基礎。 2)研究了N型Ni基金屬SiC材料歐姆接觸形成的機理，提出

5、在高溫合金化退火時，Ni基金屬和SiC的互相反應可以導致C原子外擴散，在接觸金屬層下的區(qū)域形成大量的C空位(V<,c>)。因為V<,c>起施主的作用，會導致接觸下面電子濃度的增加，電子輸運的耗盡層寬度減薄，隧穿效應大大增強，從而導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。在機理的研究基礎上給出了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成模型。在此模型指導下對Ni基n型SiC歐姆接觸的工藝進行了改進

6、，利用兩種Ni硅化物(NiSi<,2>和NiSi)來制作n型SiC的歐姆接觸，得到了接近國際最好值的比接觸電阻結果。 3) 精確求解一維定態(tài)薛定諤方程得到電子通過三角形勢壘的隧穿幾率，并用其用其代替W K B近似計算的結果，對求解比接觸電阻的方法進行修正。經與實驗結果相比較，改進后的方法更加符合實際情況，比采用WKB近似的傳統(tǒng)比接觸電阻計算公式更加精確。 4)研究了Al-Ti金屬形成p型SiC材料歐姆接觸的機理。提出合金

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

8、一個高勢壘通過中間層的存在分成兩個或者更多的勢壘，以便于歐姆接觸的形成。在基礎上進行了實驗驗證，通過Ge離子注入SiC材料形成SiC：Ge層來形成中間層，在退火溫度較低，退火時間較短的情況下形成較好的歐姆接觸。 從理論和實驗的角度對n<'+>多晶硅/N-SiC異質結歐姆接觸的可行性進行了研究。結果表明n<'+>多晶硅/N-SiC是可以形成歐姆接觸的，其比接觸電阻值達到了常見的Ni基N型SiC歐姆接觸的一般水平。 在材料和