（微电子学与固体电子学专业论文）碳化硅器件与模型的研究.pdf

c 碳化硅器件与模型的研究 摘要 碳化硅，作为所谓第三代半导体材料的一种，具有优越的电学、热学性质： 宽带隙、高饱漂移速度、高截至电压、高热导率等等，因而在高温、高频、高压 和大电流场合下有非常好的应用前景。本文在碳化硅器件的研制，碳化硅一氧亿 物( s i 0 2 ) 界面性质的研究，以及器件模型的建立和实现等三方面进行较广泛而 实际的研究。主要工作如下： ， 1 研制了碳化硅肖特基势垒二极管。俄们研究了金属碳化硅接触的基本 。一 、 问题，初步制定了一套制造碳化硅肖特基势垒二极管的设计原理、工艺流程和工 艺条件并进行了投片。我们用电子束热蒸发的方法淀积金属n 、在n 型4 1 一s i c 上，研制出室温下反向击穿电压大于4 5 0 v 的肖特基势垒= 极管。我研制m 的器 件进行了比较分析i v 测量曲线说明肖特基二极管的特陛比较理想，理想因子 、 为1 7 3 ，肖特基势垒高度为1 2 5 v ，可以看出它是比较理想的肖特基势垒器件。广、一 2 把分形理论引入到碳化硅器件的研究，探索了碳化硅场效应器件中 - 。_ - - _ _ _ _ - _ s i c s i o ：界面粗糙散射对沟道电子迁移率的影响。战们用结构函数的方法建祝了 s i c 粗糙表面的分形模型，用r i l l s 粗糙度一，分形维数b 以及相关长度三个参 量来刻画表面高度的自协方差函数，并提出了参数的计算方法。在此分形模型的 基础上，我们能计算出s i c s i 0 2 界面对沟道电子的粗糙散射，从而计算界面粗糙 散射对沟道电子迁移率的影响。厂一 3 提出了实用的碳化硅肖特基势垒二极管模型，并详细介绍了在p s p i c e 下的两种实现方法：宏单元建模方法和c 代码建模方法。压模型中，我们考虑 了功率器件的热设计问题，并用等效r c 网络电路的方法予以实现。最后，鉴丁| c 代码建模方法有一定的技巧性我详细介绍了这种方法的实现过程，h c a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d ef s i c ) ，a so n eo ft h es o c a l l e dt h i r d g e n e r a t i o ns e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s ，h a sv e r yg o o d e l e c t r i c a l a n d t h e r m a l p r o p e r t i e s ，s u c h a s a w i d e b a n d g a p ，h i g h s a t u r a t i o n e l e c t r o nv e l o c i t y ，h i g hb r e a k d o w nf i e l d ，a n dh i g ht h e r m a l c o n d u c t i v i t y t h e s ep r o p e r t i e s m a k es i ca p r e f e r r e d s e m i c o n d u c t o rf o rp r e p a r a t i o no fd e v i c e si nt h ee n v i r o n m e n t s o fh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hf r e q u e n c y ，h i g hv o l t a g e ，a n dl a r g e c u r r e n t i n t h i s t h e s i s ，o u rs t u d i e sc o n c e r n i n g t h e f a b r i c a t i o n o fs i cd e v i c e s ，t h ep r o p e r t i e so fs i c s i o ，i n t e r f a c e ，a n dt h e d e s i g n i m p l e m e n t a t i o no fs i cd e v i c em o d e l s t h em a i nw o r k s i nt h i st h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ed e s i g n & f a b r i c a t i o no fs i cs c h o t t k yb a r r i e rd i o d e s ( s b d ) t h ef u n d a m e n t a lp r o b l e r o so fm e t a l s i cc o n t a c t sh a v e b e e ns t u d i e d w ed e v e l o pas e to f p r o c e s sp r o c e d u r e s a n d t e c h n o l o g yc o n d i t i o n ss u i t a b l et ot h ef a b r i c a t i o n o fs i cs b d s n ii sd e p o s i t e do n t os i n g l ec r y s t a lnt y p e6 h s i cw a r e r s b ye l e c t r o nb e a me v a p o r a t i o n f a b r i c a t i o n sa n dm e a s u r e m e n t s o fo u r s b d s w i t h b r e a k d o w n v o l t a g e s a sh i g h a s4 5 0 v a r ed e s c r i b e d m e a s u r e m e n t so ft h ef o r w a r di vc h a r a c t e r i s t i c so fo u rs b d 8 h a v es h o w nt h e i r g o o dp r o p e r t i e s t h ei d e a lf a c t o ra n d b a r r i e r h e i g h t a r e1 7 3a n d1 2 5 v r e s p e c t i v e l v 2 t h ea p p l i c a t i o n so ff a c t a lt h e o r yi nt h es t u d i e so fs i c d e v i c e s ，e s p e c i a l l yc o n c e r n i n gt h ee f f e c t so fi n t e r f a c e r o u g h n e s ss c a t t e r i n gi n t e r f a c er o u g h n e s ss c a t t e r i n go nt h e m o b i l i t yo fc h a n n e le l e c t r o n s w ep r e s e n taf r a c t a lm o d e lf o r s u r f a c er o u g h n e s so fs i cb a s e do nt h es t r u c t u r ef u n c t i o n ， d e s c r i b i n gt h ea u t o c o v a r i a n c ef u n c t i o n o fs u r f a c e h e i g h tw i t h r m sa m p l i t u d e4s u r f a c ef r a c t a ld i m e n s i o n d sa n dc o r r e l a t i o n l e n g t hl t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h e s ep a r a m e t e r si sg i v e n b a s e do nt h i sf r a c t a lm o d e l ，w ec a nc a i c u l a t et h ei n t e r f a c e r o u g h n e s ss c a t t e r i n gt oc h a n n e le l e c t r o n si ns i cm o s f e t 。 3 t h e c o m p u t e r m o d e l o fs i cs b d i t s i m p l e m e n t a t i o n m e t h o d s w e p r e s e n t a s i m p l e b u tp r a c t i c a lm o d e lf o rs i c s b d ，a n d i n t r o d u c et w om e t h o d st o i m p l e m e n ti t ：m a c r o m o d e l i n ga n d c c o d e m o d e l i n g i n o u rm o d e l ，t h et h e r m a l d e s i g n i sc o n c e r n e d a n d r e a l i z e d b y t h e m e a n s o fe q u i v a l e n tr c n e t w o r ks u b c i r c u i t l a s t l y r t h ec c o d em o d e l i n gi sd e s c r i b e di nd e t a i l c o n s i d e r i n g t h es k i l l f u l n e s si td e m a n d s 第一章绪论 1 1 碳化硅器件的研究意义 近3 0 年来半导体产业的发展表明，电子技术关键方向有两个快速增长点i | j ： 一是信息处理系统的基础元器件的迅速发展；二是在高温、高频等领域，被称为 “极端电子学”器件正在“雪崩”似地增长。“极端电子学”器件是指极端条件 下使用的器件以及具有权端特性的器件，极端电子学器件可分为相互联系的三类 器件： l 】在高温，辐射和具有腐蚀性环境条件下使用的器件； 2 ) 在超高压和超高电流密度电子系统中使用的器件： 3 1 在超高功率一频率指数电子系统中使用的器件。 在这些场合下，要求材料具有较宽的禁带、高的击穿电场、高的热导率、高 的电子饱和速率等2 i ；这时候，第一代元素半导体材料( s i 、g e ) 平d 第代化什物 半导体材料( g a a s 、g a p 、i n p 等) 就显示出了它的局限性，不能胜任器件的要求， 第三代宽带耐3 1 ( w b g 。w i d eb a n d - g a p ) 半导体材料就脱颖而出了。所谓宽带 隙半导体材料主要是指禁带宽度大于2 | 3 电子伏特的半导体材料，主要包括s i c 、 c b n ( 立方氮化硼1 、g a n 、a 1 n 、z n s e ，以及金刚石薄膜等。 作为一类非常重要的第三代半导体材料，碳化硅具有宽禁带( s i 的3 倍j 、 高热导率( s i 的3 3 倍) 、高击穿场强( s i 的1 0 倍) 、高饱和电子漂移速率( s i 的 2 5 倍) 以及高键合能等优点。图1 1 给出了s i c 与c 的基本参数的比较以及时 器件极端特性的影响。可以看出，除个别参数( 如电子迁移率) 外，s i c 材料的品 质全面伏于s i 。 所以s i c 特别适于制造高温、高频、高功率、抗辐射、抗腐蚀的电了器什4 罐1 。 s i c 器件可用于人造卫星、火箭、雷达与通讯、战斗机、海洋勘探、地震预报、 石油钴井、汽车电子化等重要领域。此外s i c 具有近2 0 0 种多型体，卜同s i c 多型体在s i c 双层密排面的晶格排列完全相同材料的物理、化学和机械性能 相同但电性能差异很大，利用s i c 的这一优点可以制作s i c 不同多型体的晶格 完全匹配的异质复合结构和超晶格，从而获得眭能极佳的高温大功率微电子器 件。 图1 】比较s i c 和s i 材料的基奉参数以及对器件特性的影自 下面列举s i c 材料及器件的一些具体应用： 1 ) 高频功率器件：相控阵雷达、通信系统、固相u h f 广播系统、高频功率 供应、电子干扰( 干扰与威胁和预警系统) ； 2 ) 大功率器件：用于功率产生系统的功率电子、电涌抑制器、电动汽车的 功率调节、电子调节器( 传动装置) 、固相电灯镇流器； 3 ) 高温器件：喷气发动机传感器、传动装置及控制电子、航天飞机功率调 节电子及传感器、深井钻探用信号发射器、工业过程测试投控制仪器、 无干扰电子点火装置、汽车发动机传感器； 4 ) 作为生长g a n 、a i n 、金刚石等村底。9 8 年c r e e 公司生产以s i c 为衬底 的g a n 基l e d s ，产量达每月1 5 0 0 万只。 正是因为s i c 所具备的优良特性和s i c 器件所展示的巨大应用潜力及在国防 应用上具有的特殊地位国际上非常注重s i c 材料与器件的研究开发1 2 1 。美国在 9 7 年制订的“国防与科学计划”中规定了宽带隙半导体的发展目标。近两年同 本成立了一个新能源及工业技术发展组织制定了一系列关于s i c 材料与器件的 国家计划，如“国家硬电子计划”，主要发展高能，高速，高功率的开关器件， 用于空间，原子能，存储及信息通讯。在欧洲的些国家均设立了有天s i c 宽带 隙半导体研究开发计划。 为了获得高性能电子器件，关键是要获得大尺寸高质量单晶和薄膜以及控 制掺杂。近二十年来s i c 材料研究在生长技术上取得突破1 9 】：9 0 年代初美国c r e e 公司已实现了6 h s i c 和4 h s i c 单晶片的商品化，目前4 h 和6 h s i c 单晶片的 直径己达7 5 m m ，预计2 0 0 0 年底可达1 0 0m m ，影响器件性能的缺陷也得到了很 好的控制。在外延技术方面，缓冲层技术( b u f f e rl a y e r ) ，台阶控制外延技术 ( s t e p c o n t r o l l e de p i t a x y ) ，位置竞争技术( s i t e c o m p e t i t i o ne p i t a x y ) 等的发展，使得 外延膜质量有了很大提高。并且在外延层中实现可控掺杂。 9 0 年代后期，在s i c 器件研究方面进展较快。在x 波段( 8 - 1 2 g h z ) i _ 作的s i c 高频大功率器件目前已经实现，并已应用到军用雷达和卫星通讯方面， s 波段( 1 5 5 5 2 g h z ) 工作的高频大功率器件已成功地应用到高清晰度电视图 像的发送和传播领域。在美国海军研究署的支持下以p u r d u e 大学为中心研 发大功率微电子s i c 器件，并己研制出双极晶体管、单片数字集成电路、c c d 器件、双注入m o s 器件、c m o s 、d m o s 集成电路等，他们的工作还受到弹道 导弹防御办公室以及半导体研究公司的支持。美国防部高级研究计划局对这螳研 究成果给予了高度评价。在1 9 9 9 年，c r e e 公司报道用5 0 0 m 厚的4 h s i c 外延 层制成了击穿电压大于5 9 k v 的p i n 二极管，已接近其理论值。 尽管国际上在s i c 材料及器件的研究中取得了可喜的进展，但仍存在一些重 要问题有待人们去解决，例如： 1 ) 材料质量尚不够高，器件的各项参数与理论值相比还有距离：器件制造 中的许多关键工艺需要进一步探索； 2 ) 目前s i c 单晶价格昂贵( 中1 3 7 5 英寸的4 h s i c 晶片价格为$ 1 5 0 0 片) 。 对于碳化硅工业，一方面要优化生长工艺提高单晶尺寸和质量，降低单晶 价格。另一方面要探索在廉价的单晶硅或蓝宝石等衬底上异质外延生长高质量的 s i c 膜。目前基于s i c s i 的高温压力传感器、微机械的原型器件已研制成功。使 人们对异质外延s i c 材料的应用前景有了更进一步的认识。 国内几家科研力量很强的单位在s i c 材料与器件的研究方面也有+ 定的进 展。中国科技大学，中科院半导体所等单位根据自身的特色，丌展了外逛恤k s i c 膜及器件制作的研究，其中在单晶硅衬底上异质外延生长3 c s i c ，4 h s i c 膜的工作很有特色，为开发廉价的高质量单晶s i c 膜奠定了一定基础。然而，我 国在s i c 材料及其器件研究方面起步晚，投入低，与国际水平差距较大，日前研 究所用的碳化硅单晶全都依赖进口。但是，为打破两方国家对我周实行的高新| ： 技特别是军事高新科技封锁，我国决不能只依靠进口s i c 材料及其器件来发展第 三代半导体产业，所以我国开展碳化硅及其器件的研究具有很强的紧迫性。 我们相信，如果在5 1 0 年内突破单晶和薄膜制备和相关的物理化学方面 的壁垒，并通过高性能器件的研制成功，在信息技术的基础行业必将有一次新 的革命。 1 2 本论文的主要工作 本文从以下几个方面对碳化硅器件进行了研究： 1 在第二章，研究了器件研制中的基本问题。首先，总结了碳化硅材料性 质，以及材料性质和器件性能的关系。然后，研究了金属碳化硅接触中的肖特 基势垒问题。晟后，介绍了碳化硅肖特基势垒二极管的研制。我们摸索出了一套 比较合适的工艺流程，制各了性能较好的肖特基整流二极管，并且分析、讨论了 我们的结果，为今后建立成熟的碳化硅工艺打下了基础。 2 在第三章，集中讨论了碳化硅场效应器件的s i c s i 0 2 界面性质以及界 面性质对器件性能的影响。界面性质的。个突方面足天r 半兀糙化的研究研4 f ： 表明：因界面粗糙而产生的散射对场效应器什的沟道电了迁移牢有很大的影n 砌。 我们首创将分形理论引入到碳化硅器件的研究中来，建立了粗糙表面界面的分 形模型，并在此基础上了等到粗糙散射率计算公式。理论和模拟的结果表明：分 形模型在碳化硅s i c s i 0 2 界面粗糙散射研究中的应用是成功的。 3 在第四章，讨论了碳化硅功率二极管的电路模型以及模型的实现与法。 对于功率器件，我们必须考虑它的热设计。我们建立了碳化硅功率二极管热传递 的等效r c 网络模型。在此基础上我们提出了一个实用化的碳化硅功率二极管 的p s p i c e 模型。然后，我们讨论了在p s p i c e 掣器件模型的曲种实脱山浊：宏 单元建模和c 代码建模。特别地，鉴于c 代码建模方法有一定的技巧十牛以及良 好的应用性我详细介绍了这种方法的实现过程。 f 参考文献 【1 】郝跃，彭军，杨银堂，碳化硅宽带隙半导体技术，科学出版社，2 0 0 0 【2 】i e e et r a n s o ni e ，s p e c i a li s s u eo nh i g h t e m p e r a t u r ee l e c t r o n i c s ，v 0 1 i e 一2 9 ， 1 9 8 2 【3 】李晋闽，物理，2 9 ( 2 0 0 0 ) ，8 【4 】s e c o n d i n t e r n a t i o n a l h i g h t e m p e r a t u r e e l e c t r o n i c s c o n f e r e n c e ，s e s s i o nl ， c h a r l o r e ，n c ，j u n e5 1 0 ，1 9 9 4 5 】i e e es p e c t r u m ，s p e c i a li s s u eo ne l e c t r i cv e h i c l e s ，n o v ，19 9 2 6 】p r o c o f l e e e ，s p e c i a li s s u eo np o w e re l e c t r o n i c s m o t i o nc o n t r o l ，a u g 1 9 9 4 【7 p r o c o f t h e9 m s y m p o s i u m o n s p a c e n u c l e a rp o w e rs y s t e m s ，j a n 1 2 1 6 ，1 9 9 2 8 1 j r o c o n e re t a 1 ，s i l i c o n c a r b i d e ：a h i g ht e m p e r a t u r e s e m i c o n d u c t o r , n y ：p e r g a m o n ，l 9 6 0 9 v e t s v e t k o v , e ta 1 ，p r o c o fi n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo i ls i l i c o nc a r b i d e & r e l a t e d m a t e r i a l s ，s e p t 19 9 5 1 0 1c r e e r e s e a r c hi n c 2 8 10m e r i d i a np a r k w a y , d u r h a m n c 2 7 7 13 第二章碳化硅肖特基二极管的研制 2 1s i c 的基本性质 半导体材料的基本物理性质和器件的性能有必然的联系。本章概括性介绍碳 化硅材料的晶体结构、电学性质以及热学参数。 2 1 1 s i c 的晶体结构 s i c 是i v i v 族二元化合物半导体也是元素周期表i v 旗兀素中唯。的一 种固态化合物。按照晶体化学的观点，构成s i c 的两种元素s i 和c ，每种原子 被四个异种原子所包围通过定向的强四面体sp 键结合在+ 起，如图卜i ( h ) 所示。这决定了s i c 材料有很多优良的性质。比如：s i c 化学性质非常稳定，它 具有很高的原子化能值，达到1 2 5 0 k j m o ：s i c 热稳定性非常好，德拜温度高 达到1 2 0 0 1 4 3 0 k 。 虽然s i c 四面体键很强，但层错形成能量却很低( 2 5 m j m ：) ，返使得嘶_ k 容易形成多型体的现象”3 。多型体( p o l y t y p e ) 是指在化学计量成分相i 司的情况 下具有不同的晶体结构。多型体之间的区别仅在于s i _ c 原子对的堆垛次序小1 口j 根据堆垛方式的不同，s i c 多型有：闪锌矿结构( 立方密堆) 、纤锌矿结构( 广i 角密堆) 和菱形结构。根据t h i b a u 命名法“一般把纤锌矿结构和菱形结构的 s i c 统称为a - s i c ，把闪锌矿结构的s i c 多型称为b s i c 。 s i c 多型结构可以由单向含有碳层的硅原子六边形填充层的组成来说明，按 照全同粒子的密堆积原则这些双层的堆积可以产生各种各样的结构。在图 卜1 ( b ) 中，描绘了第一层中硅原子的位置和凸现在第一层平面之上的连续层中硅 原子可能的位置，其位置分别由a 、b 、c 表示。在这些结构中，所有的原子位于 对称轴上，并且所有对称轴落在( i l j 0 ) 平面上。因此，通过( 1 l j 0 ) 甲面可以对 结构表示法作出陈述。图1 2 描述了这种( 1 1 2 0 ) 平面，图中网格表示原子可能 的位置。在图卜2 ( a ) = 。1 中，我们可以看到：原子从第一层位置a 开始，到第二层， 硅原子可以在位置b 或c 。就是说在网格中原子总是垂直地跳跃到达f 层， 再移一步到达左边或右边，作“之”字形运动。图卜2 ( b ) 、( c ) 、( d ) 分别常见 多型体中硅原子的位置。 6 s i c 多型体一般用z d a n o v r a m s d e ll 命名法川来表征。z d a n o v r m m s d e l1 命名 法由表征原胞中原子层数目的数字、表征原胞对称性的字母以及括号间的数字三 部分组成，比如：4 h ( 2 2 ) 。立方对称( 空间群4 3 m ) 用字母c 表示；六方晶体( 空 间群p b 3 m c ) 用h 表示；对三角晶体，属于空间群r 3 m 的，使用r 表示，属于空 间群p e m 的，用h 表示。括号中的数字表征“之”字形运动的次序，第个数表 示向右运动的网格数，第二个数是向左运动的网格数，以下继续按“右止右 左”次序排列。 图卜2 o 口 四面体( b ) 原 ( a ) s i 原子和c 原子的相对位置( b ) 3 c s i c 中s i 原子位置 ( c ) 在4 h s i c 中s i 原子位置( d ) 6 h s i c 中s i 原子位置 2 1 2 s i c 多型体的电学热学性质 目前已发现的的s i c 多型体有2 0 0 多种，最常见的有3 c s i c 、i hs i f 和 6 h s i c 。3 c s i c 、4 h s i c 和6