（微电子学与固体电子学专业论文）多晶硅源漏sic+nmosfet关键技术研究.pdf

摘要 多晶硅源漏s i cm o s f e t 是一种新型结构的s i cm o s f e t 器件。该器件使用 多晶硅s i c 异质结代替了重掺杂的p n 结来做m o s f e t 的源和漏区，从而避免了 s i c 离子注入工艺难度大、退火温度高、晶格损伤大，注入激活率低等问题。这种 器件结构可以通过同时氧化多晶硅和s i c 形成栅氧和侧墙，解决了隔离墙工艺复 杂等问题。 但是由于侧墙的存在，使沟道开启变得困难，阈值电压比传统的s i cm o s f e t 要高。因此如何改进工艺步骤和器件结构，减小甚至消除侧墙的影响是目前的主 要问题。 本文针对n 沟道的多晶硅源漏s i cm o s f e t 器件做了如下几个关键技术研究： 采用器件模拟软件i s et c a d 模拟了p + 多晶硅p 。4 h s i c 异质结的电流特性， 分析了该异质结的正反向电流输运过程。进行了n + 多晶硅n + s i c 欧姆接触的实验 研究，得到的比接触电阻为3 8 2 x 1 0 巧q c m 2 ，表明n + 多晶硅可以在，r s i c 上形成欧 姆接触。 分析了s i 0 2 s i c 界面处出现的界面态，以及s i 0 2 中存在的固定电荷对器件特 性的影响。研究表明，s i 0 2 s i c 界面处的受主界面态严重影响了器件的性能。 分析了由于过刻蚀s i c 导致器件结构发生的变化，以及由此引起的器件特性 的变化。提出了一种改进器件特性的工艺方案，即使用氧化淀积的多晶硅形成栅 氧和侧墙。研究表明，只要较好的控制淀积的多晶硅的厚度，以及氧化时间，就 能形成可以接受的绝缘层厚度。模拟结果显示，使用该方案形成的器件具有较好 的特性。本文还提出使用氮化s i 0 2 的方法来提高绝缘层介电常数，从而提高器件 性能。 关键词：碳化硅m o s f e t 多晶硅异质结 a b s t r a e t a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d em e t a l - o x i d e 。s e m i c o n d u c t o rf i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r ( m o s f e t ) w i t h p o l y s i l i c o ns o u r c e d r a i n i san e wk i n do fs i cm o s f e t s n eh e a v i l yd o p e d s o u r c e d r a i ns t r u c t u r ei nat r a d i t i o n a lm o s f e ti st o t a l l yr e p l a c e db yp o l y s i l i c o n s i c h e t e r o j t m c t i o nc o n t a c t 1 i sd e v i c ee l i m i n a t e st h es t e p so fi o ni m p l a n t a t i o na n d a n n e a l i n g a th i 班t e m p e r a t u r ef o rc o n v e n t i o n a ls i cm o s f e t a tt h es a m et i m e ，i th a s n op r o b l e m so fc r y s t a ld a m a g ec a u s e db yi o ni m p l a n t a t i o na n dl o wa c t i v a t i o nr a t eo f i m p l a n t e da t o m s t h ec o m p l i c a t e dp r o c e s so ff a b r i c a t i n gs i d e w a l l i s r e p l a c e db y s i m u l t a n e o a s i yo x i d i z i n gp o l y s i l i c o na n ds i c b e c a u s eo ft h et h i c ks i d e w a l l ，t h i sd e v i c eh a sah i g ht h r e s h o l dv o l t a g e f o rg e m n g ad e v i c ew i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e i ti sn e c e s s a r yt oc h a n g et h ep r o c e s sa n dt h e s t r u c t u r et 0e l i m i n a t et h ei n f h i e n c eo f t h es i d e w a l l i nt h i s p a p e r , s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so fp o l y s i l i c o ns o u r c ea n dd r a i ns i cn c h a n n e lm o s f e ta r es t u d i e d ： f i r s t l y , t h et r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i c so fp + p o l y s i l i c o n p 4 h - s i ch e t c r o j u n c t i o na r e a n a l y z e d b o t hf o r w a r da n dr e v e l b i a si - vc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sh e t e r o j u n c t i o na r e s i m u l a t e db yt h es i m u l a t o ri s et c a d 1 1 1 eo h m i cc o n t a c to fn + p o l y s i l i c o n n + s i c h e t e r o j u n c t i o nh a sb e e nf a b r i c a t e d n es p e c i f i cc o n t a c t r e s i s t a n c e 鹪l o w 嬲 3 8 2 x 1 0 一n c m 2i sa c h i e v e d s e c o n d l y , t h ee f f e c to fi n t e r f a c e - s t a t ec h a r g e sa n df i x e dc h a r g e so nt h ed e v i c ei s a n a l y z e d t h eh i 曲a c c e p t o r - l i k ei n t e r f a c e s t a t ec h a r g e sa f f e c tt h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e s o f t h i sd e v i c es e r i o u s l y f i n a l l y , t h ec h a n g ei ns t r u c t u r eo ft h i sd e v i c ec a u s e db yd r ye t c h i n gp r o c e s s e si s s t u d i e d a n dt h ec h a r a e t e r i s t i c so ft h ed e v i c ew i t hn e ws t r u c t u r ea r es i m u l a t e d a n o t h e r p r o c e s st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c ei sa d v a n c e di nt h i sp a p e r o x i d i z e d 1 3 0 l y s i l i c o ni su s e dt of o r mt h es i d e w a l la n dt h eg a t ei n s u l a t o ri nt h i sp r o c e s s i ft h e t h i c k n e s so f p o l y s i l i c o na n dt h et i m eo f o x i d a t i o na r ec o n t r o l l e dp e r f e c t l y , t h i ns i d e w a l l a n dg a t ei n s u l a t o rc a nh ef a b r i c a t e d a n dt h es i m u l a t e dr e s u l ts h o w sg o o dp e r f o r m a n c e h lt h i sp a p e r , am e t h o dh a sb e e np r o p o s e dt oi m p r o v et h ec h a r a c t e r i s t i c sb yu s i n gs i o n a st h ei n s u l a t o rl a y e r k e yw o r d ：s i f i e o nc a r b i d em o s f e tp o l y s i l i e o nh e t e r o j u n c t i o n 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： 导师弛4 地弘 日期： 日期：丝埠土驾_ - 第一章绪论 第一章绪论 1 1 碳化硅材料的基本性质及其优点 随着自然科学的发展，半导体材料技术的不断进步促进了现代电子技术的发 展，新材料的发明使得电子技术可以应用于更广的领域，例如：航天、航空、军 事、石油工业、核能、通讯等。这些领域对现代电子技术的一个重要的要求就是， 使得电子系统能够工作于高温、强辐射等极端环境下，并且要求器件可以提供大 功率，高频特性。由于硅材料本身固有的特点，传统的硅材料难以满足这些要求。 而第三代宽禁带半导体材料，如：s i c 、g a n 等，由于材料本身的特点，成为高温 应用下的理想材料。 表1 1 室温下碳化硅、硅和砷化镓等材料特性的比较 s i cg a ns ig a a s 4 h s i c 6 h s i c 3 c s i c 禁带宽度 3 2 63 o 2 23 3 91 1 21 4 ( e v ) ( v t ，v d s = 0 ( b ) v o = 0 ，v o s 0 ( d ) v g v t ，v d s 0 图1 3 多晶硅异质结6 h - s i cm o s f e t 能带结构图 1 当栅压v b 和漏压v d s 均为零偏时，源漏区电子和空穴的势垒都很高，电子 势垒约为2 5 3 e v ，空穴势垒约为1 5 8 e v ，如图1 3 a 所示。 2 增大漏压v d s ，能带发生弯曲，器件仍然处于关态，电子主要靠扩散通过势 垒进入沟道，由于载流子在输运的过程中需要克服的势垒非常高，所以该器件的 关态电流很小，如图1 3 b 所示。 3 如果漏压v d s 为零，当栅压v g 大于阈值电压v r ，p 型半导体的表面将会反 型成n 型，引起能带弯曲，电子的势垒高度变为0 3 e v 左右，n 型沟道出现，器件 开启，能带结构如图1 3 c 所示。 4 此时增加漏压v d s 到足够大时，使得势垒宽度变窄，电子的输运开始主要以 扩散为主，电子通过源极变得很薄的异质结势垒，穿过反型的n 型沟道，流向漏 区，形成电流，如图1 3 d 所示。从能带图中得到，由于是n 型的同型异质结，所 以正反向电流特性主要都是电子参与导电，不存在少子的存储。电子的势垒是由 s i c 和多晶硅之间的导带断续e 。引起的( e o 约为o 3 e v 左右) ，所以正反向的 电子势垒的高度都比较低，而且在高掺杂时势垒非常薄。这样正反向电流都较大 【堋。 但是该器件结构仍然存在一些问题： 1 由于采用干氧氧化形成栅氧，因此s i 0 2 s i c 界面存在的界面态以及s i 0 2 中的固 定电荷势必会对器件特性产生影响。 2 在刻蚀多晶硅的时候采用等离子方法，难以控制刻蚀深度，为了保证多晶硅完全 刻蚀，有可能导致过刻s i c ，在s i c 上形成凹槽，氧化后形成的氧化层拐角可能对 器件特性产生影响。 3 s i c 多晶硅源漏器件存在的最大问题仍然是侧墙问题，如何减小侧墙厚度，提高 第一章绪论 绝缘层质量，减小阈值电压，增大饱和电流是我们必须解决的问题。 1 5 本文的主要工作 7 本文主要对多晶硅源漏6 h s i cm o s f e t 这种新型的s i cm o s f e t 结构进行 了以下几方面的关键技术研究： 1 研究了p + 多晶硅p s i c 异质结的特性，并测试了n + 多晶硅n + s i c 欧姆接触 特性。 2 利用s y n o p s y s 公司的软件i s et c a d 研究了s i 0 2 s i c 可能存在的界面态以 及氧化层中固定电荷对器件特性的影响，并提出改进界面特性的方法。 3 考虑到多晶硅氧化速度过快，导致侧墙比较厚的问题，提出一些改进方法， 并使用软件模拟来验证改进效果，在此基础上给出多晶硅源漏6 h s i cm o s f e t 关 键工艺步骤。 ! 多晶硅源漏s i cn - m o s f e t 关键技术研究 第二章多晶硅s i c 异质结的研究 多晶硅s i c 异质结是一种新型异质结，对该异质结特性的研究是研究多晶硅 源漏s i cm o s f e t 器件的基础。已经有文献报道，采用高掺杂的多晶硅和低掺杂 的s i c 接触形成的异质结具有良好的二极管特性”s l 。本文使用软件模拟了p + 多晶 4 h s i c 异质结特性，并对n + 多晶硅n + s i c 异质结形成欧姆接触进行了实验测 试分析。 ， 2 1p + 多晶硅p 4 h - s i c 异质结特性 s i c 肖特基二极管由于正向压降低，击穿电压高，开关速度快而得到广泛应用， 但其在高温下不够稳定，且反向电流较大i l 卅，因而在应用上受到限制。s i cp n 结二 极管虽然高温性能比较稳定【2 0 】，但转移速度低，而且由于s i c 材料的宽禁带使得p n 结的正向压降较高。已经有文献报道多晶硅碳化硅异质结具有二极管的整流特性 【1 8 l 。不同掺杂类型的多晶硅和s i c 可以得到不同特性的异质结，其中p + 多晶硅 n 4 h s i c 异质结同时具有s i cp n 结和肖特基结二极管的优点【2 1 】【2 2 】，因而报道较 多，而对其他几种异质结的研究则比较少。 本节使用软件模拟了p + 多晶硅p 4 h s i c 异质结的特性，模拟结果显示，p + 多 晶硅p 4 h s i c 异质结具有低的开启电压、高的反向击穿电压，以及足够大的正向 电流和较小的反向电流，但在高温下反向漏电流较大。 2 1 1 器件结构 在p + 4 h s i c 衬底上生长5 i _ u - n 厚的外延，硼掺杂浓度为6 x 1 0 ”c m 审，然后6 3 0 0 c 温度下采用l p c v d 法淀积6 0 0 r i m 厚的多晶硅【l s l ，对多晶硅进行高浓度硼掺杂， 掺杂浓度为1 1 0 2 0 c m 。3 ，即可得到p + 多晶硅p 4 h s i c 异质结。 该异质结为纵向结构，模拟中考虑到衬底是重掺杂的，对异质结特性的影响不 大，因此采用简化的器件结构来模拟。模拟中的器件结构如图2 1 所示。 负 极 正 橱 图2 1p + 多晶硅伊4 h s i c 器件结构 图2 2 为p + 多晶硅僧4 h - s i c 异质结在零偏压下的能带图，其中x 4 , v 粥= 3 7 e v 、 z & - - - - 4 1 e v 、e g s i = 1 1 2 e v 、e 玉h s i c 2 3 2 3 e v 。 模拟中考虑了s i c 的不完全离化，和掺杂浓度有关的迁移率等基本的效应【2 3 1 。 第二章多晶硅s i c 异质结的研究 厂 e c y 9 图2 2 异质结平衡态时的能带图 2 1 2 多晶硅迁移率模型 多晶硅的迁移率可表示为洲： 删= m u m i 1 e x p ( - ? c n ) + ( m u _ _ c o n s t m u m i n 2 ) ( 1 + 0 叫c r ) 一 m l l l ( 1 + ( c , u ) 4 ) ( 2 1 ) m u c o n s t = m u m , = ( r 3 0 0 ) r 却 佗2 ) 其中n 是掺杂浓度，对电子这些参数分别取为： m u m i n l = 5 2 2 e m 2 v s ，m u m i n 2 = 5 2 2 c m 2 v s ，m u l = 4 3 4 e m 2 v s ， 耳= 0 c m - 3 ，c r = 9 6 8 0 0 1 0 1 6c m 一，西= 3 4 3 0 0 1 0 2 0 c m 一， a = 0 6 8 ，p = 2 ，m u m a x = 1 4 1 7 0 x 1 0 3c m 2 v s ，e x p = 2 5 对空穴这些参数分别取为： m u m i n l = 4 4 9 e m 2v s ，m u m i n 2 = 0 c m 2 v s ，m u l = 2 9 c m 2 v s ， 只；9 2 3 0 0 x 1 0 1 6 c m 4 ，c r = 2 2 3 1 0 ”c m 一，c s = 6 1 0 0 0 x 1 0 2 0c m 一， a = 0 7 1 9 ，卢= 2 ，m u m a x = 1 a 1 7 0 x 1 0 3c m 2 v s ，e 甲= 2 5 2 1 3s i c 模型和主要参数 本文使用的器件模拟软件是i s et c a d1 0 0 ，t c a d ( t e c h n o l o g yc a d ) 是一种 工艺和器件的电脑辅助设计与模拟软件。 d e s s i s 是i s et c a d 里面的一个器件模拟工具，通过建立电势与载流子分布 模型，可以分析任意偏压下各种结构半导体器件( 包括s o i 、h b t 、h e m t ) ，可 模拟的器件范围从深亚微米硅m o s f e t 至双极大功率器件等多种半导体器件的电 学特性，是一种功能十分强大的半导体器件模拟软件。完成一个完整的模拟流程 还需要一些辅助软件，例如，网格生成软件，图形结构显示软件，曲线生成软件 等，这些工具在软件包i s e t c a d1 0 0 都有提供。图2 3 为器件模拟流程图，首先 需要定义器件结构及掺杂信息，然后划分网格并进行优化，再结合d e s s i s 指定模 型和数值计算方法进行模拟。计算完成以后，可以得到器件内部各种物理量的分 多晶硅源漏s i cn - m o s f e t 关键技术研究 布，以及端口电学特性。 使用t c a d 的 2 刽化与调整f = 令 1 、器件内物理 网格生成软件， 器件 量的分布 指定器件结构 模拟 软件 与掺杂 阻计算方法f = 令 d e s s i s2 、器件端口屯 学特性 端口偏置l 令 l 图2 3 器件模拟流程 1 基本方程 d e s s i s 是一个多维器件模拟工具，它可以模拟1 d ，2 d 及3 d 器件。d e s s i s 对器件的模拟是通过解半导体器件三组基本方程来实现的，包括p o i s s o n 方程，电 子和空穴连续性方程，这三组方程支配着电荷在半导体中的输运。 ( 1 ) p o i s s o n 方程，计算器件中的电势分布； e v 2 缈= - g 幻撑+ 聪+ m ) ( 2 3 ) 其中，s 为介电常数，为静电势，和p 为电子和空穴密度，g 为电子 电量，吉和二分别为电离的杂质浓度。 ( 2 ) 载流子连续性方程，求解器件各处的载流子浓度； v 厶= g 譬+ q r ( 2 4 ) 纠 v ，= g 等+ q r ( 2 - 5 ) 其中，丑为格点电子和空穴的复合几率，以和，。为电子和空穴电流密度，可以用 下面的方程表示： j n = 一忍掣。v 九 ( 2 6 ) j p = 一n q 2 p v 矿。 ( 2 - 7 ) 以和，分别为电子和空穴迁移率，唬、吃分别为电子和空穴的准费米势。 上述偏微分方程基于有限元的方法进行数值求解。首先，使用 b o xd i s c r e t i z a t i o n 方法离散器件结构，形成可以模拟的网格；然后，在每个格点产生一系列的具有 未知电势和自由载流子浓度的非线性方程；最后，通过非线性迭代的方法解方程 从而得到模拟结果。在d e s s i s 中，使用n e w t o n 和c n m a m c l 两种迭代方式。不管 第二章多晶硅s i c 异质结的研究 采用哪种迭代方式，当所有的格点都得到一个自洽的电势缈和自由载流子浓度( 行， 力，以及电子和空穴电流( 以，j p ) ，迭代才会结束。 2 模型与参数的选取 不同的材料应该具有不同的材料参数，根据器件的结构不同也应该选择不同 的物理模型进行模拟。i s e 中6 h ，s i c 材料参数来自于最新发表的文献中；d e s s i s 中嵌入的物理模型会结合材料参数完成器件模拟。 ( 1 ) 相对介电常数 i s e 软件中s i c 的相对介电常数 日= 9 6 6 ( 2 - 8 ) ( 2 ) 能带结构模型 3 0 0 k 时，6 h - s i c 的禁带宽度为3 0 e v ，禁带宽度和温度的关系可表示为： 以= 3 1 3 3 1 0 。t ( 2 - 9 ) 4 h s i c 的禁带宽度和温度关系表达式为： e 。= 3 3 5 9 - 3 3 1 0 4 t( 2 - 1 0 ) t 为k e l v i n 温度。 禁带宽度和掺杂浓度的关系，可用s l o t b o o m 公式来表示1 2 5 】： 6 h - s i c ：a 艮( ) = o 0 0 6 9 2 1 n ( n 1 3 1 0 ”) + ( 胁( 1 3 1 0 ”) ) 2 + o 5 e v ( 2 - 1 1 ) 4 h - s i c ：a e g ( ) = o 0 0 9 i n ( n 1 1 0 ”) + 4 ( 1 n ( n 1 x 1 0 ”) ) 2 + o 5 e v ( 2 - 1 2 ) 其中( ) 为色的变化量，n 为掺杂浓度。 一般在涉及到s i c 材料的器件模拟中，s l o t b o o m 带隙变窄的模型会被考虑。 ( 3 ) 迁移率模型 和s i 一样，在低场下，电离杂质散射和晶格散射等散射是影响平均自由程的 主要机制，电子迁移率以和空穴迁移率。可以用m a s e t t i 模型【2 4 l 脚1 来表示： s n - 班c 以= 意器c m 2 一 p 4 n - s i c 舻意器玉v 。一 弘 6 h - s i c ：, u v = 6 8 - t - 篇器玉v _ 1 s - 1 ( 2 - 1 5 ) 4脯c：如=159+1+丽一pr73。厂9)o-34锄2v一8+1(2-16) 4 h s i c ：，21 5 9 + 。“”一9 、 c m 2 v 一+ 8 + 1 其中i 为离化杂质浓度，。一。分别为电子和空穴的理想迁移率 旦多晶硅源漏s i cn m o s f e t 关键技术研究 在高场下，随着光声子散射的增强，载流子漂移速度不再和电场强度e 成线 性关系，形成速度饱和，使用c a n a l i 模型【2 7 l 来描述： 从d 2 面瓦勋e b l l l j 其中为低场迁移率，p r 埘为载流子饱和漂移速度， 和4 h - s i c 饱和漂移速度为2 x 1 0 7 e m s 。 对电予和空穴，分别为： 成= 1 0 0 x ( t 3 0 0 ) 嘣 以= 1 2 1 3 x ( t 3 0 0 ) o 。1 7 ( 2 1 7 ) 3 0 0 k 温度下，6 h s i c ( 2 - 1 8 1 ( 2 - 1 9 1 横向场迁移率模型。考虑到m o s f e t 绝缘层和半导体界面处表面散射的影响， 如声子散射、表面粗糙度散射等，我们需要在p h y s i c s 语句中定义e n o r m a l 模型与 参数。 一号+ 黼 * 2 百+ 育啼呖 p 刎 一 学辱 - l ， ! ：! + 旦+ 旦 ( 2 2 2 ) - _ _ + 一+ 一 i z - z ：z i p弘p 。弘s r 其中为总的迁移率，m 为体内迁移率，芦。为声予散射导致的迁移率影响，。 为表面粗糙度散射导致的迁移率影响，n 为垂直于绝缘层和半导体界面的表面电 f f fp 场强度，f r c f 一- - - l v e m 为确保三竺j ；二，_ 无单位的参考电场，d 为反型层到体内的阻 d 尼因子，在l o m b a r d i 模型中4 = 2 ，b 、c 、n o 、九使用s g st h o m s o n 的拟合数。该 模型的各项常数参数值均选用了d e s s i s 的默认值。 在本文的模拟中，为了精确模拟结果，加入了以上三种迁移率模型。在电压 比较低的时候，可以不考虑高场迁移率速度饱和模型。 ( 4 ) 复合模型 d e s s i s 中采用的s r h 复合模型公式如下 r 湖= n p 一挖 f 2 2 3 ) 其中。为s r h 复合率叫，甩和p 分别为电子和空穴的浓度，吩为本征载流 子浓度，为复合中心能级。和f ，分别为电子和空穴寿命： 第二章多晶硅s i c 异质结的研究 1 3 铲街 陋2 4 ) 矿瓮筹 p 2 s ， f p = ：j e ；三；：j f i 2 2 5 其中o 。和f 。分别为3 0 0 k 温度下本征半导体的电子和空穴寿命，i s e 中 6 h - s i c 的l o 和f 。o 分别为o 1 , u s 和o 0 2 a ；4 h s i c r o 和 g p o 分别为2 5 1 i s 和o 5 , u _ s 。 r = 【( _ n + c ，p 】( ，妒一扮，) ( 2 2 6 ) 其中e 、c 。分别为电子和空穴a u g e r 系数，对6 h s i c ，e = 2 g x l 0 圳， c p = 9 9 x 1 0 3 2 ；对4h s i c ，g = 5 1 0 - 3 ，c p = 9 9 x 1 0 - 3 2 个过程可以看作a u g e r 复合的逆过程，载流子平均自由程的倒数为碰撞离化系数， g = 口。珂h + 口。p v , ( 2 - 2 7 ) 其中、口，分别为电子和空穴的碰撞离化系数，b 、v ，分别为电子和空穴漂 对6 h s i c ，、a 。常用c h y n o w e t h 模型口8 1 表达： 俐= 胁d 一譬) p z s ， ，仃) = t a n l l f 堕 l 2 k t o ，f 厅 伽n l 芽 f 2 2 9 ) 其中y 和厅国岛表示声子气阻碍加速载流子与温度的关系，e 为电场强度，d t 0 、 b 为拟合参数。口= 1 6 6 x 1 0 6 c m ，口印= 5 1 8 x 1 0 6 锄；屯= 1 2 7 3 x 1 0 7c m 一， b ，- - 1 4 x 1 0 7c m ；h a ) o r = 0 0 6 3 e v 。 对4 h s i c ，、口，采用o k u t o 和c r o w e l l 的经验模型： 邢= 7 2 6 x 1 0 6 0 - 1 4 7 x 1 0 - 3 仃- 3 0 0 k ) ) d 一丝) 咖弋2 - 3 0 ) 旦多晶硅源漏s i cn m o s f e t 关键技术研究 ) = 6 8 5 1 0 6 ( 1 - 1 5 6 x 1 0 - 3 仃- 3 0 0 茁) ) e x p ( 一半卜( 2 3 1 ) 当需要模拟器件击穿特性的时候需要加入碰撞离化模型。本文没有研 究击穿特性，所以在模拟中不需要加入该模型。 ( 6 ) 不完全离化模型 s i c 中杂质的离化能较高，杂质不容易完全电离，会产生载流子的“冻析”效 应，所以模拟中必须考虑杂质的部分电离现象。d e s s i s 提供的不完全电离模型如 下： 2 去n c e x p ( 一簪 弘3 2 ， 町2 丧蛳醑警， 弘3 3 ， e c e d = e d q 一1 2 d n ：” q 一3 4 ) 邑一髟= a e a o 一i ”3 ( 2 - 3 5 ) j 和j 分别为电离的施主和受主杂质浓度，d 和 _ 分别为有效施主和受 主杂质浓度，g 。和g 。分别为施主和受主杂质能级退化系数，c 和p 分别 为导带和价带的有效状态密度，e 。和睇分别为施主和受主杂质能级。( 2 3 4 ) 和( 2 3 5 ) 式表示为杂质离化能和掺杂浓度的关系，。为总掺杂浓度。 由于s i c 材料的“冻析”效应。一般情况下必须加入不完全离化模型。 2 1 4i v 特性的模拟 两块导电类型相同的不同半导体材料组成的异质结称为同型异质结，处理同型 异质结比起异型异质结要困难一些。因为在异型异质结中界面两边的势垒都可以看 成是耗尽的，但在同型异质结中界面两边的载流子类型相同，情况比较复杂。从能 带图2 2 上可以看到，在多晶硅一侧形成空穴的积累，s i c 一侧则形成耗尽。多晶 硅中的空穴势垒高度约为1 7 e v ， 当加正向电压，即s i c 一侧加正电压时，不同 温度下的i v 特性曲线如图2 4 所示。由图可以看出，随着温度升高，开启电压 v o n 有所降低，整个器件在3 0 0 0 c 时仍然具有较好的正向特性。 多晶硅一侧的电子为少予，而且要越过一个大于0 4 e v 的势垒，所以电子电流 很小。由于s i c 一侧形成耗尽，偏置电压主要降落在s i c 势垒区。随着正向电压 的增大，s i c 中空穴的势垒高度降低，空穴电流随正向电压的增大而增大。这样由 s i c 中的空穴注入多晶硅形成了正向电流。从图中可以看出，常温3 0 0 k 时，大约 在o 8 v 的时候进入开启状态，略大于文献 1 8 1 中p + 多晶硅n 4 h s i c 异质结的开启 第二章多晶硅s i c 异质结的研究 电压o 5 v 。开启以后电流便以指数形式上升。该异质结具有较低的开启电压和足 够大的正向电流。 j 、 基 - 卜 薯 善 j o1234 5 哆m 图2 4p + 多晶硅p 4 h s i c 异质结的正向特性 o1 0 02 0 03 0 04 0 0 咋m 图2 5p 十多晶硅p 4 h s i c 异质结的反向特性 当加反向电压，即多晶硅一侧加正电压时，模拟所得不同温度下的反向特性 如图2 5 所示。由图中结果可以看出，反向电流随着温度的升高而明显增大。 多晶硅中电子势垒较大，碳化硅中电子浓度很低，因此反向时，电子电流可 以忽略。由于价带断续的存在，多晶硅一侧的空穴势垒较大，且势垒高度基本不 随外加电压的增大而变化，因此空穴电流很小，所以反向电流极小。因为s i c 低 掺杂，多晶硅高掺杂，外加电压主要降落在s i c 的空间电荷区。当反向电压逐渐 增大时，空穴势垒逐渐减薄，能通过势垒区的空穴逐渐增多。因此随着反向电压 的增大，逐步出现明显的反向电流。由于外加电场主要降落在s i c 的耗尽区，该 ”舻”忡们忡吣吣 ”舻姑舭”吣吣 堑多晶硅源漏s i cn m o s f e t 关键技术研究 异质结的击穿电场强度由s i c 决定，因此可以推断p + 多晶硅腰，4 h s i c 异质结应该 具有很高的反向击穿电压。3 0 0 k 时，反向电压2 0 0 v 时就开始产生明显的反向电 流，而文献 2 2 j q 6p + 多晶硅n 4 h s i c 异质结二极管反向电压8 0 0 v 左右才有明显的 反向电流。 2 2n + 多晶硅盯s i c 异质结形成欧姆接触 2 2 1n + 多晶硅旷s i c 异质结 n + 多晶硅n + s i c 型异质结的能带结构如图2 , 6 所示。其中j c 为电子亲和能，即 导带底的电子想要从半导体表面溢出必须增加的这部分能量。根据“a n d e r s o n 定则”， 两种半导体导带底的能量差是：e c = 舶一尬，称为导带断续。相应的，价带底的能 量差应是：e v = e g 一e o = e 9 1 一e 簖一e c 。从能带图中可以看到，在多晶硅一 侧出现了一个势阱，而在s i c 一侧出现了一个尖峰。 n s i c e c 一毛f e v 图2 6n + 多晶枷 s i c 的能带示意图 与异型异质结不同，同型异质结中界面两边的载流子类型相同，导致窄带一 侧是电子的积累层，s i c 宽带一侧是净电荷为正的空间电荷区。应该指出的是，在 空间电荷区中，载流子耗尽是不成立的，自由载流子对势垒区电荷是有贡献的。 如果采用扩散模型来描述该异质结的输运，可得电流特性如下： ，叫惫e x p ( 警) 1 - e x p ( 一鲁) 】+ e x 小争 e x p 蟹( 2 - 3 6 ) 第二章多晶硅s i c 异质结的研究 1 7 丑：u k t n d 2 ，厶。是与势垒具体形状有关的常数，其中为外加电压，k l ，分 l 肼 别为外加偏压后导带底电势的的变化量。 如果求解该式的数值解的话，可以看到，n n 型异质结并不是在任何情况下都 具有整流效益，只有在巧中所占份量很少时才有整流效益。当v a d 圪= 1 2 0 时整流作用就消失了。其物理解释是，在n n 异质结中，不能忽略窄带积累区中的 电子向宽带方向的扩散电流，当在整个k 中所占比例很小时，能带向下弯曲 很少，这个扩散电流可以忽略。这时只有宽带一侧的耗尽层势垒，所以还有整流 效益，但是，当所占比例稍多一些，大于k = 1 2 0 时，由于积累区来的电 子扩散电流将起作用，整流效益不复存在了。以上理论都是假设波尔兹曼成立的 条件下进行的。如果n n 异质结界面上电子发生简并而遵守费米分布，这时伏安特 性应为】： 卢刖一铷x p 普_ 1 ) ( 2 - 3 7 ) 其中 j o = q 2 d 。( 2 删+ ：灯) i 1e ) 【p ( 一笔b ( 2 - 3 8 ) 口口： 口j d i 备瞳饵b 帕幻 图2 7 软件模拟的零偏压下n + 多晶硅w s i c 接触界面处能带图 基于以上对于n n 异质结接触理论的讨论，采用器件模拟软件i s et c a d1 0 0 对于零偏压下r 多晶硅n + s i c 接触界面处能带情况进行了模拟，如图2 7 所示。 从图上可以看到，电子的势垒是由s i c 和多晶硅之间的导带断续e c 引起的 ( e c 约为0 3 e v 左右) ，所以可以得到结论：在接触界面处正反向的电子势垒的 高度都比较低，便于形成欧姆接触。 协 博 拍 骨_ _ o il薯-正 堡多晶硅源漏s i cn - m o s f e t 关键技术研究 2 2 2 使用n + 多晶硅形成n 型s i c 欧姆接触的测试 在上一节讨论的基础上，进行了n + 多晶硅l r s i c 异质结欧姆接触的测试实验。 实验中采用的4 h s i c 样品购自美国c r e e 公司，在n 型s i 面s i c 衬底上有 n a = 7 4 1 0 1 6 c m d 厚度为5 “m 的p 型外延。使用p 离子注入外延层来形成n 阱。注 入后退火在具有多晶s i c 内衬的高纯石墨坩锅中1 6 0 0 退火3 0 分钟。 使用l p c v d 法淀积6 0 0 n m 的多晶硅。多晶硅的掺杂也是通过p 离子注入来 进行的。通过i s et c a d1 0 0 中的工艺模拟模块d i o s 模拟的结果表明，在整个多 晶硅薄膜中可以得到均匀有效的掺杂浓度7 5 x 1 0 t 9 c r n - 3 。多晶硅的方块电阻经过测 量为2 2 d , m ，这个结果达到了设计的重掺杂多晶硅的预期目的。 p h o s p h o r o u si o ni m p l a n t a t i o n la n da n n e a l i n g p o l y s i l i c o nd e p o s i t i o n j a n dd o p i n g i p a t t e r n i n ga n de 圳n g ( b ) ( c ) 图2 8n 十多晶硅疗r 4 h s i c 欧姆接触的工艺示意图 图2 9 t l m 结构的s e m 照片 实验采用t l m 结构测试比接触电阻。图2 8 给出了整个工艺过程的示意图。 图2 9 给出了t l m 结构的扫描电镜( s e m ) 照片。 考虑到多晶硅的导电性已经相当的高，电学特性的测试直接用探针在多晶硅 p a d 上进行，并没有进一步在多晶硅上淀积金属形成硅化物。t l m 结构的i - v 测 试的结果在图2 1 0 中给出，图中还给出了通过软件模拟t l m 结构的结果。根据 第二章多晶硅s i c 异质结的研究 1 9 t l m 结构测试比接触电阻的方法，可以计算得到实验测试比接触电阻p 。的值为 3 8 2 x 1 0 。5 q c n l 2 ，我们可以进一步得到s i c 表面注入有源区的方块电阻为 4 9 k e o 。软件模拟所得的比接触电阻仉的值为9 6 7 x 1 0 6 f l c m ：。 从实验得到的比接触电阻的结果可以看出，n + 多晶硅n + s i c 是可以形成欧姆 接触的。其比接触电阻p 。的值为3 8 2 x 1 0 巧( k m 2 已经达到了目前最常见的n i 基n 型s i c 欧姆接触的一般水平( 1 0 - 4 _ 1 0 缶d c m 2 ) 3 0 1 。考虑到n + 多雕m q + s i c 异质结欧 姆接触具有统一均匀界面以及热稳定的特点，这个结果对实际的器件应用很有参 考价值。 文献 3 1 】中曾经也是利用重掺杂的多晶硅来形成n 型6 h - s i c 的欧姆接触，文 中的结果是当s i c 的掺杂浓度为1 7 x 1 0 1 s c m - 3 时，比接触电阻p 。的值为 5 3 x 1 0 - 5 0 c m 2 。和本文中的结果相比较，比接触电阻的值要略大，这和其s i c 掺杂 浓度比本文中的掺杂浓度低有直接的关系。 龇 1 5 0 0 1 4 0 0 1 3 0 0 1 2 0 0 i j 0 0 1 0 0 0 9 0 0 8 0 0 7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 l o o o 051 01 52 02 53 03 5 加4 5l ( 1 l m ) 图2 1 0t l m 测试中总电阻和p a d 之间距离的关系 实验测试所得比接触电阻值比软件模拟所得理想比接触电阻值大一个数量 级。从图2 1 0 可以看出，测试所得每组p a d 之间的电阻值要大于模拟结果。这可 能是因为测试两个p a d 之间i - v 特性时，电流值的大小为毫安级别。由于电流值较 小，测试中存在的微小误差，比如探针和多晶硅接触的串联电阻，可能导致测试 电流值偏小，从而导致测试每组p a d 之间的电阻值偏大，影响了最后计算所得比 接触电阻值。 考虑到为了最大程度的体现s i c 器件的天然优势，其工作大多是在高温高功 率的环境中，因此欧姆接触的热稳定性是必须要考虑的。n + 多晶硅r s i c 异质结 接触在热稳定性上有着得天独厚的优势，多晶硅不可能与s i c 发生固相反应，同 时形成的接触界面符合统一均匀以及热稳定的要求。 多晶硅源漏s i cn - m