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        碳化硅材料與關鍵工藝技術

        碳化硅材料的結構和性質




        寬禁帶半導體材料(Wide Band Gap Semiconductor,簡稱 WBGS)是一種繼代硅、鍺和第二代砷化鎵、磷化銦等材料以后發展起來的新型的第三代半導體材料。碳化硅(SiC)是第三代半導體材料的杰出代9)表。目前,碳化硅材料技術已經非常成熟,高質量的 4 英寸晶圓已經實現商品化,6 英寸晶圓也已經推出。另一種第三代半導體材料氮化鎵材料,由于難以制備氮化鎵襯底,其外延材料只能在其他材料上實現異質外延,其熱導率只有碳化硅的四分之一,因此不適合制作高壓大功率器件。碳化硅材料的優異特性使其特別適合在電力電子領域的應用。


        SiC 材料的禁帶寬度將近是硅的 3 倍,擊穿電場是硅材料的 8 倍,大地提高了 SiC 器件的耐壓容量和電流密度。要達到相同的擊穿電壓,SiC 器件所需的耐壓層厚度為 Si 器件的 1/10,其導通電阻只有硅器件的 1/100~1/200,大地降低了 SiC 器件的導通損耗。大的禁帶寬度使 SiC 器件可以在 250℃~600℃的工作溫度下保持良好的器件特性。SiC 的熱導率是硅的三倍,達 4.9W/cm?℃。優良的導熱性能,可以大大提高電路的集成度,減少冷卻散熱系統,使系統的體積和重量大大降低,并在高溫條件下長時間穩定工作。由于功率密度大,器件的面積小、工作層薄,電容和儲存電荷少,可以實現高的開關速度而且開關能耗小,因此高功率 SiC 器件可以工作在較高的頻率下。與硅元件構成的電源模塊相比,SiC 電源模塊的開關功耗約為原來的 1/4,總功耗降低 1/2。而在相同的功耗的情況下,開關頻率是原來的 4 倍。碳化硅具有多種異形晶體,其中 4H-SiC 晶體具有禁帶寬度大、臨界場強高、熱導率高、載流子飽和速率高等特性,適合電力電子器件應用。碳化硅電力電子系統因而非常適合高功率、高頻功率、高溫和抗輻照的應用?;谔蓟桦娏﹄娮悠骷碾娋W系統在效率、可靠性、體積和重量方面的性能會有大幅度提高,尤其是在惡劣的環境中。另外,SiC 具有更高的臨界移位能(45~90eV),這使得 SiC 具有高抗電磁波沖擊和高抗輻射破壞的能力,據報道 SiC 器件的抗中子輻照的能力至少是硅器件的四倍。這些性質使 SiC 器件能夠工作在端環境下,在航天航空、高溫輻射環境可望發揮重要作用。
         
        碳化硅材料結構

        SiC 晶體結構屬于那種同質多型體,也就是說即使化學計量是相同的情況,卻有著不一樣的晶體結構,而不同的多型體的結構是由不同排列次序的 Si-C 原子對的位置決定的。通常情況下,Si-C 的原子對會在原來存在的 Si-C 原子對上面進行堆垛,并且堆垛的時候密度較大,在相對應的 A, B, C 所處的位置,將會形成具有不同周期的 SiC 多型體結構,主要有三種結構,即閃鋅礦結構,纖維鋅礦結構和菱形結構。用大寫字母分別可以用 C、H、R 來表示。我們一般把纖維鋅礦結構和菱形結構相關的多型體用 α-SiC 來表示,而閃鋅礦結構的SiC 單晶材料可以用 β-SiC 來表示。SiC 材料中,為常見以及研究的多的結構有三種,即 3C- SiC(β-SiC ),4H- SiC,6H-SiC(α-SiC ),它們的原子排列分別如圖 2-1 所示。

        碳化硅材料性質


        在常溫條件下,SiC 是具有高穩定性的半導體材料,而在溫度升高到 2100℃左右以上時,將會升華,被分解為 Si 與 C 蒸汽;當溫度繼續升高,達到 2830℃左右時,SiC 材料會出現轉熔點,經研究發現,當 SiC 器件工作在低于 1500℃時的條件下,其具有很高的穩定性,實際應用過程中為了防止 SiC 進一步氧化,大多數情況會在其表面形成較薄的一層 SiO2 層,SiO2 在高溫下 1700℃會熔化并且迅速發生氧化,SiC 材料能熔于熔融的氧化物質,如熔融的 Na2O2,Na2CO3-KNO3的混合物;而且在 300℃溫度下,SiC 材料可以熔于氫氧化鉀和氫氧化鈉的混合物,在 900 到 1200℃下,SiC 會與氯氣迅速的發生化合反應,還可以有四氯化碳快速反應,可留下石墨等殘留雜質,通過研究得出主要可以利用熔化狀態下的氧化物或者氟來對 SiC 的表面進行蝕刻。
         
        碳化硅器件關鍵工藝研究


        碳化硅(SiC)器件具有擊穿電壓高、功率大、耐高溫工作、可靠性高、損耗低等特點,是高壓電力電子領域的熱門研究器件,適合于電力系統應用,可制備采用硅器件無法制備的裝置。
        由于 SiC 材料具有耐腐蝕、高硬度和易碎性等特點,使得其加工工藝比普通的 Si 和 Ga As 等半導體材料要困難得多,因此 SiC 器件和 Si 器件、Ga As 器件工藝設計和方法差別很大,需要解決的關鍵工藝技術主要包括:高溫高能離子注入技術、刻蝕成型技術、歐姆接觸技術和表面氧化技術等。
         
        歐姆接觸


        金屬與半導體形成歐姆接觸是指在接觸處是一個純電阻,而且該電阻越小越好。因此,其 I/V 特性是線性關系,斜率越大接觸電阻越小,接觸電阻的大小直接影響器件的性能指標。


        碳化硅歐姆接觸技術是制備碳化硅高壓功率器件的基本技術,是實現器件電結構的必須工藝之一。碳化硅歐姆接觸在高溫環境中提前發生性能衰退會導致碳化硅器件的壽命會大大減小。采用鎳鎢合金、鎳鈦合金以及鈦鎢合金覆蓋在碳化硅上等技術形成歐姆技術,可以在一定程度上增強碳化硅歐姆接觸的高溫穩定性。但是需要進行系統性的研究,才能找到更加有效的方法對碳化硅歐姆接觸的高溫退化現象進行抑制,從而增強碳化硅電力電子器件的高溫穩定性。碳化硅功率器件的歐姆接觸目前主要采用鎳基金屬形成。鎳基碳化硅歐姆接觸的接觸電阻率通??蛇_到 1×10-5 Ω?cm2 以下,可以滿足絕大多數碳化硅功率器件的應用需要。但是鎳基歐姆接觸的高溫穩定性欠佳,近年來國際上采用鎳鎢合金或鎳鈦合金等用于碳化硅歐姆接觸的形成,可以增強碳化硅歐姆接觸的高溫穩定性,從而增強碳化硅功率器件的高溫穩定性。
         
        碳化硅刻蝕工藝


        刻蝕碳化硅的主要困難在于碳化硅材料具有很高的機械硬度和化學穩定性。實際工藝證明,以往在 Si 器件中積累了豐富經驗的且一直沿用至今的用酸堿溶液等進行的濕法刻蝕已經完全不能應用于 SiC 器件的制造工藝之中。因此各種干法刻蝕方法得到了廣泛的關注和研究,其中反應離子刻蝕(ReactiveIonEtching,RIE)是一種很重要的刻蝕方法,但與硅相比,碳化硅的 RIE 刻蝕速率明顯偏慢,SiC 的 RIE 刻蝕速率只有 30nm/min,而硅則達到 200nm/min,一般認為刻蝕效果與刻蝕氣體組成、刻蝕功率腔體壓強等條件有關。目前,以感應耦合等離子體(InductivelyCoupledPlasma,ICP)為代表的各種新型高密度等離子體刻蝕技術由于具有高等離子體密度、刻蝕速率快、損傷小等特點逐漸被應用于SiC 的干法刻蝕工藝,并初步取得了較好的刻蝕效果??涛g氣體一般采用氟基氣體,如 SF6、CF4或這兩者和氧氣的混合氣體。但是氟基氣體刻蝕 SiC的主要缺點在于刻蝕損傷較大,且不易消除,因此刻蝕速率相對較慢但刻蝕損傷較小的氯基氣體開始受到了人們的重視,是 SiC 干法刻蝕工藝一個重要的研究方向。
         
        離子注入和注入激活技術


        離子注入作為一種重要的摻雜技術己廣泛應用于半導體器件及超大規模集成電路的制造工藝中。對于 SiC 來說,用熱擴散法來實現選擇性區域摻雜是不現實的,因為在小于 1800℃的溫度下(在該溫度下,可以保材料表面的完整性),雜質在 SiC 中的擴散系數很小。這樣離子注入就成為可用于對 SiC 進行選擇性區域摻雜的技術。由于 SiC 的密度比 Si 大,要產生相同的注入深度,SiC需要更高的注入能量。高的雜質激活率、光滑的表面以及較少的缺陷是離子注入追求的目標,達到這個目標的一個關鍵工藝就是高溫退火。剛剛注入完后,雜質是電惰性的,出現了晶格缺陷,導致了注入層的高電阻率。也就是為了在離子注入后達到高的雜質電激活率及晶格缺陷的完全恢復,退火作為關鍵的第二步把雜質放到晶格點上同時修復晶格缺陷。
         
        表面鈍化技術


        為了實現高壓 SiC 二極管大功率器件,需要使用高品質的介質薄膜來滿足器件的高壓低阻特性,介質膜界面態密度一般要小于 1012/cm2e V。由于碳化硅能夠通過氧化獲得氧化硅介質膜,不過氧化溫度大于 1300 度以上,界面會引入很高的界面態密度,因此選擇合適的高溫氧化技術就十分必要,也成當前研究的熱點之一。表面鈍化技術是 SiC 半導體器件制造中的一項重要工藝,通過熱氧化可以直接在 SiC 表面生長二氧化硅(SiO2),制成 SiC 器件。一般來講,柵氧化層(SiO2)質量的好壞對器件特性幾乎具有決定作用,因此對 SiC 的熱氧化正藝方法進行深入研究,具有十分現實的意義。

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