（材料物理与化学专业论文）肖特基二极管相关材料生长及器件研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 肖特基二极管相关材料生长及器件研究 摘要 l 肖特基二极管是利用金属与半导体之间接触势垒进行工作的一种多数载流 子器件，与普通的p n 结二极管相比，它具有正向导通电压低，响应速度快等优 良特性。肖特基二极管在高频整流、开关电路和保护电路中作为整流和续流元件， 可以大幅度降低功耗，提高电路效率和使用频率，减少电路噪声。随着电力电子 技术的蓬勃发展，肖特基二极管的高频、低功耗等优良性能将为其赢得广阔的发 展前景。 串连电阻是制约肖特基二极管响应速度的一个关键因素。与体材料制作肖特 基二极管不同，本文以降低器件的串连电阻为目的，采用半导体薄膜材料作有源 层。利用我们自行研制的超高真空化学气相沉积( u h v c v d ) 技术外延了亚微米 级的s i 薄膜，成功的制作了具有整流特性的高频薄硅肖特基二极管的原型器件。 此后又对用新型材料作s b d 作了有益的尝试，首次研制了z n 0 薄膜肖特基二极管 的原型器件，这标志着我们从半导体材料的生长向半导体器件的研制迈出了重要 的一步。 本文的具体工作可归纳为： 1 ) 薄硅外延片研制高频肖特基二极管的原型器件。 a ) 利用超高真空化学气相沉积( u h v - c v d ) 技术在重掺s i 衬底上生长 高晶体质量的亚微米级薄硅外延片。 b ) 在薄硅外延片的生长基础上，探索制作肖特基二极管的相关工艺， 研制高频s b d 原型器件。 2 )z n o 薄膜肖特基二极管原型器件的研究。 a ) 利用磁控溅射技术，首次在s i 衬底上，以金属m 做过渡层制备具有 高c 轴取向的z n o 晶体薄膜。 b ) 探索适合z n o 肖特基二极管的制作工艺，选用p t 作肖特基电极研制 肖特基二极管原型器件。 c ) 在制作p t z n o a ls b d 的基础上，对z n os b d 原型器件的结构与工 艺进行改进，研制性能更为优异的s b d 。 浙江太学硕士学位论文肖特基二扳管相关材料生长致器件研究 a b s 脚c t s c h o t t k y b a r r i e rd i o d ei sak i n do f m a j o r i t yc a r r i e rd e v i c e ，u s i n g t h ec o n t a c t b a r r i e rf o r m e db e t w e e nm e t a la n ds e m i c o n d u c t o rt ow o r k i th a st h ea d v a n t a g e s o fl o wt u r n o nv o l t a g ea n d h i g hr e s p o n s ef r e q u e n c y ，c o m p a r e dw i t hp nj u n c t i o n d i o d e s s c h o t t l yb a r r i e rd i o d ec a nb eu s e da sr e c t i f y i n ga n dc o n t i n u o u s f l o w u n i ti nh i 曲f r e q u e n c y r e c f i f y i n g ，s w i t c h i n ga n dh o l d i n gc i r c u i t ，y e tr e d u c i n gt h e p o w e rc o n s u m p t i o n a n dc i r c u i t n o i s e ，e n h a n c i n g t h ec i r c u i t e f f i c i e n c y a n d o p e r a t i o nf r e q u e n c y a st h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h e r es h o u l db ea l le x t e n s i v e p r o s p e c t o f s c h o t t k y b a r r i e rd i o d ew i mi t sm e r i t so f l l i g hr e s p o n s ef r e q u e n c ya n d l o w p o w e rc o n s u m p t i o n s e r i e sr e s i s t a n c ei sa l li m p o r t a n tf a c t o rc o n f i n i n gt h er e s p o n s es p e e do f s c h o t t k yb a r r i e rd i o d e d i f f e r e n tf r o mf a b r i c a t i n gs b d 、析t hb u l ks e m i c o n d u c t o r , t h i ns e m i c o n d u c t o rf i l m sw e r eu t i l i z e da st h ea c t i v el a y e ri no r d e rt om i n i m i z e t h es e r i e sr e s i s t a n c e s ie p i l a y e rw i t hs u b - m i c r ot h i c k n e s sw a s d e p o s i t e db y u l t r a h i g h v a u u mc h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ( u i - r v - c v d ) t h es b d w i t h r e c t i f y i n g p e r f o r m a n c e w a s d e v e l o p e d ，u s i n gs ie p i l a y e r a st h ea c t i v el a y e r a ni n s t r u c t i v ea t t e m p tw a sm a d e b yu s i n gn e w s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l sf o r s b d a p p l i c a t i o n f o rt h ef i r s tt i m e ，z n ot h i nf i l ms b d w a sf a b r i c a t e d ，w h i c hi s a n i m p o r t a n ts t e pe x t e n d i n g o u rr e s e a r c hf r o mm a t e r i a l s g r o w t ht o d e v i c e d e v e l o p m e n t t h ec o n c r e t ew o r ki nt l l i st h e s i s ： 1 ) f a b r i c a t i o no f h i g hr e s p o n s ef r e q u e n c ys b du s i n gt h i ns ie p i l a y e l a ) s it h i n f i l mw i t hs u b - m i c r ot h i c k n e s sw a s e p i t a x i a lg r o w n o n h e a v y - d o p e d s is u b s t r a t e b y u l t r a h i g h v a c u u mc h e m i c a l v a p o r d e p o s i t i o n ( u h v - c v d ) b ) s b d w a sm a d eu s i n gt h es ie p i l a y e ra st h ea c t i v el a y e r ，q u a l i f i e dw i t ha s e to fd e v i c et e c h n o l o g y 2 ) s b d w a sm a d e u s i n gz n o t h i nf i l ma st h ea c t i v el a y e r , w h i c hi saf i r s tt i m e a t t e m p t 2 浙江大学硕二l 学位论文 肖特基二极管相关材料生妖及器件研究 a ) f i r s tt i m e ，h i g hc a x i a lo r i e n t a t i o nz n ot h i nf i l mw a sd e p o s i t e do i la i m e m b r a n e s u p p o r t e d o ns is u b s t r a t e b ) a s e to fd e v i c ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yw a sd e v e l o p e dt or e a l i z ez n o s b d o b v i o u s r e c t i f y i n g c h a r a c t e r i s t i c w a so b t a i n e d u s i n g p ta s s c h o t t l q , c o n t a c te l e c t r o d ew i t hz n o c ) a f t e ri m p r o v i n gt h ez n os b d ，i n c l u d i n gt h ed e v i c es t r u c t u r ea n d f a b r i c a t i o n t e c h n o l o g y , a u z n o a i s b dw a sf a b r i c a t e dw i t ha n i m p r o v e dr e c t i f y i n gc h a r a c t e r i s t i c 3 浙江大学硕士学位论文 肖特基二极管相关材料生长及器件研究 第_ _ 章引言 肖特基势垒二极管，简称肖特基二极管( s c h o t t k yb a r r i e rd i o d e ，s b d ) ， 是利用金属与半导体之间的接触势垒进行工作的器件。适合在低压、大电流输出 场合用作高频整流，检波和混频，在高速逻辑电路中用作筘位。在i c 中也常使 用s b d ，像s b d t t l 集成电路早已成为t t l 电路的主流，在高速计算机中被广 泛采用。 与普通的p n 结二极管相比，s b d 的势垒高度低于p n 结势垒高度，故其正 向导通门限电压和正向压降都比p n 结二极管低( 约低0 2 v ) ：s b d 是一种多数载 流子导电器件，不存在少数载流子寿命和反向恢复问题。s b d 的反向恢复时间只 是肖特基势垒电容的充、放电时间，故开关速度非常快，开关损耗也特别小，尤 其适合于高频应用。这是我们的立体依据之一。 目前国内市场上的s b d 基本依靠进口，而国产的s b d 工作频率不高，性能 不稳定，极大的限制了肖特基二极管的实际应用。我们浙江大学硅材料国家重点 实验室长期从事半导体薄膜材料的制备与特性研究，依据自身实力，从硅s b d 入手，用薄硅外延层作s b d ，为实现高频微波器件的国产化迈出了坚实的一步。 材料质量是决定器件性能的重要因素，生长出高质量的超薄外延层成了制 作高频肖特基二极管的关键。对s i 外延而言，一般的常温常压c v d 技术的外延 温度在1 0 0 04 c 左右，自掺杂和外扩散非常严重，过渡区很宽，外延层厚度很难 控制在亚微米范围，因此串联电阻和结电容无法降低，从而限制了器件的性能。 我们所采用的超高真空化学气相沉积( u h v c v d ) 技术具有超净的生长环境，减 少了氧、碳等有害气体的沾污，保持了高质量的生长界面，可以实现低温生长， 消除了传统外延工艺中自掺杂和外扩散的缺点，可将外延片厚度控制在亚微米 级，从而减小了器件的串连电阻，提升了使用频率。 在对传统的s is b d 进行了结构与工艺上的改进，并取得了相关进展的基础 上，我们又在半导体材料的选择上作了有益的尝试。z n o 是典型的宽禁带半导体 材料，激子束缚能很高，适合在高温高辐射的环境下使用，如果能将z n o 材料的 高温抗辐射性能与肖特基- - 极管的高频特性相结合，那么将使得肖特基二极管的 应用更具实用价值。 f l i 江大学硕士学位论文 肖特基二极管相关材料生k 及器件研究 传统的s b d 结构主要包括两类：一是欧姆电极与肖特基电极位于有源层的 两侧，将欧姆电极做在很厚的半导体衬底的背面( 如图卜1 所示) ；二是将欧姆 电极与肖特基电极作在有源层的同侧( 如图1 - 2 所示) 。第一类在载流子传输的 过程中引入了半导体衬底的电阻，第二类则在载流子的传输过程中引入了有源层 的横向附加电阻，两者都导致了肖特基二极管串联电阻的增大，对器件的高频响 应都是不利的。鉴于g n o 材料的易沉积性，我们用a l 膜作为z n o 沉积的直接衬 底( 如图卜3 所示) ，即将欧姆电极与肖特基电极制作在有源层( z n o 薄膜) 的 两侧，从根本上克服了半导体衬底附加电阻的影响，目前我们已经成功地得到了 具有整流特性的z n o 薄膜肖特基二极管的原型器件，有关截至频率等相关性能的 测试正在进行过程中，本文中未能涉及。 图卜l 图1 - 3 图1 2 浙江大学硕士学位论文肖特基二极管相关材料生长及器件研究 第= 章文献综述 早在1 8 7 4 年，b r a u n 就发现了金属与半导体接触之间导电性能的非对称性， 由此揭开了人们对金属和半导体接触研究的序幕。虽然金属与半导体接触作为检 波器早已得到广泛应用，然而人们对其整流机理并不了解，直到1 9 3 8 年，肖特 基( s c h o t t k y ) 首先指出，由于金属一半导体之间存在稳定，均匀分布的空间电 荷层而形成势垒，即肖特基势垒。并在量子力学基础上，提出了扩散理论，较好 的解释了这种电流一电压的非对称性。b e t h e 在1 9 4 2 年提出的热发射理论使人们 对金属一半导体接触整流机理的认识产生了一个飞跃 1 】。此后有很多关于肖特 基势垒物理研究的报道【2 4 ，进入8 0 年代，由于器件工艺技术的发展，肖特基 二极管的发展逐步走向成熟【5 。 肖特基势垒二极管是一种多子器件，没有“少子”的存贮效应，开关时间短， 串连电阻小，有良好的高频特性和开关特性 6 7 】，而且结构简单、便于集成、工 作稳定，性能良好。 2 1 肖特基势垒的起源 金属和半导体形成整流接触特性有两种情况：1 ) 金属和1 3 型半导体接触， 且金属的功函数大于半导体的功函数，即w m w 。；2 ) 金属和p 型半导体接触， 且金属的功函数小于半导体的功函数，即w m v ，s ) ( b ) 金属与p 型半导体接触能带图( w 。 5 1 0 1 9 c m 4 时，x 。小于1 0 0 埃，处于半导体费米 能级的电子也可以用隧道方式通过势垒 图2 - 6 ( c ) 。这种费米能级附近 的载流子的隧道电流叫场发射电流。n 型硅上的铝就是用这样的方法形 成欧姆接触的。由于隧道过程灵敏地依赖于势垒厚度，故这种接触的接 触电阻是半导体掺杂浓度的灵敏函数。 工tt 图2 - 6 掺杂浓度对金属一半导体接触特性的影响 己知隧道几率正比于e x p ( 1 t ) ，故隧道电流也正比于e x p ( 1 _ ) 。 特征电阻是衡量欧姆接触好坏的参量。一个好的欧姆接触希望其特征电阻 在1 0 3 0 c m 2 以下。 浙江大学硕士学位论文 肖特基= 板管相关材料生长及器件研究 第三章薄膜制备王艺及肖特基= 极管工艺 3 1 硅外延技术 目前，化学气相沉积是生长s i 基材料的最主要技术。 化学气相外延生长是最早应用于半导体领域的一种比较成熟的外延生长技 术。它在半导体科学的发展中起着很重要的作用，半导体科学所经历的飞跃发展 有许多是由它促成的。没有气相外延生长技术，也就没有今天许多精巧奇妙的半 导体器件。 化学气相沉积( c v d ) 实质上是一种气相物质在高温下通过化学反应而生 成固态物质并淀积在基板上的成膜方法。具体的说，氢化物、卤化物或挥发性的 金属卤化物和金属有机化合物等与运载气体混合后，均匀地送到反应室内的高温 基板上通过热解、还原、氧化水解、歧化或聚合等反应，在基板上形成薄膜。 目前c v d 技术主要应用于半导体集成电路生产中制造硅、金属、氧化物 等外延膜和绝缘保护膜，特别是由于淀积过程中放射线损伤小，故已成为 m o s ( 金属氧化物半导体) 生产的关键技术 1 4 1 7 。 3 1 ，1 常温常压e v d 常温常压c v d 技术有许多优点：装置简单，生产率高，用途广泛，几乎可 以淀积任何薄膜；膜层均匀性好，具有台阶覆盖性能，适宜于复杂形状的基板； 淀积速率高，一般可达1 0 - 5 0um m i n ；膜层针孔少附着力强，延展性强。 常温常压c v d 外延，虽然在生长上已被广泛应用，但是由于生长温度在1 1 0 0 左右，自掺杂严重，而且难以生长薄层材料，于是研究者开始不断发展新的 c v d 技术。 3 l z 极低压c v d 极低压c v d 也叫做超低压c v d ，它是在低压外延基础上发展起来的，于 1 9 8 3 年才被确立的一种新的外延生长技术。 在c v d 外延中，生长压力是一个关键的参数。低压外延与常压下的生长 - 1 9 - 浙江大学硕士学位论文 肖特基二扳管相关材料生长及器件研究 相比，优点很多，主要有如下几点【1 8 ： 1 】在低压下，由衬底逸出的杂质能较快的穿过边界层而被排出系统，因此 大大降低了它重新进入外延层的机会，从而减少自掺杂。且杂质分布界面较陡峭。 【2 降低生长温度( 在4 2 4 6 5 0 范围) 【3 】改善外延层厚度均匀性，适合大面积生长 4 图形漂移减小，外延质量提高。 t 。i 。为所获得的外延生长的最低温度。如不考虑影响生长温度的其他因素， 则t 。i 。随压力的降低而降低。所以比常压低得多的压力( 很低压力范围) ，对于 实现低温外延是十分有利的。 低压c v d 在反应机理上也与常压c v d 不同。生长速率不是由质量传输过 程决定，而是由衬底表面反应速率决定，即受表面氢的解析限制。低压c v d 不 需要携带气体可减少杂质的引入。 3 1 3 超高真空化学气相沉积( t l f n - c c d ) 生长技术 u h v c v d 系统是人们在研究低压c v d 的基础上，把超高真空技术，与c v d 技术结合起来，发展起来的。 u h v c v d 系统的雏形出现于1 9 8 6 年，是d o n a h u e 1 9 等人建立。同年i b m w a t s o n 研究中心的m e y e r s o n 正式建立了一套u h v t c v d 系统； 系统采用两级泵串联抽真空，其本底压强为1 0 叫o t o r t ，5 5 0 ( 2 时，h 2 0 和0 2 分 压都小于1 0 。o t o r t 。生长室内可装多片硅村底片。加热用6 6 k w 的红外卤素灯， 用红外高温计测温。在基座上面设置一个由1 k