西电硕士论文-碳化硅离子注入及欧姆接触研究

摘 要 摘摘 要要 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 ISE TCAD 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，最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。本文最后 介绍了欧姆接触比接触电阻的各种测试方法，探讨了最常用的矩形 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，对最常用的矩形 TLM 法引入的误差进行了分析并讨论了修正方法。 关键词： 关键词：离子注入 欧姆接触 传输线模型 Abstract Abstract In this paper, the characteristics of ion implantation and ohmic contact of SiC are deeply investigated. This thesis expatiates all the physics of the SiC ohmic contacts models, which have been developed by experiments, include metal-semiconductor schottky contact theory, Nn heterojunction and nn+ theory. Based on abundance of experiment literature, the reaction between the metal and semiconductor interface in the process of high temperature annealing has been studied. The carrier transportation mechanism of p-type and n-type SiC are investigated respectively, and the energy band model to explain ohmic contacts to p-type and n-type has been presented, that is gradual change heterojunction model. At last, the device simulator ISE TCAD has been used to validate the model with two dimension I-V characteristic simulation, and the unify model of SiC ohmic contacts to p-type and n-type SiC has been derived. Experiment has been design after the study of SiC ohmic contacts model. First, ion implantation technology, problems in the ion implantation and annealing cap in the annealing process after ion implantation have been introduced. Then the main steps of SiC ohmic contacts technology have been proposed. The experiment flow and result has been presented at the last, good result has been got from the experiment. The specific contact resistance obtained from measurement is an important parameter to evaluate the level of fabricates ohmic contacts. At the last of this thesis, some measurement methods for ohimc contacts specific contact resistance have been introduced. The rectangle transmission line model and some other test patterns have been studied and some comments are made for their comparison. Also, the error analysis about rectangle transmission line model and modify method have been discussed. Key words: Ion implantation Ohmic contact Transmission line model 创新性声明创新性声明 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 Si GaAs 6H-SiC 4H-SiC 3C-SiC 禁带宽度 /eV 1.1 1.42 3.0 3.26 2.3 击穿场强(掺杂 1017cm-3) / MVcm-1 0.6 0.6 3.2 3 1.5 电子迁移率(掺杂 1016cm-3) /cm2(Vs)-1 1100 6000 200-300 800 750 空穴迁移率(掺杂 1016cm-3) /cm2(Vs)-1 420 320 60 115 40 饱和电子漂移速度 /cms-1 107 107 2107 2107 2.6107 热导率 /W(cmK)-1 1.5 0.5 4.9 4.9 5.0 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 125140 165250 10,000 航空 125 200 10,000 航天 300 500 10,000-30,000 石油钻井 175 175 10,000-30,000 地热开发 200 250260 10,000-30,000 功率电子 125 250500 10,000-30,000 众所周知，硅器件难以在高于 250C 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（500C 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最成熟 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 1.3 SiC 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 60010， 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： 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； 高均匀的掺杂技术和特定杂质浓度分布的掺杂技术； 互连技术、欧姆接触和肖特基接触技术； 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 18002000 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。因此离子注入被认为是除在单晶和外延生长过程中掺杂以外 SiC 有效的选 择性掺杂手段。离子注入可以在适当的高温下，进行浓度和区域可设计的、可控 的选择掺杂，以便满足研制器件的需要。 在金属化过程中，淀积导电材料形成器件的互连。在淀积后材料通常都是呈 现非线性 I-V 特性，表现出整流特性。为了获得线性的 I-V 特性（如欧姆特性） ， 就必须要进行高温退火。由于在高温下欧姆接触的形成过程中这些金属可以轻易 地与衬底材料反应，最终形成的接触结构可能会包含有空隙、过量的 C 或 Si 等， 将会导致很差的电学或热学特性。 大多数与 SiC 形成接触的金属材料都是要求在高温下处理才能形成良好的欧 姆接触，并且 SiC 器件也要高温下工作，这就需要有与 SiC 材料形成热力学稳定 的互连金属材料，因此金属的选择也将是至关重要的。 对碳化硅的离子注入和欧姆接触的研究是目前的碳化硅领域的一个重要研究 课题。 和 Si、GaAs、GaN 等材料相比，SiC 欧姆接触的获得难度更大，主要由于在 SiC 材料中杂质的离化能非常高，掺杂浓度又难于做到很高的水平，而且在退火的 温度下，金属向 SiC 体内扩散的系数非常的小，最重要的就是 SiC 形成欧姆接触 的物理机理还不是很清晰，难于指导 SiC 欧姆接触的制造工艺。从目前大量的文 4 碳化硅离子注入和欧姆接触模型研究 献来看，主要的研究重点在试验不同的金属和不同的金属混合比例以及高温退火 时的工艺条件，通过实验的不断尝试，以期找到可以在 SiC 上形成良好的欧姆接 触的金属和多种金属的混合比例，以及最佳的退货条件。但是，无论国内还是国 外，对于 SiC 欧姆接触形成的物理机理研究的很少，使得实验缺乏理论的指导， 实验方案的选择和实验的结果具有很大的随机性。 1.2 国内外研究进展 1.2.1 国外研究进展和发展趋势 近年来，在实验和理论上对离子注入掺杂 SiC 材料以及制备 SiC 器件进行了 研究。包括最佳退火状态(温度，环境)、注入后缺陷的消除、注入杂质的激活等方 面7。国外对 SiC 离子注入从实验和理论上进行了研究。实验上得到了一定工艺条 件下的注入离子浓度分布、激活率及方块电阻等参数，理论研究集中在对注入浓 度分布的模拟。 在国外， SiC 材料欧姆接触12的研究进行的非常多， 目前主要的研究方法还是 实验法，即选用不同的金属、在不同的工艺下进行合金退火，比较实验结果，而 在 SiC 欧姆接触理论方面的研究比较少。实验中，常用的金属有：Ni，Ni/Si， Al， Al/Si，Ti，AlSiTi，Pd，Pd/Ti，Pd/Si 等，采取的方法有：溅射、电子束和热蒸发。 在离子注入制备的 n 型和 p 型层上用 Ni 金属制备欧姆接触13的比接触电阻分别达 到 610-6cm-2和 1.510-4cm-2， 如同外延生长层上制备的欧姆接触的比接触电阻 表1.4 淀积Ni金属在n型4H-和6H-SiC上高温退火形成欧姆接触 接触 金属 金属厚 度(nm) SiC 型 掺杂浓度 (cm-3) 退火条件 比接触电阻 值(cm2 ) 参考文献 Ni 6H 9.01018 950,2 分钟，真空退火5.010-6 14 Ni 100 6H,Si 1.01018 1020,5 分钟 N2:H2(99:1)气氛 2.110-4 15 Ni 100 6H,Si 7.41018 950，快速热退火，N23.910-5 16，17，18 Ni-Si 150 4H,Si 1.01019 950，10 分钟，N2气 氛 2.710-5 19，20 Ni-Si -Ni 100/50 /100 4H,Si 1.01019 550，10 分钟+800， 3 分钟，Ar:H2(9:1) 1.410-5 21 Ni2Si 400 4H,Si, 8off 2.01018 950，30 分钟 快速热退火 Ohmic 22 Si-Ni 92.5 /25 6H,Si 2.51019 900，10 分钟, Ar:H2(95:5)气氛 3.610-6 23 Si-Ni 50/ 6H,Si 1.51019 300，9 小时, N2气氛 7.010-4 24 第一章 绪论 5 一样，n 型材料欧姆接触比 p 型好，目前，Al 和 C 离子共同注入形成 P+区，Ti 金 属做电极的比接触电阻已达到 10-6cm-2。 在实际应用中，最重要的是 n 型半导体。n 型 SiC 欧姆接触的研究也成为目前 国外 SiC 欧姆接触研究的一个热点，国外 n 型 SiC 主要的研究水平如表 1.4 所示。 在 p 型 SiC 上制作欧姆接触的难度比在 n 型 SiC 上制作欧姆接触的难度更大， 在 SiC 材料中 p 型杂质的离化能比 n 型杂质的离化能高，掺杂浓度又难于做到 n 型 SiC 的掺杂水平，因此从目前的水平来看，p 型 SiC 欧姆接触的比接触电阻值基 本上比 n 型欧姆接触的比接触电阻值要大一个数量级左右，国外 p 型欧姆接触的 研究水平如表 1.5 所示。 表1.5 在p型4H-和6H-SiC上高温退火形成欧姆接触现状 接触金属 组分 金属层厚 度(nm) SiC 型 掺杂浓度 (cm-3) 退火条件 比接触电阻 值(cm2 ) 参考 文献 31wt%Ti/ Al 4H 4.81018 1000, 2 分钟，真空退火 2.510-4 25 Al/Ti 150/30 6H 1.61019900,4 分钟 N2气氛 410-4 26 Au/Ti/Al 4H 41019* 900，快速热退火，N2 1.410-5 27 Ti/Al/Ge 150 4H 1.21019600，真空 1.010-4 28 Pt:Si 4H 7.010181100，5 分钟 2.8910-4 29 Ti/Al 50/190 4H 2.010181000，2 分钟 210-5 30 Ni/ Ti/Al 35/50/300 6H 2.510191000，2 分钟 710-5 30 表中标注*号的数值为载流子浓度，而不是杂质浓度。 另外，同时在 SiC 上淀积金属形成 p 型和 n 型 SiC 欧姆接触也成为研究的重 点之一，国外在这方面的研究进展如表 1.6 所示。 表1.6 淀积金属同时在p型和n型4H-和6H-SiC上高温退火形成欧姆接触现状 接触金属 组分 金属层厚 度(nm) SiC 型 p/n掺杂浓 度(cm-3) 退火条件 p/n比接触电阻 值(cm2 ) 参考 文献 Ni 4H 1.01019/ 1.01021 1050,10 分钟， N2:H2(99:1)气氛 1.510-4/ 6.010-6 14 Ni/Ti/Al 20/50/50 6H 4.51018/ 1.01019 800,30分钟 2.010-3/ 2.010-4 31 根据本文深入研究的 Ti/Al 在 p 型 SiC 上形成欧姆接触机理，结合最后进行 的 n 型 SiC 欧姆接触的实验，结果表明 Ti/Al 也可以同时在 p 型和 n 型 SiC 上形 成良好的欧姆接触。 1.2.2 国内研究概况、水平和发展趋势 国内在 SiC 器件方面的研究工作相对滞后，近几年中科院半导体所、西安理 工大学、13 所、中国科技大学等兄弟单位及西安电子科技大学在材料和器件方面 6 碳化硅离子注入和欧姆接触模型研究 都开展了一些基础工作。从 1994 年开始西安电子科技大学微电子所对 SiC 材料物 理参数、器件物理、模型和模拟等理论问题进行了系统的研究。首次提出用离子 注入方法制备和提高金属化性能33，立足国内现有条件，摸索了 SiC 器件制造中 金半接触、氧化、离子注入等主要工艺，制作出可以用于器件研制的欧姆接触32， 其比接触电阻为 8.410-5cm2；最近刚刚完成的实验，又把欧姆接触的比接触电 阻值降低了将近一个数量级，为 SiC 器件的进一步研制打下了良好的基础。 1.3 本文的主要工作 本文的主要工作是基于碳化硅的材料特性，对 SiC 离子注入的退火工艺、SiC 欧姆接触的模型、以及 SiC 欧姆接触的工艺条件和 SiC 欧姆接触比接触电阻的测 试进行了研究，对如何降低比接触电阻和提高接触的稳定性做出了有益的探索性 研究，对欧姆制作和工艺均有指导意义。 1. 首先介绍了离子注入技术和常用的离子注入工艺、注入的杂质、离子注入 存在的问题，以及离子注入后的退火工艺。 （第二章） 2. 从金属半导体接触理论入手，阐述了 SiC 欧姆接触模型所设计到的基本理 论，探讨了在计算机模拟过程中所选用的参数模型。 （第三章） 3. 分别对 p 型和 n 型欧姆接触的机理进行研究，提出了说明 p 型和 n 型欧姆 接触形成的能带模型，并且对该模型使用器件模拟软件 ISE TCAD 进行了二维 I-V 特性模拟，对 n 型和 p 型 SiC 欧姆接触提出了统一的物理模型。对 n 型或 p 型欧 姆接触的形成在工艺基础上进行欧姆接触的改进，以期达到良好的稳定性。最后 简单介绍本文中正在进行的投片情况。 （第四章） 4. 介绍了欧姆接触比接触电阻的各种测试方法， 探讨了最常用的矩形 TLM 法 和其他一些常用的测试方法，比较了各种测试方法再欧姆接触比接触电阻测试中 的优缺点， 对最常用的矩形 TLM 法引入的误差进行了分析并讨论了修正方法。（第 五章） 第二章 欧姆接触理论 7 第二章 欧姆接触理论 离子注入及退火结束后，在 SiC 材料上淀积金属进行合金化工艺。经过高温 退火，金属和 SiC 发生了化合反应，化合反应极大的依赖以退火工艺，同时也和 淀积的电极金属有关。化合物的形成，使得欧姆接触的模型变得相当的复杂，本 章就 SiC 欧姆接触模型所涉及的理论进行了探讨和研究。 2.1 金属半导体接触理论 通过金属引出器件的电极，因此在欧姆接触的模型中必然包括了金属和半导 体的接触，研究金属与半导体的接触成为研究欧姆接触的第一个重要问题。 欧姆接触与肖特基势垒接触均是金属与半导体在特定情况下形成的接触。当 金属与半导体接触时，在热平衡时两种材料内的费米能级必须一致，由于金属和 半导体之间接触电势差的存在，在金属-半导体界面处就形成了势垒。金属和半导 体接触的耗尽层类似于单边突变 pn 结的耗尽层。肖特基效应是指肖特基势垒高度 因感生镜像力的作用而降低的现象34。在金属和半导体界面处的能带如图 2.1 所 示，以 n 型 SiC 为例： 图 2.1 金属半导体接触的能带图 金属和 n 型半导体接触时，若金属的功函数大于半导体功函数，则在导体表 面形成一个正的空间电荷区其中电场方向由体内指向表面，使半导体表面电子的 能量高于体内，能带向上弯曲，即形成表面势垒。在势垒区中，空间电荷主要由 电离施主形成，电子浓度要比体内小的多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻 挡层。若金属的功函数小于半导体功函数，则形成电子浓度高于体内的高电导区 域，称为反阻挡层。反阻挡层是很薄的高电导层，它对半导体和金属接触电阻的 影响是很小的，在实验中觉察不到它的存在。 8 碳化硅离子注入和欧姆接触模型研究 2.1.1 肖特基势垒高度 金属和半导体接触的肖特基势垒高度 B q可以用下式表征35, 36（以 n 型半导 体为例） ： () ()() 项第 项第 项第 项第 项第 5 4 max2 3 0 1 1 2 01 1 1 1 i i gsmB qEqC Qq CqECWCq += 4 34 21 4 34 21 444344421 43421 式(2-1) 其中： 1、第一项为金半功函数差（Wm为金属的功函数， s 为半导体的亲和能） ； 2、第二项为界面态对势垒高度的影响（Eg为禁带宽度， 0 q为表面能级，对 于大多数半导体， 0 q约在禁带宽度的三分之一处） ； 3、第三项为界面处大约 10 厚度中的电荷引起的势垒高度的变化（ 为界面 层的厚度，Q1为 10 厚度的界面层中的电荷密度，i为界面层的相对介电常数） ； 4、第四项为半导体中的电场造成的势垒降低（Emax为表面处的电场强度） ； 5、第五项为镜像力造成的势垒高度的降低量。 式（2.1）中的系数 C1和 C2分别为： Si s Si i Dq C Dq C + = + = 0 0 2 0 0 1 , 式（2-2） DS为单位面积上每电子伏的界面态密度，s为半导体的相对介电常数。可以看出 当界面态密度 DS0 时，C1=1，忽略了表面态效应，该高度为理想势垒高度，势 垒高度完全由金属和半导体的功函数差决定；DS时，C1、C2=0，界面处的费米 能级被表面态“钉扎”在价带之上的 0 q值处，势垒高度与金属功函数无关，完全 取决于半导体的掺杂浓度和表面性质。 2.1.2 钉扎现象 对于同一种半导体， s 将保持一定的值。在理想的欧姆接触时，不同的金属 与半导体形成接触时，其势垒高度 B q应当直接随着金属功函数的变化而变化，但 是实际测量的结果并非如此。有文献表明势垒高度确实随金属功函数的增加而增 大37，但却没有理想情况那么强烈。 这种现象被称为钉扎现象，Bardeen 提出是由于表面态的影响。原因是，在金 属和半导体接触界面，由于晶格失配在禁带内产生大量的表面态，这些表面态可 能起施主或受主的作用，他们影响着势垒高度的实际值。 在半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应的能级称为表面能级。表面态 第二章 欧姆接触理论 9 一般分为施主型和受主型两种。若能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正 电性，称为施主型表面态；若能级空着时为电中性，而接受电子后带负电，称为 受主型表面态。一般表面态在半导体表面禁带中形成一定的分布，表面处存在一 个距离价带顶为 0 q的能级，电子正好填满 0 q以下的所有表面态时，表面呈电 中性。 0 q以下的表面态空着时，表面带正电，呈现施主型； 0 q以上的表面态 被电子填充时，表面带负电，呈现受主型。对于大多数半导体， 0 q约为禁带宽 度的三分之一。 假定在一个 n 型半导体表面存在表面态。半导体费米能级 EF将高于 0 q，如 果 0 q以上存在有受主表面态，则在 0 q到 EF间的能级将基本上为电子填满，表 面带负电。这样，半导体表面附近必定出现正电荷，成为正的空间电荷区，结果 形成电子的势垒， 势垒高度 qVB。 恰好使表面态上的负电荷与势垒区正电荷数量相 等。 如果表面态密度很大， 只要 EF比 0 q高一点， 在表面态上就会积累很多负电 荷，由于能带向上弯，表面处 EF很接近 0 q，势垒高度就等于原来费米能级(设想 没有势垒的情形)和 0 q之差，这时势垒高度称为被高表面态密度钉扎(Pinned)。 上面的分析说明，当半导体的表面态密度很高时，由于它可屏蔽金属接触的 影响，使半导体内的势垒高度和金属的功函数几乎无关，而基本上由半导体的表 面性质所决定，接触电势差全部降落在两个表面之间。当然，这是极端的情形。 实际上，由于表面态密度的不同，紧密接触时，接触电势差有一部分要降落在半 导体表面以内，金属功函数对表面势垒将产生不同程度的影响，但影响不大，这 种解释符合实际测量的结果。 2.1.3 载流子的输运过程 在金属和半导体接触内的电流输运主要依靠多数载流子，这与 pn 结的情形是 不同的，在 pn 结内是少数载流子和多数载流子参与输运过程。图 2.2 给出了 n 型 半导体在正偏条件下（半导体侧加正电，金属侧加负电） ，载流子（电子）的五种 基本输运过程35, 36： 1、电子从半导体出发，越过势垒顶部热发射到金属中； 2、电子穿过势垒的量子隧穿； 3、在空间电荷区的复合； 4、空穴从金属注入半导体，等效于中性区的复合； 5、在接触周围的高电场作用下产生的边缘漏泄电流或在金属半导体界面处 的陷阱产生的界面电流（图中未绘出） 。 10 碳化硅离子注入和欧姆接触模型研究 图 2.2 正向偏置下肖特基接触载流子的输运过程 在这几种输运方式中，方式 1 的情况是电子越过肖特基势垒顶部进行电流输 运，这将是整流接触。方式 2 又分为两种情况，随着掺杂浓度的增高，空间电荷 区逐渐变窄，势垒也逐渐变薄，电子的隧道穿透几率也逐渐增大。一种是当掺杂 浓度很高时，势垒将变得非常薄，能量处于半导体费米能级 EF附近的电子隧道穿 过势垒，这种称为场发射(FE)；另一种是电子在导带底隧道穿透较困难，但也无需 越过势垒，电子被激发到较高能量，此时电子“遇到”一个薄而低的势垒时，隧 道穿透几率很快增加，这种情况被称为热电子场发射(TFE)。方式 2 是形成欧姆接 触的主要机理，在 Si 工艺中，绝大部分的欧姆接触都是根据这一原理做成的，对 于金属与中等掺杂浓度的半导体接触时，载流子的主要输运机理为热场发射模型； 而当金属与高掺杂浓度的半导体接触时，半导体的空间电荷区变得非常薄，这时 即使在高势垒的情况下，场发射仍占优势，从而接触呈现为欧姆接触。 2.1.4 载流子的输运方程 金属与重掺杂的半导体接触的 I-V 特性可由场发射模型解释， 其 I-V 特性方程 可由热场发射模型的 I-V 特性推出。 当金属与中等掺杂的半导体接触时， 半导体中 的载流子可通过热电子发射和隧穿两种方式通过势垒区进入金属，即热场发射模 型，其 I-V 方程35是 )exp()(exp )cosh( )( 00 00 2 1 00 E qV E q kT q kT E k VqETA J B B TF = 式(2-3) 其中， 2 1 0 00 )( 4 s d m Nqh E =，)coth( 00 000 kT E EE =， q EE FnC =，h是Planck常数， 第二章 欧姆接触理论 11 m是载流子的有效质量。 当半导体是重掺杂时，如图2.3所示，费米能级在导带底之上，金属与半导体 形成的空间电荷区将比较窄，N型半导体中的电子能够以一定的量子几率从费米 能级的高度通过势垒区，即场发射模型。 图 2.3 电子在重掺杂空间电荷区的场发射模型 与热电子发射模型不同的是，场发射模型的电子的能量小于 00 E，即 00 EkT 1。当d/LT=10时,cosh(10)10 000, 电阻RE将小于Rc的一万分之一, 这 时V(d)变得很小,不容易将其测准, 导致接触电阻率测量的相对误差大。 G. K. Reeves 等人82给出了两组实验数据充分说明了端电阻修正的必要性, 并提出了RE= (R1+ R2-R3)/2的简易测试办法修正, 采用的等效模型如图5.4所示。 图 5.4 G.K. Reeves 等人的欧姆接触电阻测量模型 第五章 欧姆接触的测试 45 分析得到模型中的等效电阻在R1、R2和R3的三次测量中等效于不同的电阻, 因而 此模型有缺陷。 另外,当中间电极的长度满足d/LT1时,R E很小, 测量相对误差很 大, 甚至可能得到负的数据。这样, c测量精度得不到保证83。 5.2.3作图的传输线法 目前，这是欧姆接触电阻测定中最常用的方法。在与周围环境绝缘的条形半 导体材料上制备不等距的长方形接触块，如图5.5所示，分别在两不同距离ln的长 方形接触间通恒定电流I并由电压探针测出相应的V，并求得总电阻RT，这 图 5.5 图解法传输线的测试图形 可由式(5-14)表示： W lR W LR W lR RR SHTSKSH fT +=+= 2 2 式(5-14) SKCT RL= 式(5-15) 其中，RSH为材料的已知方块电阻；RSK是合金化后接触电极下半导体薄层材料的 方块电阻，通常是未知的一般近似的可用材料已知的方块电阻RSH代入，这当然 的引入了一些误差；LT称为传输长度，在不同距离ln下可测得一系列的对应电阻 RT，则可作RTf（l）图，这些点应在同一条直线上。当l=0时在RT轴上的交点 应该为2Rf；当RT0时，直线在l轴上的交点为2LT。而直线的斜率为RSH/W。 如近似认为当合金化后，欧姆接触下半导体的方块电阻RSK=RSH，则c 的值可由 式(5-16)计算得到： 22 TSHTSKc LRLR= 式(5-16) 这种方法因为简便而得到了广泛的使用，但是RSK和RSH确实有不同，因而 Reeves等82对此提出了修正。 无论是上述的作图传输线法，还是Reeves等的改进方法均要求材料长条与环 境隔离或需腐蚀台面等工艺，另外又有W和W值不相等而引入的值，如图5.1 所示，引入的误差，因而又提出了不少的改进方法。 46 碳化硅离子注入和欧姆接触模型研究 5.2.4其他改进的测试方法 对于欧姆接触测试的改进方法非常多，但是基本原理大多和前面介绍的条形 传输线模型类似，主要有： a.同心圆环形传输模型法 Reeves用对称圆环的测试图形来代替TLM法长方形的测试图形84, 85，如图 5.6。这样可以免除台面腐蚀工艺和值的影响。在薄有源层上制备同心的一个实 心小圆和两个圆环，这样就可以保证电力线均处在圆环之间。CTLM虽然在制备 电极上方便，但是繁琐复杂的数学运算使得它也存在一些弊端，而且CTLM对结 构尺寸的设计要求是非常严格的。尺寸设计不合适，往往会导致计算c的失败。 图 5.6 圆形传输线法测试图形 b.四环结构 基于计算机计算，Zhu和Wu发展了四环结构来测量接触电阻86。四环结构与 三环相似,不同的是在外面又加了一个圆环D。他们认为四环结构测量的精确度更 高。事实上，对于四环或者多环结构，如果仔细设计尺寸，将会简化计算。 c. 圆点形传输线方法 Mailow等用圆形代替长方形接触86，由TLM法测定比接触电阻值。这种方法 又称为圆环测试法或者环式结构，就是将具有一定宽度的圆环电极刻蚀掉,其余部 分均为电极金属的一种结构. 如图5.7所示，它是基于CTLM 的另一种测试结构，它 的优点是可以不用腐蚀台面和免除了由间隙引起的寄生电阻的影响。 两个电极间总电阻可以表示为： + = 101 0 11 ln 2rr L r rR R t SH t 式(5-17) 其中，r0和r1分别代表刻蚀掉的圆环的内外半径，Lt为转换长度。对于不同宽度的 圆环，可以画出总电阻与ln（r0/r1）的关系曲线。利用最小二乘法对曲线进行线性 第五章 欧姆接触的测试 47 拟合，可从斜率得到RSH，再从截距得出Lt，利用式（516）就可以得到c。 图 5.7 圆点形传输线方法测试图形 除了这几种常见的方法外，还有不少的测试方法，但使用的并不是很普遍。 5.2.5测试方法的比较 实验表明，由矩形传输线法(如图5.3) 和圆点传输线法(如图5.5) 测量得到 的方块电阻相近,将方块电阻乘以半导体导电层的厚度,得到体电阻率与采用霍尔 方法测得的体电阻在数量级上相吻合,说明测量结果基本可信。 但是这三种测量 方法得出的比接触电阻率有所差异，特别是矩形传输线方法与圆环传输线和圆点 传输线方法的测量结果之间存在非常大的不同。以下分别对它们进行讨论87, 88。 首先从工艺角度来说,矩形传输线法较为复杂,必须进行台面刻蚀. 由于套刻 精度和刻蚀工艺的限制,台面与欧姆接触之间必须留有余量,因而引入寄生电阻, 造成了测量误差。即使在这个微小间隙确定的情况下,也会因为操作人员的光刻工 艺的水平以及其干法刻蚀工艺的条件的不同,产生不同的测量误差,即“人员误差” 很大。这就影响了比接触电阻率测量的可靠性。而圆形传输线模型,包括圆环和圆 点传输线模型,都避免了台面的刻蚀。这样即简化了工艺又消除了余量的影响. 对实验结果的分析表明,由圆环传输线方法多次测得的欧姆接触的比接触电 阻率差别很大。仔细研究发现,其误差主要来源于端电阻RE的测量。端电阻RE比较 小,它在数值上等于(R1+R2-R3)/2；而在数值上约比R1，R2和R3小两个量级,这是由 材料本身较大的体电阻率决定的。然而，R1+R2和R3在数值上非常接近,当两个相 近的大数相减必然会引入较大的测量误差。也就是说,R1、R2和R3本身的绝对测量 误差达到了可以和RE相比拟的地步,因此造成了RE测量值的不准确,使得测量误差 表现出很大的随机性。由于端电阻的测量不稳定,使得圆环传输线方法无法准确测 量欧姆接触的比接触电阻率。 此外，实验表明在欧姆接触制作的过程中采用的光刻胶掩膜，会受到曝光光 48 碳化硅离子注入和欧姆接触模型研究 束的衍射和显影时过度显影的影响,使得光刻胶掩膜比设计的尺寸缩小了约1m， 因此欧姆接触的实际尺寸比设计值增大了1m， 欧姆接触间的实际间隔要比设计值 小了2m,导致了比接触电阻率的测量值偏小。从测试结果可以看出对于采用矩形 传输线模型方法获得的测量结果,修正前后测量值相差竟达2倍多,这是因为这2m 的误差导致测量曲线会向右位移2m,使得比接触电阻率的测量值大大偏小。在曲 线偏移量不变的情况下,随着欧姆接触的比接触电阻率的进一步降低,由欧姆接触 尺寸引入的相对误差还会进一步增大,造成测量结果越来越不准确。而在圆点传输 线模型中,曲线的纵坐标采用的是ln(ri/ro)的形式,它引起的曲线相对偏移量较 小,因而有较小的误差,修正前后比接触电阻率的相对误差约为20%。在圆环传输线 方法中,计算时公式中要多次引用各圆环半径r 的值,这里每一个r 都有误差,经 过多次计算后,综合起来就会产生很大的误差。比接触电阻率修正前后平均相差 40%。因此在圆点传输线模型中的测量结果受欧姆接触尺寸变动的影响相对于矩形 传输线模型和圆环传输线模型要小得多。 经过修正,三种方法的测量结果在同一数量级上,但圆点传输线和矩形传输线 方法的测量结果仍然相差23倍。这是因为矩形传输线模型中电流在边界处有扩 展效应,电流路径的实际宽度会大于欧姆接触的宽度,导致测量结果偏小,这个结 果和文献报道的测量结果也是一致的81。相比圆环与圆点传输线模型,测试中发现 圆点传输线方法重复性好,而圆环传输线方法由于端电阻测量的重复性则比较差, 使得测量结果波动比较大。从这一结果不难看出圆环与圆点传输线方法的测量结 果之间并没有太大差别。基于以上分析,可以发现圆点传输线模型方法除了具有较 好的可操作性和重复性之外，也更真实的反映了实际的欧姆接触比接触电阻率的 大小。结果表明，圆点传输线模型方法具有较好的可操作性、准确性和重复性。 5.3 本章小结 本章介绍了几种比较常用的欧姆接触比接触电阻的测试方法，对于最常用的 TLM法，详细介绍了其理论分析、计算公式，并对测试中引入的误差进行了分析。 欧姆接触电阻不同于一般的电阻，它是处于金属-半导体接触处特殊区域的电 阻，因此决定了其测量和计算的复杂性。该值不仅与计算模型的选择有关，也与 电极的尺寸大小和形状有关。其值的准确度还需要我们在科研中去不断地探索。 高精度的欧姆接触电阻率测量首先要求做好测试图形, 图形尺寸重复, 并能 得到它们的准确测量值。其次要求测试条件简单易控, 需要测试的电参数数值不 能太小, 从而能在一般测试条件下得到误差较小的测量值。还有, 计算公式要精 确, 各测试量的误差权重分布要适当, 避免计算结果依赖于测量误差大的参数。 结论 49 结论 碳化硅具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率等特性， 其品质因数远远超过了Si和GaAs，因而成为制造高功率/高频电子器件、高温器 件和抗辐照器件重要的半导体材料。 本论文基于碳化硅材料特性，对SiC材料离子注入技术进行了