（微电子学与固体电子学专业论文）碳化硅器件的温度特性及其关键工艺研究.pdf

摘要 摘要 碳化硅具有优越的材料性能，在高温、高频、大功率器件和集成电路制造领 域有广阔的应用前景，是近年来国际半导体领域研究的热点之一。成熟的硅器件 通常只能在2 0 0 结温以下工作，而对于s i c 高温器件和集成电路来说，其工作温 度高，稳定工作的温度范围大，在高温条件下具有相当的优越性，因此，研究它 的温度特性具有重要意义。 首先，本课题从器件物理角度出发，建立了适合s i c 器件工作机理的器件模 型，通过引入温度系数研究了不同器件的温度特性。重点研究- j ( 1 ) s i cb j t s 的重 要器件参数厄利电压的温度特性；( 2 ) s i cm e s f e t s 的亚阈值区域的温度特性；( 3 ) 通过修正s i cm o s f e t s 补偿电流源模型研究了其高温特性。 主要内容如下：第一，考虑缓变基区4 h s i cb j t 中四种载流子复合过程，并 计入温度的影响对其厄利电压进行分析。当其他参数不变的条件下，厄利电压v a 随n e 增大而增大，随n c 增大而减小，随w 增大而增大。温度升高，杂质离化率 的提高使集电结空间电荷区缩小，相应的准中性基区宽度增大，加强了基区宽度 调制作用，厄利电压降低。高温条件下，杂质离化率增加导致发射极注入效率降 低，表面复合增大，电流增益下降。第二，分析比较了漏极引致势垒降低效应( d i b l 效应) 对6 h 及4 h s i cm e s f e t 沟道势垒、阈值电压、及亚阈值电流的影响。衡量 d i b l 效应的主要参数。l a i n 位于沟道中部并随栅长减小而增大，随温度升高而升 高。该效应会造成阈值电压向更负方向变化，并主要受漏压控制。s i cm e s f e t 亚 阈值电流随栅长减小而增大，随温度升高而升高，且栅长越小，亚阈值电流随栅 压变化越快。第三，考虑界面态电荷高斯分布模型及p o o l e f r e n k e l 效应，对s i c m o s f e t 补偿电流源模型进行了修正，分析了高温条件下造成6 h s i cn m o s 与 p m o s 器件补偿电流源变化的原因。界面态电荷的非均匀分布造成由阈值电压漂 移引起的输出漏电流改变量随温度的升高逐渐减小；漏衬界面缺陷是造成体漏电 流较大( 达到微安量级) 的主要因素，且缺陷密度越大，该值随温度增长的速度越快。 其次，研究了利用离子注入法得到的掺氮n s i c 拉曼光谱。与4 h s i c 相比， 6 h s i c 中l o 声子等离子体激元耦合模( l o p c 模) 拉曼位移随自由载流子浓度变化 较小。电子拉曼散射光谱表明，6 h s i c 中k 位处由1 s ( a 1 ) 到l s ( e ) 的能谷轨道跃迁 碳化硅器件的温度特性及其关键工艺研究 带来的拉曼谱有四条，而4 h s i c 中有二条；高频6 3 0 3 c m 。1 及6 3 5 e m 。1 处观察到的 谱线被认兔与深笺缀缺陷有关。剩震纤锌矿型结构二级拉曼散射选择定剡指认了 6 h 及4 h s i c 二级拉曼谱。此外，研究了掺n 的4 h s i c 中缺陷处的一级、二级拉 曼光谱及其电子拉曼散射。一级拉曼散射峰表暖圆形凹坑及六焦形缺陷处都不存 在多型夹杂。六角形缺陷处未观察到部分二级散射峰，以合频谱居多。另外，在 六焦形缺陷处未观察到与瑟形醴境及远离缺陷处福圊的毫子拉曼散射峰，说睨六 角形缺陷会影响氮在4 h s i c 中的分布，这一点也由l o p c 模的拟合数据得到证明。 s i c 器件的制备工艺包括氧纯、光刻、离子注入、刻蚀、金属化等。对s i c 丽 言，刻蚀及金属化这两步工艺对器件特性的影响较大，是工艺环节中的难点。本 研究立足于国内现有条件，对欧姆接触及等离子刻蚀这两项工艺进行了实验研究。 通过9 5 0 快速热退火形成的a u t i n i 叫h s i c 欧姆接触最低欧姆接触电阻 为2 7 6 5 x1 0 啼qc m 2 。s i m s 分析表明遐火过程中n i s i 化合物的形成会带来s i c 内 部多余c 原子的溢出，并在接触面上与t i 形成间隙化合物t i c ，造成接触表面存 在由大量c 空位形成的缺陷层，降低了阻挡电子传输的势垒高度，增强了表面间 接隧穿。还通过界面能带结构图直观解释了欧姆接触在热退火条件下的形成机制。 采用s f d 0 2 作为刻蚀气体，对体材料6 h s i c 进行了等离子刻蚀研究。光刻水 平的好坏，特别是剥离工艺将直接影响刻蚀图形的形成。本实验中2 岫以上的各 种图形都比较清晰。刻蚀深度与开口大小成正比，开口越窄，深度越浅。s i c 刻蚀 速率随i c p 线圈功率的增大而线性增加，随偏置电压的增加而增大，当混合气体 中0 2 占2 0 时，刻蚀速率最大。微沟槽的形成是由于加入氧气后形成的s i f x o y 中间层的充电造成的，i c p 功率与偏置电压的增大会增强这一效应，微沟槽处刻蚀 速率随工艺条件的变化趋势与远离侧蹙处基本一致。而入射离子的角度分布也会 影响微沟槽的形成。偏置电压和氧气含量是造成刻蚀表面损伤的主要因素。 关键词：碳化硅，温度，双极晶体管，漏极引致势垒降低效应，p o o l e - f r e n k e l 效应，拉曼散射，欧姆接触，等离子刻蚀 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee x c e l l e n tp h y s i c a la n de l e c t r o n i cp r o p e r t i e so fs i cr e c e n t l yt a k e si t s e l ft ob e t h em a i nf o c u s e dp o w e rd e v i c em a t e r i a lf o rh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hp o w e ra n dh i g h f r e q u e n c ya p p l i c a t i o n t h eo u t s t a n d i n gp r o p e r t i e sm a k es i ct oc o m p e t ea st h eh i g h t e m p e r a t u r es e m i c o n d u c t o rf o rh i g hp o w e ro p e r a t i o n t h eh i g h e s to p e r a t i o nt e m p e r a t u r e o fs i l i c o nd e v i c e si s2 0 0 c ，w h i l et h es i cp o w e rd e v i c e sc o u l db ea b l et oh a n d l e e x t r e m ee n v i r o n m e n t sw h i c hi n c l u d eaw i d er a n g eo fo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e s o ，t h e t e m p e r a t u r ep r o p e r t yo fs i cd e v i c e si so n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n ts t u d i e s f i r s t l y , t h ei m p r o v e dp h y s i c a l - b a s e da n a l y t i c a lm o d e lf o rt h es i c d e v i c e sh a sb e e n d e v e l o p e d t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r eo nt h ed i f f e r e n ts i cd e v i c e sa r ei n v e s t i g a t e di n t h i sw o r k ：( 1 ) t h et e m p e r a t u r ep r o p e r t yo ft h ee a r l yv o l t a g ef o r4 h s i cb j ti s c a l c u l a t e di nt h i sw o r k ( 2 ) t h et e m p e r a t u r ep r o p e r t yo fs u b t h r e s h o l db e h a v i o rf o rs i c m e s f e ti ss t u d i e d ( 3 ) t h et e m p e r a t u r ep r o p e r t yo fs i cm o s f e ti ss t u d i e du s i n ga n a n a l y t i c a lm o d e lw h i c hc o m p r i s e st h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n t h em a i nw o r k sa l eo u t l i n e da sf o l l o w s ：f i r s t l y , t h ee a r l yv o l t a g eo f4 h s i cb j t i sc a l c u l a t e dc o n s i d e r i n gt h ec u r r e n tg a i no ft h ed e v i c ea sw e l la st h ef o u rr e c o m b i n a t i o n p r o c e s s e si nt h ed e v i c e t h ei m p u r i t yp r o f i l ei nt h eb a s ei sa s s u m e dt ob ee x p o n e n t i a l t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo ft h ee a r l yv o l t a g ea n dc u r r e n tg a i na r es t u d i e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，k e e p i n gt h eo t h e rp a r a m e t e r su n c h a n g e d ，t h ee a r l yv o l t a g e i n c r e a s e sw i t hn e ，a n dd e c r e a s e sw h e nn ci n c r e a s e sa n dwd e c r e a s e s t h em a i nr e a s o n f o r t h et e m p e r a t u r e - d e p e n d e n te a r l yv o l t a g ea n dc u r r e n tg a i ni st h ei n c o m p l e t e i o n i z a t i o no ft h ei m p u r i t i e si n4 h - s i cb j t s e c o n d l y , d r a i n - i n d u c e db a r r i e rl o w e r i n g e f f e c t ( d i b le f f e c t ) o nt h es u b t h r e s h o l db e h a v i o ri s s t u d i e di n6 h - a n d4 h s i c m e s f e t s t h r o u g ha na n a l y t i c a lt w o - d i m e n s i o n a lm o d e l b a s e do nt h ep h y s i c a la n a l y s i s ， t h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c e so fc h a n n e lp o t e n t i a l ，t h r e s h o l dv o l t a g ea n ds u b t h r e s h o l d c u r r e n tf o r6 h a n d4 h - s i cm e s f e t sa r ei n v e s t i g a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e d t h a ta st h ee x i s t e n c eo fd i b le f f e c t ，t h ec h a n n e lp o t e n t i a lm i n i m u mi n c r e a s e s 谢t l lt h e d e c r e a s eo fg a t el e n g t ha n dt h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e ，b r i n g i n gt h ev a r i a t i o no f 碳化硅器件的温度特性及其关键工艺研究 t h r e s h o l dv o l t a g ea n dt h es u b t h r e s h o l dc u r r e n to fs i cm e s f e t s t h i r d l y ，t h ea n a l y t i c a l m o d e lw h i c hc o m p r i s e st h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nf o rt h es i cm o s f e t ，i s m o d i f i e db yc o n s i d e r i n gt h eg a u s sm o d e lo fi n t e r f a c es t a t e d e n s i t ya n dt h e p o o l e f r e n k e le f f e c t 。t h es i m u l a t i o nr e s u l t sf o rt h e6 h s i cn m o sa n dp m o ss h o w e d t h a t ：a st h en o n - u n i f o r m i 够d i s t r i b u t i o no fi n t e r f a c es t a t ed e n s i t y , t h ep e r c e n t a g eo f c u r r e n tc h a n g ed u et ot h r e s h o l dv o l t a g eb e c o m e ss m a l l e rw h e nt h et e m p e r a t u r ei s i n c r e a s e d ；t h em a i nr e a s o nf o rt h el a r g el e a k a g ec u r r e n ti st h ee x i s t e n c eo fs u r f a c e d e f e c t s t h el a r g e rt h ed e f e c td e n s i t y , t h em o r er a p i d l yt h ec u r r e n tv a l u ei n c r e a s e sw i t h t h et e m p e r a t u r e 。 s e c o n d l y , t h er a m a ns c a t t e r i n gs p e c t r ao ft h en i t r o g e nd o p e dn - s i ci ss t u d i e d c o m p a r e dt o4 h - s i c ，t h es h i f to ft h el op h o n o n p l a s m ac o u p l e d ( l o p c ) m o d ei n 6 h s i cw i t hf r e ec a r r i e rc o n c e n t r a t i o ni ss m a l l e r t h e r ea r ef o u re l e c t r o n i cr a m a n s p e c t r al i n e si n6 h - s i ca n dt w ol i n e si n4 h s i c ，w h i c hc o r r e s p o n d 谢t l lt h eis ( a1 ) t o is ( e ) v a l l e yo r b i tt r a n s i t i o n sa tt h e i n e q u i v a l e n tks i t e t h ee x p l a n a t i o no ft h e h i g h f r e q u e n c ys i g n a l sw i t h6 3 0 3a n d6 3 5 c m 以i st h a ti tc o n c e r n st r a n s i t i o n sa tl i v e l y d e e pl e v e lo fd e f e c t t h es e c o n d o r d e rr a m a nf e a t u r e so f 6 h - a n d4 h s i ca r ei d e n t i f i e d u s i n gt h es e l e c t i o nr u l e sf o rs e c o n d o r d e rs c a t t e r i n gi nw u r t z i t es t r u c t u r e 。o t h e r w i s e , m i c r o - r a m a nt e c h n i q u e sa r ee m p l o y e df o rd e t a i l e da n a l y s i sb o t hi n s i d ea n do u t s i d et h e d e f e c ti nb u l k4 h s i c t h em a i np e a k so ft h ef i r s t - o r d e rr a m a ns p e c t r u mo b t a i n e di n t h ec e n t e ro fd e f e c ta g r e ew e l lw i mt h o s eo f b u l k4 h s i c ，w h i c hi n d i c a t et h a tt h e r ei sn o p a r a s i t i cp o l y t y l 毙i nt h er o u n dp i ta n dh e x a g o n a ld e f e c to f b u l k4 h s i c 。f o u re l e c t r o n i c r a m a ns c a t t e r i n gp e a k sf r o mn i t r o g e nl e v e l sa r eo b s e r v e di nt h er o u n dp i t ，b u tc a nn o t f i n di nt h es p e c t r ao fh e x a g o n a ld e f e c t 。t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h el o p cm o d el i n e s h a p ei n d i c a t e st h eu n u n i f o r m i t yo fn i t r o g e nd i s t r i b u t i o nb e t w e e nt h eh e x a g o n a id e f e c t a n dt h eo u t e ra r e ai n4 h s i c 。 t h em a i np r o c e s s e sf o rs i cd e v i c ea r eo x i d a t i o n ，p h o t o e t c h i n g ，i m p l a n t a t i o n ， e t c h i n g ，m e t a l l i z a t i o na n ds oo n 强ee t c h i n ga n dm e t a l l i z a t i o na r ed i f f i c u l tf o rs i c ，a n d c a l ls i g n i f i c a n t l ya f f e c ts u b s e q u e n te l e c t r o n i cs i cd e v i c ep e r f o r m a n c e t h i ss t u d yg i v e s as e r i e sr e s e a r c h e so no h m i cc o n t a c t sa n di c pe t c h i n gt os i ce x p e r i m e n t a l l y a f t e rr a p i dt h e r m a la n n e a l i n gi nn 2f o r2m i na t9 5 0 c ，t h el o w e s ts p e c i f i cc o n t a c t a b s t r a c t r e s i s t a n c eo fa u t i n io h m i cc o n t a c t st o4 h s i ci s2 7 6 5x10 击qc l l l 2 s i m sa n a l y s i s s h o w st h a tt h ef o r m a t i o no fn is i l i c i d ea f t e ra n n e a l i n gs u p p o r t e dan u m b e ro fc a r b o n m o m so u t d i f f u s i o nf r o ms i ct of o r mi n t e r s t i t i a lc o m p o u n dt i c t h i sp r o c e s sc a nc r e a t e a b u n d a n tcv a c a n c i e sn e a rt h ei n t e r f a c e i ti st h ec a r b o nd e f c c tl a y e rt h a te n h a n c e st h e d e f e c ta s s i s t e dt u n n e l i n g t h ei n t e r f a c eb a n ds t r u c t u r ew i t h i nd e f e c tl e v e lc o u l dm a k ei t c l e a rw h yt h em e t a l - s i cc o n t a c t sb e c o m eo h m i cd u r i n ga n n e a l i n g i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ( i c p ) e t c h i n go fb u l l 【6 h s i cu s i n gs f 6 0 2g a s m i x t u r e sh a sb e e ns t u d i e d t h er e s u l t so fp h o t o r e s i s tp a t t e r n i n gc a ns i g n i f i c a n t l ya f f e c t t h es i ce t c h i n gs h a p e t h ep a t t e r ng r a p h ，w h o s ee t c hw i d t hi sm o r et h a n2 岬，i sc l e a r t h es i c - e t c h e dd e p t hi sp r o p o r t i o n e dt ot h ee t c hw i d t h ，t h en a r r o w e rt h ee t c hw i d t h ，t h e d e e p e rt h ee t c hd e p t h t h ee t c hr a t ei si n c r e a s e sw i mt h ei n c r e a s eo fd cb i a sv o l t a g e a n dt h ei c pp o w e r , a n dt h es i ce t c hr a t ep e a k i n gi sa t2 0 0 2i ns f 6 0 2g a sm i x t u r e t h em i c r o t r e n c h m gi sc a u s e db yt h ea d d i t i o no f0 2 t h ep r e s e n c eo f0 2r e s u l t si nt h e f o r m a t i o no fas i f x o yl a y e r , w h i c hh a v eag r e a t e rt e n d e n c yt oc h a r g et h a ns i c t h i si s t h em a i nr e a s o nt h a tc a u s e dt h em i c r o t r e n c h t h ei n c r e a s eo ft h ei c pp o w e ra n dt h ed c b i a sv o l t a g ec o u l de n h a n c et h i sm i c r o t r e n c h i n ge f f e c t c o m p a r e dt ot h ea r e af a rf r o m t h es i d e w a l l ，t h ec h a n g e so fe t c hr a t ei nm i c r o t r e n c hw i t ht h ep r o c e s sp a r a m e t e r sh a v e t h es a m et r e n d t h ea n g u l a rd i s t r i b u t i o no ft h ei n c i d e n ti o n sa n dr a d i c a l sc a na l s oa f f e c t t h es h a p eo ft h em i c r o t r e n c h t h em a i nr e a s o n so fe t c hs u r f a c ed a m a g ea r et h eb i a s v o l t a g ea n dt h ep e r c e n t a g eo f0 2 k e yw o r d s ：s i l i c o nc a r b i d e ，t e m p e r a t u r e ，b j t ，d r a i n - i n d u c e db a r r i e rl o w e r i n g e f f e c t ，r a m a ns c a t t e r i n g ，o h m i cc o n t a c t ，i c pe t c h i n g 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师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做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： 关于论文使用授权的说明 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) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究s i c 的目的和意义 碳化硅作为一种宽禁带半导体材料显示了其优越的高温、高频、大功率及抗 辐射应用能力。在科学技术飞速发展的今天，越来越多的领域如航天、航空、军 事、石油勘探、核能、通讯等迫切地需要能够承受高温同时又在高频大功率、抗 辐照等方面具有良好性能的半导体器件，成熟的硅器件通常只能在2 0 0 结温以下 工作，当高的工作温度、大功率、高频、及强辐射环境条件并存时，硅器件就无 法“胜任 ，因此开发并研制能够在极端环境中正常工作的半导体器件已经成为 近年来微电子领域研究的热点之一【l j 】。过去由于s i c 晶体质量差，缺陷数量多等 原因阻碍了s i c 器件及其电路的发展。上世纪九十年代以来，衬底材料质量和n 型及p 型单晶薄膜的化学汽相淀积技术取得了很大的改进，这大大推动了s i c 材 料和器件的研究。在寻求高温工作器件的同时，研制高频、大功率、抗辐射能力 强的半导体器件也成为目前微电子领域研究的热点之一【1 2 】。表1 1 列出了部分领 域中当前和未来对电子器件的温度要求【l 3 1 。 表1 1 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 1 2 5 1 4 01 6 5 2 5 0 1 0 ，0 0 0 航空1 2 52 0 0 1 0 ，0 0 0 航天 3 0 05 0 010 ，0 0 0 3 0 ，0 0 0 石油钻井 1 7 51 7 5 1 0 ，0 0 0 - 3 0 ，0 0 0 地热开发 2 0 02 5 0 2 6 010 ，0 0 0 - 3 0 ，0 0 0 功率电子1 2 52 5 0 5 0 0 10 ，0 0 0 3 0 ，0 0 0 s i c 具有高的击穿电场( 3 5 x1 0 6v c m ) 、高的电子饱和漂移速度( 2 1 0 7 e m s ) 、高熔点( 2 8 3 0 ) 、高的热传导率( 4 9 w c mk ) 等特性，这使s i c 可以 用来制造耐高温的高频大功率器件，应用于硅器件难以胜任的场合，或在一般应 用中产生硅器件难以产生的效果。s i c 材料的宽禁带使其器件的工作温度有可能超 过6 0 0 。c ；高击穿电场决定了器件的高压、大功率性能，且通态比电阻会大大降低， 2 碳化硅器件的温度特性及其关键工艺研究 工作频率也会大大提高；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；高热导率意味着碳化硅器件可以在高温下长时间稳定工作，导热 性能好，可以大大提高电路的集成度，减少冷却散热系统，从而大大减少整机的 体积。此外s i c 具有很高的临界移位能( t h r e s h o l dd i s p l a c e m e n te n e r g y ，4 5 - - 一9 0 e v ) ， 这使它具有高的抗电磁波冲击( e m p ：e e l e c t r o n m a g e t i cp u l s e ) 和高的抗辐射破坏的 能力，s i c 器件的抗中子能力至少是s i 器件的4 倍。 随着直径3 0 m m 左右的碳化硅晶片在1 9 9 0 年前后上市，以及高品质6 h s i c 和4 h s i c 外延层生长技术紧随其后的成功应用，各种碳化硅功率器件的研究和开 发即蓬勃开展起来。目前，各种功率器件都已证实可改用碳化硅来制造。尽管产 量、成本、以及可靠性等问题仍对其商品化有所限制，但碳化硅器件替代硅器件 的过程已经开始。美国的c r e e 公司和德国的i n f i n e o n 公司( 西门子集团) 都已有 耐压6 0 0 v 、电流1 0 a 或1 2 a 以下的碳化硅肖特基势垒二极管系列产品出售，一支 4 a 器件目前售价仅4 美元。碳化硅肖特基势垒二极管投入市场之后，一下子将肖 特基势垒二极管的应用范围从2 5 0 v ( 砷化镓器件) 提高到6 0 0 v 。同时，其高温 特性非常好，从室温到由管壳限定的1 7 5 ，反向漏电流几乎没有什么增加。若采 用适当的管壳，这种新器件的工作温度可超过3 0 0 。目前，许多公司已在其i g b t 变频或逆变装置中用这种器件取代硅快速恢复二极管，取得提高工作频率、大幅 度降低开关损耗的明显效果，其总体效益远远超过碳化硅器件与硅器件的价差。 要不了多少年，现代集成电路芯片的性能就会因为碳化硅器件的广泛应用而得到 极大改善。 1 2s i c 材料、器件的国内外研究动态 1 2 1s i c 材料制备 由于碳化硅在常压下难以生成熔体，加热到2 4 0 0 。c 左右就会升华，因而难以 象一般晶体那样通过籽晶在熔体中的缓慢生长来制备单晶，大多采用升华法让籽 晶直接在碳化硅蒸汽中生长。其难度自然比锗、硅、砷化镓等常用半导体的制备 困难得多。1 9 9 1 年，美国c r e er e s e a r c h 公司率先实现了6 h s i c 的商品化，s i c 器 件技术从此进入了高速发展阶段【1 。然而，碳化硅晶体和晶片市场长期由c r e e 公 第一章绪论 3 司独家经营，直径3 0 r a m 左右的高密度缺陷晶片都曾卖到过每片1 0 0 0 美元以上的 高价。尽管目前欧洲、日本以及美国的其他公司( 例如s t e r l i n g a t m i 和 l i t t o n a i r t r o n ) 也能生产和出售碳化硅晶片，但世界范围内研究和生产碳化硅器件 使用的4 h s i c 和6 h s i c 晶片仍主要由c r e e 公司提供。售价也仍然那样高，只不 过直径增大到4 0 5 0 m m ，缺陷密度已大大降低。c r e e 公司早在1 9 9 9 年的碳化硅 及其相关材料国际会议( i c s c r m ) 上就展示了1 0 0 m m 大直径4 h s i c 和6 h s i c 晶 片样品，并于当年1 0 月开始出售直径7 5 r a m 的晶片。2 0 0 5 年下半年开始，3 英寸 的6 h 和4 h s i c 晶片成为了商用s i c 材料的主流产品，4 英寸的晶片也已经开始 销售。不过，其微管缺陷密度越来越低，产品级的3 英寸直径的晶片微管密度已 经下降到1 0 c m 之左右，而研究级的两英寸4 h s i c 微管密度已经下降到l c m 之。从 器件制造的角度，要求碳化硅晶体生长技术的进一步改善能满足生产直径超过 1 0 0 m m 、微管密度低于0 5 c m 之、位错密度低于1 0 4 c m 。2 的优质晶锭的要求。微管是 一种肉眼都可以看得见的宏观缺陷，其密度直接决定着碳化硅器件有效面积的大 小。在碳化硅晶体生长技术发展到能彻底消除微管缺陷之前，大圆片二极管和晶 闸管之类的大功率器件就难以用碳化硅来制造。 制造碳化硅器件目前仍主要采用4 h s i c 或6 h s i c 晶片为衬底，以高阻外延 层作为反向电压的阻断层。由于s i c 单晶制备难度大，并受到材料切割能力的限 制，因此成本较高，作为对体材料的一种替代，近年来国际上s i c 单晶薄膜材料 的外延生长技术成为研发重点【1 l 7 】。在大尺寸s i c 体单晶没有实用化之前，一般 都采用异质外延，异质外延通常采用两步法，即需要先在s i 或蓝宝石衬底上淀积 与s i c 有良好晶格匹配的缓冲层材料，然后再外延生长s i c 薄膜。异质外延的优 点在于可以选择便宜而且工艺很成熟的衬底，从而大幅度降低s i c 器件的成本。 而碳化硅的气相同质外延一般要在1 5 0 0 以上的高温下进行，由于有升华的问题， 温度不能太高，一般不能超过1 8 0 0 ，因而生长速率较低。液相外延温度较低、 速率较高，但产量较低。 在s i c 基本材料特性分析方面，研究人员也做了大量细致的工作：包括对电 子有效质量的测量【1 8 】，能带结构和主要散射机制的分析1 9 1 j 0 】，特别是对与其电 学输运特性关系最为密切的电子霍耳迁移率、霍耳散射因子、电子高场漂移速度 以及空穴碰撞离化系数等参数的确定【1 1 l 】，一直是近年来s i c 材料特性研究的一个 重要方向。另外，s i c 作为一种新型的宽禁带半导体材料，杂质能级的分布较为复 4 碳化硅器件的温度特性及其关键工艺研究 杂，且通常为深能级，对材料以及场效应器件特性影响较大，关于这方面的研究 报道也相应较多。 1 2 2s i c 器件 由于成熟的硅器件通常只能在2 0 0 结温以下工作，而对于碳化硅器件和集成 电路来说，其工作温度较高，稳定工作的温度范围较大，因此碳化硅器件最主要 的优势就在于其在极端工作环境下也能够正常工作，所以说，研究它的温度特性 具有重要意义。表1 2 总结了碳化硅高温器件的发展现状1 j 2 1 。目前，各种类型的 s i c 器件已经被生产出来并投入使用。 表1 2 碳化硅高温器件研究一览 器件类型最高工作温度器件特性和参数 m o s f e t9 2 3 k 3 c ，6 h ，4 h s i c 器件 p o w e rm o s f e t6 7 3 k 1 7 5 v , 2 a 器件和6 0 0 v , 1 8 a 器件 6 h s i cm e s f e t6 7 3 k f m x = 2 5 g h z ，8 5 d b 1 0 g h z 4 h s i cm e s f e t6 7 3 k f m a x = 4 2 g h z ，2 8 w m m 高功率 6 h s i cj f e t8 7 3 k 增强型 4 h s i cj f e t7 2 3 k 3 0 0 k 时 a e f f = 3 4 0 c m 2 v s b j t6 7 3 k n p n 型b = 5 1 5 g a n s i ch b t8 0 8 ：k 高直流增益3 0 0 k 时i l x l 0 5 s i t4 7 3 k 6 0 0 m h z 下输出为2 2 5 w , f m x = 4 g h z 闸流晶体管 7 7 3 k 最大开关电流密度2 k a e m 2 p n 结二极管 8 7 0 k3 0 0 k 下4 5 k v 器件 肖特基二极管 9 7 3 k3 0 0 k 下1 k v 器件 s i cb j t ：随着硅功率m o s f e t 和i g b t 的推广应用，硅大功率双极晶体管( b j t ) 已逐渐淡出现代集成电路的应用舞台。但是碳化硅器件研发热潮的掀起，也引起 了一些研究者对开发碳化硅b j t 的兴趣，因为b j t 毕竟不像m o s f e t 那样会遇到 氧化层品质严重影响器件特性的问题。用碳化硅可以制造阻断电压很高的双极器 件，譬如高压p i n 二极管和晶闸管等。按理论计算，设计一个反向阻断电压为2 5 k v 的碳化硅p i n 二极管，其n 区杂质浓度只须低到5 1 0 1 3 c i n 一，厚度只要0 2 m m ，少 子寿命只须2 0 m s 。如果用硅做一个同样的器件，则其r l 区的杂质浓度须低到 第一章绪论 5 1 0 1 2 c i n 弓，厚度至少2 m m ，少子寿命还须高达4 0 0 m s 。显然，用硅来做耐压这样高 的器件是不可能的，而对碳化硅则不难。对s i c b j t 来说，早期工作主要使用6 h s i c 和3 c s i c 材料，近几年倾向于使用4 h s i c 。这主要是因为3 c s i c 的衬底问题还 未很好解决，而6 h s i c 和4 h s i c 的大尺寸晶体生长技术发展很快，但6 h s i c 的 电子迁移率没有4 h s i c 的高。开发s i cb j t 的主要问题是要提高电流增益。早期 6 h s i cb j t 的电流增益只有1 0 左右，这主要受基区载流子复合的限制。而缩短 基区以适应短寿命载流子输运要求的办法，又会使基区横向电阻增高。比较有希 望的解决办法是用宽禁带材料做发射极，用行之有效的异质结结构来提高少数载 流子的注入效率，并保持基区的低电阻。由于碳化硅原本就有多种禁带宽度不同 的同质异晶型，异质结的实现并不困难。例如可用液相外延法在3 c s i c 上外延 6 h s i c ，或