西电硕士论文-碳化硅离子注入及欧姆接触研究

摘要摘要本文对SiC离子注入和欧姆接触进行了深入的研究。本文从金属半导体接触的实验过程入手，阐述了本文所建立的SiC欧姆接触模型所涉及到的半导体器件物理理论，包括金属半导体肖特基接触理论、Nn异质结理论和nn+理论。根据大量的实验文献，研究了金属半导体界面在高温退火过程中发生的反应和生成物，分别对p型和n型的SiC欧姆接触的载流子输运机理进行深入的研究，提出了说明p型和n型欧姆接触形成的能带模型，即渐变异质结结构模型，并且对本文所提出的模型使用器件模拟软件ISETCAD进行了二维I-V特性模拟验证，对n型和p型SiC欧姆接触提出了统一的物理模型。在p型和n型SiC欧姆接触的已有工艺基础上，进行欧姆接触制造工艺的改进，以期达到良好的稳定性。对欧姆接触的制造和工艺具有一定的指导意义。按照前面对SiC欧姆接触模型的研究，设计了相关的实验。在介绍实验流程之前，首先介绍了SiC中的杂质、离子注入技术、离子注入存在的问题，以及离子注入后的退火过程中，所涉及到的退火掩膜问题。然后详细研究了SiC欧姆接触制造工艺中的关键工艺流程，昀后介绍了刚刚流片结束的实验流程和实验结果，实验取得了良好的结果。比接触电阻的测试是评价所制造的欧姆接触水平的一个重要手段。本文昀后介绍了欧姆接触比接触电阻的各种测试方法，探讨了昀常用的矩形TLM法和其他一些常用的测试方法，比较了各种测试方法在欧姆接触比接触电阻测试中的优缺点，对昀常用的矩形TLM法引入的误差进行了分析并讨论了修正方法。关键词：离子注入欧姆接触传输线模型AbstractAbstractInthispaper,thecharacteristicsofionimplantationandohmiccontactofSiCaredeeplyinvestigated.ThisthesisexpatiatesallthephysicsoftheSiCohmiccontactsmodels,whichhavebeendevelopedbyexperiments,includemetal-semiconductorschottkycontacttheory,Nnheterojunctionandnn+theory.Basedonabundanceofexperimentliterature,thereactionbetweenthemetalandsemiconductorinterfaceintheprocessofhightemperatureannealinghasbeenstudied.Thecarriertransportationmechanismofp-typeandn-typeSiCareinvestigatedrespectively,andtheenergybandmodeltoexplainohmiccontactstop-typeandn-typehasbeenpresented,thatisgradualchangeheterojunctionmodel.Atlast,thedevicesimulatorISETCADhasbeenusedtovalidatethemodelwithtwodimensionI-Vcharacteristicsimulation,andtheunifymodelofSiCohmiccontactstop-typeandn-typeSiChasbeenderived.ExperimenthasbeendesignafterthestudyofSiCohmiccontactsmodel.First,ionimplantationtechnology,problemsintheionimplantationandannealingcapintheannealingprocessafterionimplantationhavebeenintroduced.ThenthemainstepsofSiCohmiccontactstechnologyhavebeenproposed.Theexperimentflowandresulthasbeenpresentedatthelast,goodresulthasbeengotfromtheexperiment.Thespecificcontactresistanceobtainedfrommeasurementisanimportantparametertoevaluatetheleveloffabricatesohmiccontacts.Atthelastofthisthesis,somemeasurementmethodsforohimccontactsspecificcontactresistancehavebeenintroduced.Therectangletransmissionlinemodelandsomeothertestpatternshavebeenstudiedandsomecommentsaremadefortheircomparison.Also,theerroranalysisaboutrectangletransmissionlinemodelandmodifymethodhavebeendiscussed.Keywords:IonimplantationOhmiccontactTransmissionlinemodel创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：日期：关于使用授权的声明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密的论文在解密后遵守此规定)本人签名：日期：导师签名：日期：第一章绪论1第一章绪论1.1研究意义及存在的问题碳化硅（SiC）材料是自第一代元素半导体材料（Si）和第二代化合物半导体材料（GaAs、GaP、InP等）之后发展起来的第三代宽带隙（WBS）半导体材料。SiC材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高电子饱和漂移速度等特点，从表1.1的各材料的性能参数[1]的比较中，我们可以看出SiC材料在高温、高频、大功率方面的表现优于其他材料，因而具有十分诱人的优势，许多国家相继投入了大量的资金对SiC进行了广泛而深入的研究，在射频功率器件，大功率器件，光电器件等方面研究已经取得重大进展。表1.1室温下几种半导体材料特性的比较类型SiGaAs6H-SiC4H-SiC3C-SiC禁带宽度/eV1.11.423.03.262.3击穿场强(掺杂1017cm-3)/MVcm-10.60.63.231.5电子迁移率(掺杂1016cm-3)/cm2(Vs)-111006000200-300800750空穴迁移率(掺杂1016cm-3)/cm2(Vs)-14203206011540饱和电子漂移速度/cm·s-11071072×1072×1072.6×107热导率/W(cm·K)-11.50.54.94.95.0随着科学技术的发展，越来越多的领域如航天、航空、石油勘探、核能、通信等，迫切需要能够在高温及辐射等极端环境下工作的电子器件[2,3,4,]。表1.2列出了这些领域中当前和未来对电子器件的温度要求[5]。表1.2当前与未来半导体器件工作温度的比较应用领域当前工作温度（℃）未来工作温度（℃）可靠性（小时）汽车电子125～140165～25010,000航空12520010,000航天30050010,000-30,000石油钻井17517510,000-30,000地热开发200250～26010,000-30,000功率电子125250～50010,000-30,000众所周知，硅器件难以在高于250°C的高温下运行，特别是当高的工作温度、大功率、高频、及强辐射环境条件并存时，硅器件就更无法“胜任”。因此，在寻2碳化硅离子注入和欧姆接触模型研究求高温工作的器件的同时，研制高频、大功率、抗辐射能力强的半导体器件成为90年代以来微电子领域研究的热点之一[6,7]。SiC材料的宽禁带使得其器件能在相当高的温度下（500°C以上）工作以及具有发射蓝光的能力；高击穿电场决定了器件的高压、大功率性能；高的饱和电子漂移速度和低介电常数决定了器件的高频、高速工作性能；高热导率意味着其导热性能好，可以大大提高电路的集成度[8]，减少冷却散热系统，从而大大减少整机的体积。此外SiC具有很高的临界移位能，这使它具有高的抗电磁波冲击和高的抗辐射破坏的能力，SiC器件的抗中子能力至少是Si器件的4倍。表1.3总结了SiC材料的未来应用领域[3]。这些都表明SiC作为第三代半导体是目前发展昀成熟的宽禁带半导体材料，其优异性能决定了它会在航天、航空、石油勘探、核能及通信等极端领域发挥重要应用。表1.3SiC材料的应用领域特性器件应用高温电子器件和集成电路各种高温环境短波长发光器件（蓝、绿光）全彩色显示蓝光激光二极管高密度数据存储紫外光敏二极管发动机监测、控制抗辐射器件核战场、核电、宇航宽带隙异质结器件各种电子系统高性能功率器件电子控制系统,节能系统高压器件电力电子系统高击穿场强高密度IC封装各种电子系统微波器件相控阵雷达、通讯、广播高电子漂移速度高速器件军用系统、数据处理高集成度IC各种电子系统高热导率良好热耗散的大功率器件卫星、航空系统SiC材料有200多种晶型，由于只有4H、6H容易获得体材料，所以在器件运用中SiC晶型的选择一般限制在4H、6H晶型。又因为4H-SiC的禁带宽度更宽（3.26eV）、迁移率高、具有较好的各向同性。在掺杂为1016cm-3条件下，4H-SiC电子迁移率800cm2/V·s，约是6H-SiC的3倍,空穴迁移率115cm2/V·s约是6H-SiC的2倍。而其他性能与6H-SiC相同，所以4H-SiC常被选用来制备SiC器件[9]。从报道的资料可知，在SiC衬底上制备的器件的工作温度可以达到600℃[10]，而在这样的高温下，用来制备器件的材料的一致性将是考虑的重点。第一章绪论3目前碳化硅材料单晶生长和外延制备技术已经取得了重大的进展。已研制成功了直径50mm的单晶抛光片，不同衬底的单晶薄膜外延技术也已以突破，而且随着6H-SiC，4H-SiC体材料相继商品化，SiC器件工艺，如氧化、掺杂、刻蚀及金属－半导体接触，都日渐成熟。深入进行碳化硅器件和电路研究的时机已经成熟。碳化硅材料的特性决定了其器件的制备工艺与现有的工艺技术有很大的不同。因此对碳化硅器件制造工艺的研究具有非常重要的意义。多年来对SiC的研究主要集中在以下几个方面[11]：①高质量、低成本、低缺陷密度的SiC单晶衬底材料和薄膜材料的制备；②高均匀的掺杂技术和特定杂质浓度分布的掺杂技术；③互连技术、欧姆接触和肖特基接触技术；④高质量、低界面态的介质膜生长和淀积技术；其中欧姆接触的形成是SiC器件制备的重要工序，也是影响器件高温工作的主要制约因素。欧姆接触质量的好坏、接触电阻的大小将直接影响器件的效率、增益和开关速度等性能指标。在高温大功率应用时，欧姆接触的低电阻率和稳定性是决定器件性能的两个关键因素。为了形成欧姆接触，选择性的高掺杂技术是必需的。由于在低于1800～2000℃的情况下,杂质在SiC中的扩散系数很低,并且在如此高温下，SiC表面层开始分解。