集成电路论文111

利用离子注入技术制备新型结构利用离子注入技术制备新型结构 SiC 器件的展望器件的展望 系 部 电气与信息工程系 学生姓名 陈荣灵 指导教师 汤群芳 专 业 电子信息工程 班 级 电子 0901 班 学 号 09401140123 完成时间 2012 年 4 月 8 日 摘要摘要 SiC MESFET metal semiconductor field effect transistor 金属半导体场效应 晶体管 器件的优点和离子注入技术在 SiC 器件制备中的发展趋势 提出一种用 离子注入技术制备新型结构的 SiC MESFET 器件的方法 讨论了这种新型结构 的优点 最后给出用离子注入技术制备 SiC MESFET 器件的设计过程 关键词关键词 金属半导体 离子注入 SiC 器件 SiC MESFET 器件 新型结构 Abstract SiC MESFET metal semiconductor field effect transistor metal semiconductor field effect transistor device and the advantages of ion implantation technology in SiC device in the preparation of development trend put forward a kind of ion injection technology for preparation of a novel structure of SiC MESFET method discusses the advantages of this new structure finally gives the ion injection technology for preparation of SiC MESFET device design process Key words metal semiconductor ion implantation SiC devices SiC MESFET is the device the new structure 1 SiC MESFET 器件的优点器件的优点 随着科学技术的发展 越来越多的领域如航天 航空 军事 石油勘探 核 能 通讯等 迫切地需要能够在 250 600 的高温环境下工作的电子器件 尽管 以硅 Si 和砷化镓 GaAs 为代表的半导体材料的高速发展推动了微电子 光电子 技术的迅猛发展 但是受材料性能所限 用这些半导体材料制成的器件 大多只能 在 200 以下的环境下工作 而且在抗辐射和高击穿电压性能等方面都不能完全 满足现代电子技术发展对高温 高频 大功率 高压和抗辐照的要求 1 寻求 工作温度高同时又在高频 大功率 抗辐照等方面具有良好性能的半导体器件 就成为自 20 世纪 90 年代以来在微电子领域中研究热点之一 在众多的半导体 材料中 碳化硅 SiC 以其良好的物理和电学性能成为继锗 硅 砷化镓之后新一 代微电子器件和电路的半导体材料 随着 SiC 材料制备技术的提高 揭开了 SiC 材料和器件研究的序幕 SiC 可制作出性能更为优异的高温 高频 高速和抗 辐射器件 因而受到美 日 俄等工业强国的极大重视 在高温和抗辐射应用方 面 SiC 器件在航天探测 航空 核能开发 卫星 石油和地热资源 汽车发动 机等领域具有重要应用 高频 高功率 SiCMESFET 微波器件在军用相控雷达 通讯广播系统中有明显的优势 美国已将其应用于新研制的 HDTV 数字广播系统 之中 从各材料的性能参数的比较中 我们可以看出 SiC 材料的热导率远大于其 他材料 在高温器件方面 室温下几种半导体材料特性的比较 类型 Si GaAs6H SiC4H SiC3C SiC 禁带宽度 eV 1 1 1 42 3 0 3 2 2 击穿场强 掺杂 1017cm 3 MV cm 1 0 6 0 6 3 2 3 1 5 电子迁移率 掺杂 1016cm 3 cm2 V 1 s 1 1100 6000 200 300 800 750 空穴迁移率 掺杂 1016cm 3 cm2 V 1 s 1 420 320 60 115 40 饱 和电子漂移速率 cm s 1 1071072 1072 1072 6 107 热导率 W cm 1 K 1 1 5 0 5 4 9 4 9 5 0 SiC MESFET 器件更有利于高温环境的应用 是人们研究的焦点之 一 分析 MESFET 器件的自热效应 在相同的衬底 外延和结构的情况下 SiC 材料的温升最小 如图 1 所示 MESFET 器件功率和自热温升的关系曲线 其中 SiC MESFET 器件的自热温升最小 理论研究表明 SiC 材料的器件在大于 500 的特高温区和高温大功率方面有巨大的优势 目前 SiC MESFET 器件可以工作 在 500 以上 而 Si 材料制备的器件只达到 350 GaAs 材料制备的器件最高达 到 400 因此 SiC 材料适于制备高温大功率器件 且可以减去庞大的热沉 减小 体积 对于不同沟长和掺杂的 MESFET 器件 PROSA 2D 分析表明 4H SiC MESFET 的性能最好 从表 1 可以看出 4H SiC 的迁移率高 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 115cm V s 约是 6H SiC 的 2 倍 而其他性能与 6H SiC 相同 研究表明 在 1 8GHz 的工作频率下 4H SiC 和 6H SiC MESFET 器件的功率密度分别是 3W mm 和 2 8W mm 最高频率 fmax 分别是 42GHz 和 32GHz 因此 普遍认 为用 4H SiC 能研制出性能更好的 MES FET 温度器件 2 离子注入技术在 离子注入技术在 SiC 器件制备中的发展现状及趋势器件制备中的发展现状及趋势 SiC 是宽禁带半导体材料 由于在 1 800 2 000 以下 各种常用的掺杂原子在 碳化硅中的扩散系数很低 采用气相热扩散的方法对碳化硅材料进行掺杂是不适 用的 理想的扩散系数要达到 10 13cm2 s 1 以上 因为需要大约 2 000 的高温 一般高温炉很难达到 所以 离子注入掺杂手段就成为外延生长过程掺杂以外的 唯一选择掺杂方法 2 碳化硅材料离子注入技术的研究是从硅材料的经验发展 过来 但是由于碳化硅材料的相对稳定性 离子注入工艺更加困难 一直是碳化硅 器件制备工艺中的制约条件之一 N 型掺杂的注入离子有 氮离子 磷离子 砷 离子 锑离子等 P 型掺杂离子有铝离子 硼离子等 研究表明氮离子占据 C 位 而磷离子 铝离子 硼离子等占据 Si 位 因而可以用碳和硼共同注入来增加占据 Si 位的硼浓度从而得到较小的方块电阻 碳和铝共同注入降低欧姆接触的比电 阻 氮离子和磷离子共同注入来达到高浓度的掺杂 离子注入的浓度 分布区 域 激活率 体内和表面的缺陷等是离子注入工艺的主要参数 影响这些参数结 果的因素很多 有注入剂量 能量 SiC 材料的晶向 注入温度 退火温度 退 火时间 环境等 寻求高的激活率和较少的缺陷是离子注入工艺追求的目标 高 温退火工序就是为了达到这一目标 其主要完成两个目的 使注入时产生的无 定形缺陷再结晶 使注入原子 离子 进入替代位并激活 目前 对退火过程机理 的认识还有限 对退火过程的控制和了解是未来离子注入的研究重点之一 不同的离子在 SiC 中造成不同的缺陷中心 需要不同的退火温度 对于 6H SiC 材料 氮离子 磷 离子和铝离子的激活能分别是 80meV 75 85meV 和 240meV 要得到一个明显 较小的方块电阻 注入离子按退火温度由高到低的排列是 氮 1 300 以上 铝 1 500 以上 硼 1 700 以上 研究表明提高激活率的方法不仅仅是提高退火温 度 温度升高有可能会使激活率下降 但是从大多数的实验结果上看还是可以得 出越高的退火温度得到的激活率越高 有研究表明室温下剂量为 1014cm 2 的铝 硼注入 衬底浓度为 3 1015 4 1015cm 3 的 n 6H SiC 中 分别得到 5 和 7 的激 活率 当退火温度从 1 500 到 1 700 两者的激活率分别从大约 5 到 90 和 7 到 90 另一项研究给出 硼注入的 6H SiC 在 1 700 退火 仅达到 8 15 的激活率 注入离子的全 部离化有两点需要满足 注入离子须在电活性的晶格位 不存在补偿掺杂的 本征晶格缺陷 这就需要外界提供热激发能量 使注入离子从间隙位置移动到晶 格位 而高温退火提供这种能量 但是这一过程也引起了大量的缺陷 由于铝的激 活能低 室温下载流子的冻结少而被作为受主离子 硼由于注入深 常被用来作为 形成深结的首选 铝和硼注入层方块电阻的典型值分别是 22k 方块电阻 250k 磷离子注入 6H SiC 在 1 200 退火条件下 方块电阻可达 260k 8 1014cm 2 实验说明 高剂量注入并不一定能降低方块电阻 并认为磷是施主 注入的首选 离子注入工艺的主要缺点是注入后会给 SiC 表面及体内产生缺陷 包括单碰撞产生的点缺陷 高剂量注入产生的晶体的无定形缺陷 位错环缺陷 和盘状缺陷等 注入产生的缺陷会降低载流子的寿命 影响器件特性 尤其是功率 器件 目前对缺陷生成过程还不清楚 这是长期制约离子注入应用的主要因素 铝注入 4H SiC 产生的位错环缺陷与退火温度有关 温度从 1 700 到 2 000 变 化 相应的缺陷密度不断减小 但是缺陷的半径从 3 9nm 增大到 5 9nm 有一种假 设模型认为离子注入会使 SiC 表面存在整齐的阶面 阶面的起伏高度有 1 0nm 4H 和 0 75nm 6H 对阶梯高度进行统计分析证明了这一假设的存在 高温下表面会 重整以达到稳定状态 并因此在表面形成大的起伏缺陷 退火温度越高 时间越长 离化率越高 对此结论 不同的实验结果并不一致 同时造成起伏缺陷的不平整度 越大 如硼注入后 1600 40min 退火 测量的起伏高度是 5 8nm 4H 和 9 7nm 6H 6H 比 4H 更容易起伏 但是不平整表面可以通过一些方法减小 下面将讨论 TEM transmission electronmicroscopy 研究表明 注入退火后 SiC 断面 观察到有黑 坑缺陷存在于表面以下 0 3 m 当退火温度升高 这种缺陷的密度下降 而尺寸增 加 为消除缺陷 采取的措施主要有两方面 高温注入和退火过程的控制 DLTS deep level transient spec troscopy 的分析结果给出 600 硼注入的 4H SiC 没有室温注入产生的 S 中心缺陷 导带底以下 0 41eV 的缺陷 目前 碳化硅中离 子注入掺杂存在的问题有 注入离子激活率低 高温退火中注入离子从碳化 硅表面析出以及重新分布 使注入掺杂的均匀性变坏 高温退火中 碳化硅的组 分原子 Si 原子从材料中跑出 在表面留下 C 原子 造成材料表面碳化以及平整度 变坏 退火后的碳化硅表面有尖峰状缺陷 3 对以上问题 目前碳化硅中离子注 入技术的改进手段有 采用高温注入方式 注入温度从 600 到 1 000 研究表 明 高温注入可提高激活率和减少注入缺陷 4 采用快速高温退火 一般峰值温 度达到 1 300 1 800 之间 研究的方法有 flash 微波 红外等 快速退火有减少缺 陷和提高激活率的优点 保护层退火方法 即 离子注入后 在碳化硅表面生长保 护层覆盖 在高温退火时 保护层起到阻止组分原子析出的作用 保护层要耐高 温和退火后容易除去 如 AlN BN 和石墨等材料 5 最近 AlN 被用来在离子注入 后淀积在碳化硅表面 在高温退火中起到保护表面的作用 AlN 保护层能够很好 地减少缺陷和提高表面的平整度 研究表明 其可以在高温退火后用化学法 即热 KOH 除去 6 还有的方法给出在离子注入后 注入片和另一片 SiC 片一起进行 退火 发现可使注入片表面的缺陷浓度减少 因为在 1 400 以上时 SiC 表面的 Si 会升华 使表面富 C 而产生缺陷 退火时与 SiC 片一起进行可以减弱这一过程 目前 退火方式一般有退火炉退火 RTA rapidthermal annealing 快速退火 和激光 退火等 其中 RTA 退火有弧光灯退火 闪光灯退火 碘钨灯退火等 激光退火有 Xell 激光 308nm 退火 退火方式的不同在于温度更高 时间更快等退火条件的 追求 来达到提高激活率 由于 Si 的升华 一般退火炉温度不超过 1 800 闪光 灯 flash lamp 通过氙气闪光灯阵列光辐照 速度达到 ms 退火可以达到 2 000 退火一般在惰性气体或真空中进行 SiC 中的多数注入离子 硼等除外 高温退火 时的再分布很小 有利于离子注入 SiC 器件的设计 为达到杂均匀而进行多次离 子注入 多次离子注入按注入能量从大到小依次注入比按能量从小到大注入产生 的缺陷少 研究表明 受主杂质的注入比施主杂质的注入的困难大 表现在退火温 度高 不容易得到低的方块电阻 注入后高温退火引入缺陷 砷 锑 硼等离子的 再扩散明显 离子注入的改进方法是 采用低退火温度的离子注入 如氮离子 磷离子 铝离子等 高温注入比室温注入好 注入后 在注入层的表面应淀积 高温稳定材料 如 AlN 提高表面平整度 目前 离子注入在 SiC 器件制备中的应 用在以下几个方面 欧姆接触 利用离子注入制备欧姆接触的高掺杂区 从而降 低欧姆接触的比电阻的方法 已被广泛使用在半导体工艺中 双极型晶体管 N 区由离子注入氮离子或磷离子形成 高温磷离子注入的 4H SiCN P 二极管反 向击穿电压 625V 反向电流 1 10 7A cm2 50 1 MOSFET metal oxide semi conductor field effect transistor 器件 离子注入的目的是形成源漏区 如自对准 n 沟 6H SiC MOSFET 器件 氮离子注入形成源漏区 CMOS 器件 P 阱由硼离子 注入形成 P 和 N 源漏区分别由铝和氮离子注入形成 所有离子注入都在 650 下进行 肖特基二极管 在 Ti 4H SiC 肖特基二极管电极边缘的区域用硼离子 注入制备环形离子注入区 其反向击穿电压得到明显提高 器件具有良好的高温特 性 在 150 的环境下 反向电压超过 1 100V 最高可达 1 750V JFET junctionfield effect transistor 离子注入制备的 n 沟 6H SiCJFET P 栅区 是离子注入制备 器件在 400 具有良好的高温特性 近年来 随着碳化硅材料离 子注入技术水平的提高 离子注入技术在器件制备中的发展趋势是从制备欧姆接 触的高掺杂区 N P 二极管的高掺杂 N 区 NPN 三极管的 N 发射区发展到制 备 LDMOSFET 横向双注入 MOSFET 器件的沟道区的过程 最近 离子注入开 始用于制备碳化硅 MESFET 器件的有源区 7 离子注入在碳化硅器件制备中的 应用呈现出从简单制备器件高掺杂区发展到制备器件沟道区的方向 使得离子注 入技术在碳化硅器件制备中的使用更加广泛 3 新型结构的 新型结构的 MESFET 器件的优点器件的优点 制备性能优异的高频碳化硅 MESFET 器件 即具有良好的频率特性 较高的 增益和足够的功率特性 需要器件的栅长尺寸小 器件的寄生电容 电阻和电感参 数要小 这就要求制备工艺能够达到最小工艺的栅长 足够低的欧姆接触电阻 良好的肖特基势垒等来实现高工作频率的要求 但是目前传统方法制备的碳化 硅 MESFET 器件的结构是台面结构 通常的方法是在 4 层碳化硅外延片上制备 外延片包括 衬底层 P 型隔离层 N 型层 N 层 沟道制备和器件的隔离使用刻 蚀的方法制备后的器件表面是不平整的 引线在凹槽处容易断开 为达到表面的平 整 还需要在凹槽的区域进行填平工作 由于碳化硅材料的性能很稳定 化学键能 较高 碳化硅湿法腐蚀技术难以实现 使用的方法是采用等离子体干法刻蚀技术 干法刻蚀的缺点有 离子的轰击在碳化硅表面造成晶格损伤 影响器件形成良 好的肖特基接触和欧姆接触 导致器件饱和电流变小 肖特基栅理想因子偏大 直 流跨导减小 微波功率增益及效率大大降低等不足 刻蚀过程中的沾污会在芯 片表面形成一种难以除去的聚合物 造成被刻蚀材料表面粗糙甚至形成尖峰 严重 时无法实现有效的刻蚀 不能满足器件工艺要求 而且刻蚀粗糙度的增加还容易引 起散射的增加 刻蚀工艺在凹槽处形成粗糙表面 很细的栅金属容易在不平的 表面断裂 栅源 栅漏之间的表面损伤在钝化后引起沟道电流变小 使器件微 波功率变小 可见 碳化硅的刻蚀工艺制约了碳化硅 MESFET 器件性能的进一步 实现 根据美国 CREE 公司的 SiC 产品报价 每多生长一层外延层 片子的价格要 贵约 1 000 美元 如果利用一层外延的 SiC 片子 如 P 型外延片 通过离子注入 制备反型层 有源区 以此来制备 SiC MESFET 器件 则可减少制备成本 并通过有 源区边界的 PN 结进行隔离 取代现在通用的较麻烦的刻蚀隔离技术 因此 一种 平面型结构的离子注入碳化硅 MESFET 器件的研究发展起来 新型结构的碳化 硅 MESFET 器件的制备 N 区和 N 阱区是通过氮离子注入形成 可以避免台面型 刻蚀技术的不