【《4H-SiC肖特基二极管工艺制备分析概述》3600字】

H-SiC肖特基二极管工艺制备分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u301854H-SiC肖特基二极管工艺制备分析概述 1246461.14H-SiCSBD结构图 1303691.2具体工艺流程介绍 1255141.3常用的肖特基二极管表征技术 6150841.3.1X射线衍射（XRD） 635881.3.2扫描电子显微镜（SEM） 6118651.3.3透射电子显微镜（TEM） 7214871.3.4能量色散X射线光谱仪（EDX） 71.14H-SiCSBD结构图下图所示即为肖特基二极管的剖面结构图。图3-1具有场板终端的4H-SiCSBD结构图1.2具体工艺流程介绍4H-SiC外延片清洗表3-1用于清洗SiC基片和除去SiO2的化学品/混合物化学品/混合物温度（℃）时间H2O：NH4OH：H2O2（5:1:1）755minsH2O：HCl：H2O2（5:1:1）755minsH2SO4：H2O2（2.5:1）1005minsH2O：HF：CH3CH(OH)CH3（100:3:1）25100secsHCl：HNO3（3:1）505minsHF：H2O（1:10）25HF：NH4F（1:7）25样品的清洗遵循RCA(美国无线电公司)的标准清洗流程。在整个肖特基二极管的制备程序中，最首先且最关键的一个步骤就是清洁半导体表面。首先要除去表面的有机赃物，先将样品置于丙酮中3分钟，煮沸，然后在异丙醇中3分钟，煮沸，再将其放到去离子水中冲洗。表3-1为清洗工艺中使用的一些化学物质，将样品依次经过上表中的溶液，上述各步骤结束后，接下来把样品放入BOE(缓冲氧化物蚀刻剂-二氟化氢铵溶液)中保存3分钟，这个操作可以获得无SiO2的表面，样品再次用去离子水中冲洗，冲洗后用氮气干燥REF_Ref6946\r\h[25]。氧化经过标准的RCA清洗后，立即将样品放进高温氧化炉中，在1150℃下进行1小时的湿氧氧化得到牺牲氧化层，用HF溶液将此氧化层除去，然后用去离子水将其冲洗随即并用将其置于氮气的环境下进行干燥，即可得到一个新鲜的SiC面。将样品再次放进氧化炉，依次经过10分钟的干氧，4小时的湿氧，再经过10分钟的干氧进行高温氧化，即可得到厚度约为300nm的SiO2氧化层REF_Ref6012\r\h[26]。背部欧姆接触的形成本实验采用磁控溅射法溅射法在样品衬底的背面沉积厚度约为500nm的接触金属Ni，之后在氮气的氛围下进行30分钟的高温退火，退火温度为1050℃，从而在背面形成欧姆接触REF_Ref7363\r\h[27]。干法刻蚀刻蚀的方法有干法和湿法刻蚀两种。在实际的工艺中，具体使用哪种刻蚀方法需要因材料本身的物理化学特性而定。在传统的Si材料器件制备工艺，往往采用湿法刻蚀的方式，而归于SiC材料而言，则需要采用干法刻蚀的方式，这也是这两种材料的器件制备工艺中存在的最大的区别。如果要求不引入杂质，且要有图形，这种情况下往往刻蚀阻挡层会选用由有机物构成的光刻胶层进而满足这个前提。光刻胶有正光刻胶和负光刻胶两种类型。它的优点就是不会引入杂质，同时也清晰方便，而且光刻胶对后续的实验也不会造成影响。光刻图3-2光刻的基本步骤上图为光刻工艺的基本流程，其中包含晶圆表面预处理、涂胶、软烘烤等具体步骤。下面对具体工艺进行详细的介绍。①晶圆表面预处理对于SiC材料通常使用热板加热法对晶圆的表面进行预处理，表面经过预处理后可以提高光刻胶的吸附，同时经过预处理后光刻胶薄膜存在的缺陷也会有所减少。②涂胶应用旋转涂胶工艺，其原理如1.3图所示。首先，在晶圆的中间处滴上光刻胶，也称为滴胶，滴胶的过程需要在静态的环境下完成。此外，滴胶的量取决于晶圆的形状和大小，其用量多与少都会产生一些影响。光刻胶滴完后，滴好的光刻胶经过高速旋转，这样可以使它在晶圆的表面分布的更加均匀，旋转的速度以及胶的配型两者都是影响光刻胶的膜厚的因素。经过上述过程光刻胶就涂好了。图3-3旋转涂胶工艺图示③烘烤光刻胶涂完之后，需要把其中多余的溶剂处掉，我们可以使用用加热的方法使其蒸发，这个过程就叫做软烘烤。软烘烤这一过程中需要设置时间和温度，这些参数一方面需要根据光刻胶的类型、厚度等因素来确定，另一方面也要参考工艺。问了避免之后光刻胶在晶圆上脱落的问题，烘烤时间一定要充足，但是时间也不宜过长，否则将会导致影像显影不足等问题的出现。④对准和曝光首先，我们需要根据标记把晶圆和掩膜版二者进行对准，然后再对样品进行曝光操作。曝光的方法有两种，一种是接触式曝光，通常情况下，在工艺中使用最多的就是这种方法，它的原理如图1.4所示。另外一种方法是接近式曝光，之所以不常使用这种方法的原因在于这种方式曝光时，会有光的发散情况产生，而光发散会导致图形模糊，这对之后的操作会产生很大的影响。图3-4接触式曝光原理图⑤显影对于多余的光刻胶我们要把它去除掉。上文中我们提到光刻胶有正、负两种类型，这两种类型的图形转移原理并不一样。对于正光刻胶而言，随着曝光和显影的完成，被光照射到的地方会溶解掉，保留了没有透光的区域。而负光刻胶则恰好相反，其曝光的区域会被保留下来，而没有曝光的地方则会溶解消除。这两种类型的图形转移过程正如下图所示。图3-5两种类型的光刻胶图形转移对比图⑥去光刻胶最后需要清理掉晶圆上面的光刻胶。因为金属沉积之后又会有多余的金属产生，而选用剥离的方法可以把这两者同时去除，所以这一步往往在金属淀积之后再进行。肖特基金属沉积这里采用射频溅射沉积的方法，沉积的过程在6E-6Torr的高真空度的环境下进行，其中氩气的流速保持在15SCCM（标准立方厘米每分钟），腔室的压力保持在10mTorrREF_Ref19214\r\h[28]。首先，在4H-SiC外研片上沉积一层金属钼（Mo），在此基础上沉积一层碳（C），二者的总厚度为66nm。最后，再已沉积的合金上再沉一层金属保护层氮化钛（TiN），沉积TiN的目的是防止氧化，从而让它起到保护的作用。剥离剥离过程需要在有机溶液中进行。首先取丙酮溶液，把样品放进去浸泡并清洗10分钟，然后再在异丙醇溶液中重复上述步骤，清洗完毕后在将其放入去离子水中再次清理，然后再用氮气将样品干燥。通过上述一系列的工艺流程操作，最终我们可以得到直径为200、400、600、800、1000微米的肖特基接触。最后，观察样品是否剥离彻底，这一步可以借助显微镜进行。图1.6展示了样品经过剥离后，在光学显微镜下观察到的肖特基接触图像。图3-6显微镜下的样品图像划片将已经制备的样品用切割机按照划片道切开，划片大小为1.5cm×1.5cm，然后用金刚石笔在每个小片后面标注序号，为后续的研究退火温度对肖特基二极管性能的影响实验做准备。退火采用快速退火（RTA）方法REF_Ref32383\r\h[29]，在15s的时间内将温度有常温快速升高，在氮气（N2）的环境中将样品分别置于600、700、800、900、1000℃的高温下并保持1min，然后用水冷降温的方法将温度恢复到常温。1.3常用的肖特基二极管表征技术1.3.1X射线衍射（XRD）X射线衍射（X-raydiffraction，XRD)是一种常用的表征分析技术，不具有破坏性，其原理是将X射线射入待测样品，通过对散射粒子进行分析，即可得到样品的化学组成、晶体结构等性质。德国物理学家W.K.伦琴早在1895年发现了X射线，X射线介于紫外射线与伽马射线之间，它的波长范围大约在0.01~10nm。在实验中，可以在真空管的阴、阳两电极之间施加高电压，其中阴极由钨丝构成，这样电子从阴极发射后经高压轰击阳极靶材造成电子跃迁，进而形成X射线。XRD的原理如下图所示。图3-7XRD原理图根据布拉格公式可以得到如公式（12）所示的衍射条件REF_Ref32543\n\h[30]：（3-1）当X射线摄入样品中，样品中的粒子会有干涉的现象产生，这时含量较多的粒子产生的散射波相互叠加，相互干涉，使得产生信号强弱之差，即产生信号强度分布。1.3.2扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope，SEM），主要由真空、电子束和成像三个系统组成。对于真空系统而言，它的作用是保护电子束系统中的灯丝，同时获得更多的电子以供成像；电子束系统的作用是产生扫描成像所需要能量确定的电子束；成像系统的作用是为采集电子束与测试样品作用产生的二次电子、俄歇电子等信号，获得所需要的信息。这种表征方法的原理是，运用聚焦电子逐点扫描样品的表面，达到样品表面的电子将与样品中的原子相互作用，从而产生样品表面的信号。成像信号可以是二次电子，反向散射电子或吸收电子。对于以上所述几种信号而言，二次电子是这种表征方法中最主要的成像信号，探测器对该信号进行检测，然后构造出反映样品表面状态的二次电子图像，从而绘制出样品的表面形貌，从而对其表面结构进行表征。SEM与光学显微镜相比，有更高的分辨率REF_Ref5576\r\h[31]，它的分辨率可达到1nm，除此之外，还有视野广、景深大、图像有立体感等优点。1.3.3透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜（Transmissionelectronmicroscope，TEM）REF_Ref14649\r\h[32]，也称为透射电镜，将加速且集中的电子束投射到薄样品中，射入的电子与样品中的原子发生碰撞以改变方向，从而导致立体角散射。散射角的大小与样品的密度和厚度等因素都有关系，因此可以形成明暗程度的图像。通常，透射电子显微镜的分辨率为0.1~0.2nm，放大倍数为几万至几百万倍。它用于观察超微结构，也就是说，它可以区分小于0.2nm的结构。这种尺寸的结构用光学显微镜观察时不能被清晰地显示出来，因此也称为“亚显微结构”。1.3.4能量色散X射线光谱仪（EDX）能量色散X射线光谱仪（EnergydispersiveX-RaySpectroscopy），是通过分析样品发出的特征