SiC器件關(guān)鍵技術(shù)與工藝集成(新)

1、sic器件關(guān)鍵技術(shù)與工藝集成(新)sic器件關(guān)鍵技術(shù)與工藝集成(新) 編輯整理：尊敬的讀者朋友們：這里是精品文檔編輯中心，本文檔內(nèi)容是由我和我的同事精心編輯整理后發(fā)布的，發(fā)布之前我們對(duì)文中內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)校對(duì)，但是難免會(huì)有疏漏的地方，但是任然希望（sic器件關(guān)鍵技術(shù)與工藝集成(新)）的內(nèi)容能夠給您的工作和學(xué)習(xí)帶來便利。同時(shí)也真誠(chéng)的希望收到您的建議和反饋，這將是我們進(jìn)步的源泉，前進(jìn)的動(dòng)力。本文可編輯可修改，如果覺得對(duì)您有幫助請(qǐng)收藏以便隨時(shí)查閱，最后祝您生活愉快 業(yè)績(jī)進(jìn)步，以下為sic器件關(guān)鍵技術(shù)與工藝集成(新)的全部?jī)?nèi)容。碳化硅器件制作關(guān)鍵技術(shù)與工藝集成xxx摘要：碳化硅（silicon carbi

2、de, 簡(jiǎn)稱sic)作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，不但擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好、還具有載流子飽和漂移速度高、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，在高溫、高頻、大功率器件和集成電路制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文綜述了sic器件制作過程中關(guān)鍵工藝研究的最新進(jìn)展，如摻雜、刻蝕、氧化以及歐姆接觸,介紹了器件中結(jié)終端技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展,最后從工藝集成的角度分析了器件制作過程中熱學(xué)兼容性、力學(xué)兼容性以及異質(zhì)兼容等問題。關(guān)鍵詞：碳化硅;器件工藝；結(jié)終端技術(shù)；工藝集成abstract: silicon carbide （sic) has outstanding properties such as high saturated e

3、lectron drift velocity, high electric breakdown field and high thermal conductivity, and is a very promising wide band gap semiconductor material to fabricate high temperature， high power and high frequency semiconductor devices。 in this paper, research and development of sic processes are reviewed,

4、 such as doping， etching， oxidation and ohmic contact formation. application and development of junction termination extension is introduced。 finally, for the process integration， the thermal compatibility, mechanical compatibility and heterogeneous compatibility issue are discussed。keywords: silico

5、n carbide； process； junction termination extension； process integration1. 引言在眾多的半導(dǎo)體材料中,碳化硅（silicon carbide, 簡(jiǎn)稱sic）以其良好的物理和電學(xué)性能成為繼承鍺、硅、砷化鎵之后新一代微電子器件和電路的半導(dǎo)體材料。表1列出了幾種重要半導(dǎo)體材料的基本特性比較，從中我們可以看出sic與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料相比所具有的優(yōu)越性.表1 室溫下幾種半導(dǎo)體材料特性的比較110半導(dǎo)體材料sigaas3csic4hsic6hsicdimond禁帶寬度（ev)1.11。42。23。263.05。45擊穿電場(chǎng)(mv/cm

6、）0.30.41。22.02.45.6熱導(dǎo)率（w/cmk)1.50。54。54。54。520介電常數(shù)11.912。89。6109.75.5電子遷移率(cm2/v。s）nd=1016cm-313508500900/c軸：1190c軸：950/c軸：60c軸：4001900sic材料的寬禁帶使得其器件能在相當(dāng)高的溫度下工作以及具有發(fā)射藍(lán)光的能力;高臨界擊穿電場(chǎng)決定了器件的高壓、大功率性能；高的飽和電子漂移速度和低介電常數(shù)決定了器件的高頻、高速工作性能；高熱導(dǎo)率意味著其導(dǎo)熱性能好，可以大大提高電路的集成度，減少冷卻散熱系統(tǒng)，從而大大減少整機(jī)的體積.此外sic具有很高的臨界移位能，這使它具有高的抗電磁

7、波沖擊和抗輻射能力，sic器件的抗中子能力至少是si器件的4倍。圖1 sic器件的廣泛應(yīng)用如圖1所示，sic的這些優(yōu)良的特性使其在高溫、高頻、大功率、抗輻射半導(dǎo)體器件等方面的應(yīng)用倍受青睞，是實(shí)現(xiàn)高溫與高功率、高頻及抗輻射相結(jié)合的理想材料，并成為最具潛力的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料之一1112.2. sic器件的研究進(jìn)展鑒于sic器件廣闊的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外開展了廣泛的研究工作。在眾多因素中，高質(zhì)量的sic厚外延層以及大尺寸的sic晶圓成為制約sic器件發(fā)展的主要因素，而這些都可以部分歸結(jié)于sic中存在著的大量缺陷。隨著sic材料生長(zhǎng)工藝的進(jìn)展，在近年來sic技術(shù)在減少缺陷密度上取得中長(zhǎng)足的進(jìn)步.圖2

8、顯示了sic在材料質(zhì)量以及晶圓尺寸上取得的成果13。其中微管缺陷密度上看,從上個(gè)世紀(jì)90年代發(fā)展到2005年，已經(jīng)從10 cm-2減少到11019 cm3)的范圍.在碳化硅材料的氣相生長(zhǎng)過程中，n型摻雜一般用電子級(jí)純度的氮做摻雜劑，p型摻雜一般使用三甲基鋁。離子注入是唯一一種可以對(duì)sic進(jìn)行選擇性區(qū)域摻雜的技術(shù)。sic的密度比si大，要產(chǎn)生相同的注入深度，sic需要更高的注入能量。離子注入工藝追求的目標(biāo)即高的激活率、光滑的表面以及較少的缺陷，因此高溫退火工藝是一個(gè)關(guān)鍵的工藝.sic主要的n型雜質(zhì)和p型雜質(zhì)分別是n和al，因?yàn)樗鼈兛梢栽趕ic禁帶中產(chǎn)生相對(duì)較淺的施主和受主能級(jí).在對(duì)sic進(jìn)行n離

9、子注入后對(duì)晶格的損傷用退火的方式比較容易消除。而對(duì)sic進(jìn)行al離子注入后，由于鋁原子比碳原子大得多，注入對(duì)晶格的損傷和雜質(zhì)處于未激活狀態(tài)的情況都比較嚴(yán)重，往往要在相當(dāng)高的襯底溫度下進(jìn)行，并在更高的溫度下退火。這樣就帶來了晶片表面sic分解、硅原子升華的問題。殘留碳如果能形成石墨態(tài)碳膜，會(huì)對(duì)阻止表面繼續(xù)分解起一定作用。因此，尺寸與碳比較相當(dāng)?shù)腷也成為常用的p型注入雜質(zhì)。目前通過大量的實(shí)驗(yàn)24-26，已經(jīng)對(duì)sic的各種離子注入摻雜進(jìn)行了深入的研究，逐步解決了制約sic離子注入應(yīng)用的激活率不高,缺陷多等問題。3.2 sic的等離子體刻蝕由于sic鍵強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，因此采用濕法刻蝕是不可行的。

10、因此各種干法刻蝕方法得到了廣泛的關(guān)注和研究。其中反應(yīng)離子刻蝕(rie)是一種很重要的刻蝕方法，但其刻蝕速率較慢。以感應(yīng)耦合等離子體（icp)為代表的各種新型高密度等離子體刻蝕技術(shù)由于具有刻速快、選擇比高、各向異性高、刻蝕損傷小、大面積均勻性好、刻蝕斷面輪廓可控性高和刻蝕表面平整光滑等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被應(yīng)用于sic器件制作中。sic的等離子體刻蝕通常采用氟化氣體和氧氣的混合氣體2730，如 chf3/o2、 cbrf3/o2、cf4/o2、sf6/o2、nf3/o2及氟化氣體的混合氣體，如cf4/chf3、 sf6/chf3、nf3/chf3、sf6/nf3，也有部分研究采用cl229與hbr31作為

11、sic主刻蝕氣體.sic的等離子體刻蝕速率可達(dá)到1。5 m/min32。等離子體刻蝕具有高度各向異性，在大多數(shù)情況下，刻蝕速率隨輸入射頻功率的增加而增加.為使刻蝕后無(wú)殘余物，可在氟化氣體和氧氣中加氫氣,或采用含氫的氟化氣體混合物，但這種方法將降低刻蝕速率和各向異性。由于刻蝕產(chǎn)生的刻蝕損傷同樣會(huì)對(duì)器件的性能產(chǎn)生影響,如刻蝕面的晶格損傷所帶來的表面態(tài)密度增加會(huì)對(duì)器件的功率及頻率性能都會(huì)造成負(fù)面影響33。而刻蝕工藝后可能造成溝道區(qū)損傷過大形成刻蝕尖峰,造成表面態(tài)密度增大，使表面耗盡層增加有效溝道電流減小。高的表面態(tài)密度還會(huì)使柵的有效勢(shì)壘高度降低,柵調(diào)制能力下降。在非柵下區(qū)(指柵源間距和柵漏間距區(qū)域）

12、 可造成源漏電阻的增加,而在整個(gè)溝道區(qū)可造成橫向遷移率等重要參數(shù)的變化，表面刻蝕形成的尖峰在高壓工作時(shí)會(huì)成為電場(chǎng)集中區(qū),大大降低器件的擊穿電壓。通過增加 icp系統(tǒng)的襯底偏壓和icp功率，增加等離子體密度可實(shí)現(xiàn)了低損傷的刻蝕。不同器件結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)刻蝕產(chǎn)生不同的要求34。對(duì)于功率器件和用于器件隔離的溝槽刻蝕，要求高腐蝕速率和高度各向異性；對(duì)于 umos、hbt、晶閘管，則嚴(yán)格要求無(wú)殘余物刻蝕，以便制作金屬接觸；對(duì)mos器件，關(guān)鍵是改善sic與sio2 的界面質(zhì)量.3.3 金屬sic接觸金屬sic接觸基本可以分為兩大類:歐姆接觸和肖特基接觸。在sic器件的實(shí)現(xiàn)過程中，低的歐姆接觸電阻是各種半導(dǎo)體器件

13、能夠穩(wěn)定工作的基本條件.對(duì)于在高溫、高頻和大功率領(lǐng)域有著廣闊應(yīng)用前景的碳化硅場(chǎng)效應(yīng)器件而言，更是如此。首先，對(duì)于歐姆接觸的形成來講，接觸區(qū)域的高摻雜是非常必要的。其實(shí)，用于形成歐姆接觸中，金屬對(duì)于n型歐姆接觸，最常見的金屬是ni。通過高溫快速合金（1000 c， 15 min）形成碳化物及硅化物,基于鎳化硅的 n型歐姆接觸，目前的比接觸電阻達(dá)到低于5106 cm2( 6hsic,摻雜濃度為71018 91018cm-3)35.而對(duì)于p型sic，肖特基勢(shì)壘高度的值更大,因此，形成歐姆接觸比在n型sic上更困難。目前采用的主流仍然是al基歐姆接觸,如al/ti36等。除主要求低導(dǎo)通電阻外，sic器

14、件由于其苛刻的工作環(huán)境，還要求歐姆接觸具有熱穩(wěn)定性，而ti基與ni基接觸在600c氧化氣氛和高達(dá)1000 c的惰性環(huán)境中仍然能夠保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性37,38。3.4 結(jié)終端技術(shù)在sic功率器件中，由于結(jié)的不連續(xù)，以及在結(jié)的邊角存在曲率，從而導(dǎo)致表面電力線密集，結(jié)的外邊電場(chǎng)強(qiáng)度比體內(nèi)高等現(xiàn)象，這將嚴(yán)重地影響功率器件的反向擊穿特性。結(jié)終端技術(shù)能夠有效的緩解結(jié)外邊沿電場(chǎng)集中效應(yīng)，從而提高器件擊穿電壓.圖5 sic器件終端技術(shù)分類如圖5所示為碳化硅功率器件的主要結(jié)終端技術(shù),根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以分為邊緣延伸結(jié)構(gòu)與刻蝕臺(tái)面結(jié)構(gòu)。其中結(jié)終端擴(kuò)展技術(shù)（junction termination extension,

15、 簡(jiǎn)稱jte) 最早由temple于1977年提出39,目前已經(jīng)成為較常用的結(jié)終端技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)是工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、對(duì)結(jié)深的要求沒有保護(hù)環(huán)高、提高擊穿電壓的效率很高，且具有較小的器件面積。2003年zhao等人40 利用刻蝕的方法在p型的外延層上刻出多層jte區(qū)域，制作出基于多級(jí)結(jié)終端擴(kuò)展(mjte)結(jié)構(gòu)的4h-sic肖特基二極管，擊穿電壓達(dá)到10kv。且在制作過程中不需要離子注入和高溫退火,對(duì)材料的晶格損傷小，可以準(zhǔn)確的控制jte區(qū)域的電荷量，實(shí)現(xiàn)較高的擊穿電壓。2012年zhang等41采用負(fù)傾角jte技術(shù)制作出用于脈沖功率應(yīng)用的p型sic gto，其面積為1 1 cm2，反向擊穿電壓為12

16、 kv.4. sic器件的工藝集成sic在惡劣環(huán)境下所具有的優(yōu)越性能同時(shí)也使得sic器件在制作過程中工藝難度的增加。盡管各項(xiàng)單道工藝在幾近來已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步,但是從工藝集成的角度仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，sic器件在制作過程中涉及到多步高溫工藝。如離子注入后的為了實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)離子的激活需要進(jìn)行高溫退火,其溫度可達(dá)到1600 c;同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)更低的電阻值，在歐姆接觸形成過程中，也同樣需要在高溫條件（500 c1550 c)下進(jìn)行退火處理。因此,在sic工藝集成的過程中，首先必須考慮到工藝的熱學(xué)兼容性問題。其次，在sic器件的制作過程中，力學(xué)兼容性也是一個(gè)重要方面，特別是不同材料之間的晶格不匹配以及

17、熱膨脹系數(shù)的差異將會(huì)產(chǎn)生晶格缺陷和其它應(yīng)力。因此需要在工藝整合的過程中，需要加入額外的工藝對(duì)其進(jìn)行改進(jìn),如應(yīng)用特殊緩沖層或區(qū)域性選擇生長(zhǎng)等。相對(duì)于si基器件而言，sic器件在制作過程中的工藝選擇較少，不同sic器件需要使用相似的工藝,如sic臺(tái)階的刻蝕、jte的制作、n溝道隔離以及n型與p型sic的歐姆接觸等等。這也使得我們可以在sic器件的工藝整合中能夠?qū)崿F(xiàn)工藝定制，通過制定完善的工藝流程庫(kù)，從而簡(jiǎn)化sic器件在開發(fā)過程中的工作量，縮短新型器件工藝開發(fā)周期，同時(shí)也更有利于開放平臺(tái)的交流合作.同時(shí),隨著sic工藝與其它材料工藝兼容性的不斷發(fā)展,我們提出了從材料定制器件與微系統(tǒng)的概念。將sic器

18、件的制作工藝納入微系統(tǒng)的整個(gè)架構(gòu)中，從而實(shí)現(xiàn)多種異質(zhì)材料的工藝集成，同時(shí)充分發(fā)揮各個(gè)材料的特性。5. 總結(jié)sic材料的卓越性能、sic器件展現(xiàn)出的優(yōu)良特性以及功率半導(dǎo)體器件的需求持續(xù)增長(zhǎng),激勵(lì)著人們對(duì)其工藝與器件開發(fā)上孜孜不倦的追求。而隨著sic關(guān)鍵工藝的不斷進(jìn)步以及更多sic器件的市場(chǎng)化，人們?cè)诳吹较Ｍ耐瑫r(shí)也面臨著更大的技術(shù)挑戰(zhàn)，特別是sic器件在成品率、可靠性、異質(zhì)兼容和更低商品價(jià)格方面,仍然需要進(jìn)一步的完善。而隨著sic器件進(jìn)入全面推廣應(yīng)用，將對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展和變革產(chǎn)生持續(xù)的重大影響.參考文獻(xiàn)1. v. w。 l. chin， t。 l. tansley and t。 osotchan

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