多层金属-n型4H-SiC的欧姆接触

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n型SiC的Ni基欧姆接触中C空位作用的实验证明

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Ti(20 nm) Al(30 nm) P型4H-SiC LDMOSFET 欧姆接触的改善

Keywords
4H-SiC, TLM, Ohmic Contact
文章引用: 裴紫微, 陈晨, 杨霏, 许恒宇, 张静, 万彩萍, 刘金彪, 李俊峰, 金智, 刘新宇. Ti(20 nm)/Al(30 nm)/P 型 4H-SiC LDMOSFET 欧姆接触的改善[J]. 智能电网, 2015, 5(6): 300-307. /10.12677/sg.2015.56036
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Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences, Beijing North China University of Technology, Beijing 3 State Grid Smart Grid Research Institute, Beijing Received: Dec. 5th, 2015; accepted: Dec. 18th, 2015; published: Dec. 30th, 2015 Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
关键词
4H-SiC，传输线方法，欧姆接触
1. 引言
21 世纪是科技飞速发展的世纪，具体到每一个科技领域诸如交通、军事、能源等基础设施，均迫切需要能够在高温、高压及高辐射等极端环境下高效率工作的电子器件。然而据目前所研究和了解的情况看，传统硅器件由于其自身限制，很难满足这些条件[1]。碳化硅(Silicon Carbide，简称 SiC)材料是第三代宽禁带半导体材料。4H-SiC 材料在室温情况下的禁带宽度为 3.28 eV，近似于硅(Si)的三倍，极大地提高了器件的工作电压。4H-SiC 材料的热导率为 4.5 W∙cm−1∙K−1，同样也是硅(Si)的三倍，降低了对冷却系统的需求。另外，SiC 材料的临界雪崩击穿电场强度是 Si 材料的 10 倍以上，使得 SiC MOSFET 相比于 Si MOSFET 导通电阻更小。开关电压更高、温度性能更好，特别适用于功率开关应用[2]。SiC 材料正是在这样的背景下以其优良的物理和电学性能进入了国内外研究者们的视野里。良好的欧姆接触是高压、大功率半导体器件领域应用的关键工艺技术之一。欧姆接触质量的好坏和接触电阻的大小直接影响着半导体器件的开关速度以及半导体器件的功率损耗。如图 1 所示， SiC LDMOSFET 器件结构上的源极和漏极均需要形成良好的 p 型欧姆接触。和 Si 材料相比，由于在 SiC 材

欧姆接触

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铜在硅和二氧化硅中都有很高的扩散率，这种高扩散率将破坏器件的性能。可淀积一层阻挡层金属，作用是阻止层上下的材料互相混合（见下图）。其厚度对 0.25µm 工艺来说为 100nm ；对 0.35µm 工艺来说为 400～600nm。
阻挡层金属铜
铜需要由一层薄膜阻挡层完全封闭起来，这层封闭薄膜的作用是加固附着并有效地阻止扩散。
熔点(C)
1412 1412 660 1083 3417 1670 2996 2620 1772
电阻率 (-cm)
109 500 – 525 2.65 1.678 8 60 13 – 16 5 10
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铝铜合金

由于铝的低电阻率及其与硅片制造工艺的兼容性，因此被选择为IC的主要互连材料。然而铝有众所周知的电迁徒引起的可靠性问题。由于电迁徒，在金属表面金属原子堆起来形成小丘（如图所示）如果大量的小丘形成，毗邻的连线或两层之间的连线有可能短接在一起。当少量百分比的铜与铝形成合金，铝的电迁移现象会被显著的改善。 Al-Si-Cu (0.5%)合金是最常使用的连线金属

由于在优化超大规模集成电路的性能方面，需要进一步按比列缩小器件的尺寸，因此在源 / 漏和第一金属层之间电接触的面积是很小的。这个小的接触面积将导致接触电阻增加。一个可提供稳定接触结构、减小源 / 漏区接触电阻的工艺被称为自对准硅化物技术。它能很好地与露出的源、漏以及多晶硅栅的硅对准。许多芯片的性能问题取决于自对准硅化物的形成（见下图）。

常用扩散阻挡层：TiN, TiW
较好的方法是采用阻挡层, Ti 或 TiSi2有好的接触和黏附性,TiN 可作为阻挡层
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2.铝的电迁移

（毕业论文）基于silvacotcad的4h-sic功率bjt器件仿真

基于Silvaco TCAD的4H-SiC功率BJT器件仿真[摘要] 碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料的代表,由于具有宽禁带、高击穿电场、高热导率等优异特性,使其在高温、大功率、高频、抗辐射等领域应用前景广阔,其研究广为关注。

在商用的SiC材料中,4H-SiC具有更高的体迁移率和更低的各向异性,使其更具优势。

大功率4H-SiC BJT是非常具有竞争力的器件种类,可以广泛应用于诸如航空航天、机车牵引、高压直流输电设备、混合动力车辆等国计民生的重要领域。

然而,4H-SiC BJT较低的击穿电压、低的共发射极电流增益、较低的频率响应以及较差的可靠性限制了其在功率系统领域的发展,也使得在这一方面的研究成为热点。

本文首先完善了碳化硅新材料在仿真器Silvaco-TCAD中的物理模型,这包括迁移率模型、禁带宽度变窄模型、杂质不完全离化模型、碰撞电离模型、SRH产生一复合模型与俄歇复合模型等。

然后,讨论了4H-SiC BJT器件制作的工艺流程,并对关键工艺如欧姆接触工艺、刻蚀工艺以及离子注入工艺等进行了简要的介绍。

研究结果表明,仿真器可以正确的模拟碳化硅新材料特性,提出的结构击穿电压由于在结终端处做了优化的终端处理和采用缓冲漂移层,具有更高的耐压能力,更低的功耗和反向泄露电流;采用的P型薄层基区加速了少子在基区的运动,提高了电流增益,所设计结构更能适用于大功率电力电子系统应用。

[关键词] 4H-SIC 功率BJT 器件物理 Silvaco-TCADResearchon4H-SICPowerBJTDevieeSimulationLin ChengNO.2010850060，Electronic science and technology,2014Information Engineering College of Jimei UniversityAbstract:As the representative of the third generation semiconductor material, Silicon Carbide (SiC) is the promising candidate in application of high temperature, high power, high frequency,anti-radiation fields because of its excellent properties such as wide-band gap, high breakdown field, high thermal conductivity. Among the commercially available SiC types, 4H-SiC is the most attractive one due to its higher bulk mobility, lower anisotropy. Continuous research has been done through past decades. High power4H-SiC BJT is very competitive in power device family, which is widely applied in both military and civilian use such as aerospace, traction, HVDC facility, HEV. However, the low blocking voltage, low current gain, low frequency response and weak reliability of 4H-SiC BJT restrict its application in power system.Firstly, the physics models of new materials in simulator Silvaco-TCAD were improved in the paper, including mobility model, band-gap narrowing model, doping incomplete ionization model, impact ionization model, SRH and Auger generation-recombination model;the simulation can be done successfully under the accurate physics models. Then the process flow was discussed, critical processes such as Ohmic contact, pattern etch process and ion implantation are also been discussed.Research results indicate that the simulator is accurate to simulate the SiC material characteristics, the new structure proposed is with blocking voltages 1450V, current gain 52,higher 45% and 30% than traditional structure 1000V and 40 respectively. And the peak electrical field decreases from 3MV/cm to 2.3MVlcm. At the same time, the novel structure is with lower power loss and reverse leakage current, can be applied better in high power system.Finally, the frequency response and power loss are discussed in detail according to physics analysis.Key words: 4H-SiC Power BlT Device Physics Silvaco-TCAD引言 (1)第一章绪论 (2)1.1课题研究背景及意义 (2)1.2碳化硅功率器件发展回顾 (2)1.3碳化硅功率BJT国内外研究现状 (4)1.4主要研究思想和研究内容 (4)第二章 SILVACO-TCAD软件 (5)2.1Silvaco-TCAD简介 (5)2.2Silvaco-TCAD器件仿真中的物理模型 (5)2.2.1 迁移率模型 (6)2.2.2 禁带宽度变窄模型 (6)2.2.3 杂质不完全离化模型 (6)2.2.4 碰撞电离模型 (7)2.2.5 SRH产生一复合模型与Auger复合模型 (8)2.34H-SIC功率BJT设计原则 (9)第三章基于SILVACO TCAD的4H-SIC功率BJT器件仿真 (12)3.1工艺流程 (12)3.2欧姆接触工艺 (13)3.3图形刻蚀技术 (13)3.4离子注入和退火 (14)3.5 器件仿真流程 (14)结论 (20)致谢语 (21)参考文献 (22)附录 (23)电子技术有两大分支,即微电子技术(Mieroelectronies)和电力电子技术(PowerEleetronics)。

SiC欧姆接触特性

SiC欧姆接触特性王平;杨银堂;郭立新;尚韬;刘增基【摘要】Multi-layer metal Ohmic contacts to 4H-SiC are investigated on the N+ ion implanted layer with 950℃ annealing in Ar for 25 minutes and the n type epitaxial layer with a carrier concentration of l.Ox 1019 cm-3 with 1 000℃ annealing in N2 for 2 minutes. The specific contact resistances obtained by the transmission line method (TLM) are 1.359×10-5Ω· cm2 and 3.44×10-6Ω·cm2, respectively. SIMS measurements show that the formation of the Ni silicide and the TiC facilitates to make the contacts become more Ohmic after annealing.%通过离子注入外延层实现高浓度掺杂和直接采用高掺杂外延层两种方法分别制备了4H-SiC欧姆接触,对应退火条件分别为( 950℃,Ar,30 min)和(1000℃,N2,2 rain).采用传输线法测试得到的比接触电阻分别为1.359×10-5Ω.cm2和3.44×10-6 Ω ·cm2.二次离子质谱分析表明,高温退火过程中镍硅化合物和TiC的形成有利于欧姆接触特性.【期刊名称】《西安电子科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(038)004【总页数】4页(P38-41)【关键词】4H-SiC;欧姆接触;二次离子质谱【作者】王平;杨银堂;郭立新;尚韬;刘增基【作者单位】西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,陕西西安710071;西安电子科技大学理学院,陕西西安710071;西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,陕西西安710071;西安电子科技大学理学院,陕西西安710071;西安电子科技大学宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,陕西西安710071;西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,陕西西安710071;西安电子科技大学综合业务网理论及关键技术国家重点实验室,陕西西安710071【正文语种】中文【中图分类】TN304.0紫外探测是继红外和激光探测之后发展起来的又一重要的光电探测技术，在医学、生物学和军事等领域都具有非常广阔的应用前景［1］．宽带隙半导体材料碳化硅(SiC)兼有高饱和电子漂移速度、高击穿电场、高热导率等特点，在高温、大功率、高频、光电子以及抗辐射应用时具有明显优势［1－2］．SiC光探测器对可见光及红外线辐射无响应，而对高频的紫外线辐射有明显的响应，因此非常适合于在红外及可见光背景下探测紫外辐射．另外，该器件的反向漏电流(即暗电流)很低，在300～400 nm的波长范围内具有较高的探测灵敏度，可以用来检测高温环境中的微弱紫外信号［1］．在对SiC紫外光探测器的研究中，制备高稳定性、低比接触电阻的欧姆接触是关键技术之一，欧姆接触质量的优劣直接影响器件效率、增益和可靠性等指标．如果欧姆接触的制备工艺不过关，将很难发挥出SiC材料的优异特性，所以欧姆接触的制备是SiC紫外光探测器件研究的重点和难点．欧姆接触是电流－电压为线性关系的金属－半导体接触，是金属和半导体整流接触的一种极限情况，通过特殊的工艺来调节势垒高度，从而使其实现欧姆接触．材料表面的载流子浓度、金属的选择、材料表面的预处理、热退火等都会影响SiC欧姆接触的比接触电阻的大小．目前已有这方面研究的报道，但实验结果稳定性不理想且数据移植性较差［3－4］，因此仍需要结合实际工艺对金属－SiC互制机理进行深入研究．基于多层复合金属结构，笔者对4H－SiC的欧姆接触工艺进行了实验研究，先后采用两种方法制作了4H－SiC欧姆接触，对由传输线法得到的比接触电阻进行了比较，并结合二次离子质谱(SIMS)对金属与N型4H－SiC接触面特性进行了分析．1 实验实验所用材料为美国Cree公司生产的4H－SiC外延片，样片1为(0001)面Si面P型4H－SiC外延片，晶向偏离〈0001〉方向8°11'(使得SiC外延层为层状生长)，N型衬底电阻率是0．019Ω·cm，掺Al的外延层厚2．0μm，掺杂浓度为2．0×1016 cm－3．第1步离子注入和高温退火设计．在上述4H－SiC材料上制备高质量的欧姆接触首先需要用离子注入形成N型阱区，然后进行欧姆接触的N+注入．笔者采用氮源注入，为了提高激活率和减少注入缺陷，采用400℃加温3次注入［5］．在设计氮离子的注入时，为了达到注入浓度分布的均匀，同样需要进行多次注入．综合考虑到减少表面损伤和提高N+接触层浓度的要求，注入次数为4次．经过离子注入模拟软件TRIM的仿真，注入的能量和剂量分别为:第1次注入离子注入能量140 keV，剂量5．24×1014 cm－2;第2次注入离子注入能量90 keV，剂量3．78×1014 cm－2;第3次注入离子注入能量40 keV，剂量2．57×1014 cm－2;第4次注入离子注入能量20 keV，剂量1．91×1014 cm－2．总剂量设计为 1．35×1015 cm－2，注入深度 0．211 μm，设计浓度=总剂量/注入深度=6．38×1019 cm－3，按9．8%的激活率，高温退火后的离化浓度约为6．26×1018 cm－3．高温退火温度为1600℃，氮气保护下退火时间为60min．第2步制备欧姆接触．首先对样片进行标准的RCA清洗，然后选用Ti/Ni/Au作为欧姆接触金属，淀积厚度分别为:Ti，25 nm;Ni，30 nm;Au，200 nm．在950℃及氩气保护下(气体流量为2×10－3 m3/min)，合金过程需30 min，样本结构参见图1．除了上面提到的离子注入制备欧姆接触电阻之外，笔者还对高纯半绝缘衬底3层外延4H－SiC材料(样片2:N型外延层厚度为0．25μm，载流子浓度为1．0×1019 cm－3)欧姆接触工艺进行了研究．制备过程中的清洗及制作TLM测试图形这两步工艺步骤都与样片1相同，选择的欧姆接触金属为 Ti/Pt/Au，对应的厚度分别为:Ti，30 nm;Pt，50 nm;Au，400 nm．合金过程采用1000℃条件下的快速热退火(Rapid Thermal Annealing，RTA)工艺，氮气气氛，用时2 min．图1 测试样片1纵向结构图图2 TLM测试图形2 测试结果与讨论2．1 比接触电阻的测试图2给出了离子注入制备SiC欧姆接触的TLM结构测试图形，图形间距Ln分别取10μm，15μm，20μm，25μm，30μm．通过测试可以得到每两个相邻的欧姆电极之间的电阻，此电阻称为总电阻．这种电阻与相邻电极间隙和离子注入区的方块电阻成正比，与电极的宽度成反比，由此可以计算出欧姆接触的比接触电阻、注入区的方块电阻等参数．由传输线模型的测试理论［6］，可以计算两个接触块之间的总电阻为其中，R C=R SK L T W;R SK为接触合金下半导体薄层的电阻;R SH 为体材料的薄层电阻;L T = (ρc R S K)1/2，为传输长度;W为欧姆接触宽度．在不同的接触距离Ln下，可测出一系列对应的Rn，因此可画出Rn～Ln曲线，如图3所示．若近似认为R SH=R SK，则图3中的2L T即为Rn～Ln曲线在Ln轴上的截距，由此可求出比接触电阻ρc为图3 TLM模型计算示意图需要注意的是，用TLM模型计算SiC欧姆接触的比接触电阻时，R T测试结果的精确与否对其影响很大，要通过多次测量取最小值的方法尽量消除测试探针和金属层间的电阻．图4给出了样片1及样片2各3组电阻测试值与接触间距之间的关系，对应拟合直线方程y=a+bx的参数值见表1．图4 样片1和样片2电阻值随间距的变化表1 拟合直线对应参数值样片拟合参数测试组A B C样片1 拟合参数a 51．376 43．014 34．838拟合参数 b 16．821 17．455 17．849样片2拟合参数a 24．739 22．471 21．568拟合参数b 26．152 26．715 27．038由表1中数据及公式(2)计算得到样片1及样片2比接触电阻分别为10－5Ω·cm2和10－6Ω·cm2量级，最小值分别为1．359×10－5Ω·cm2和3．44×10－6Ω·cm2．从实验过程分析，对样片1而言，离子注入退火后杂质分布通常是不均匀的，而为了保证注入有一定的深度，材料表面的浓度分布一般不在峰值位置，电激活率也较低，使得表面掺杂浓度有所降低，从而影响了欧姆接触特性;对样片2而言，N型外延层本身掺杂浓度较高，这是其比接触电阻值较小的一个关键原因．2．2 二次离子质谱分析取样片1对其合金区进行了二次离子质谱分析(SIMS)，见图5．图5中1、2和3对应于3个测试点，其中测试点1表面覆有一定厚度的氧化层，测试点2和3对应于同一种工艺的不同测试点，横坐标表示粒子束轰击时间，纵坐标表示每秒钟二次离子质谱计数量．可以看出，随着离子轰击时间的不断增加，Ti48计数量不断减少，从4×103次每秒减少到10次每秒时，基本上接近本底噪声．由此说明，Ti48含量随着测试时间的增加(即深度的增加)逐渐减少．在曲线的前端，Ti48的计数率甚至高于C12，这是因为在测试开始寻找对准点的时候，质谱仪的离子束就已经处于开启状态，在开始轰击到找准点来接收二次离子的这段时间内，其实已有一部分金属被轰击掉了，所以实际的曲线前端应该在零时刻之前．从图5中明显看出，开始计时以前Ti峰显著高于C12峰．另外，初始C12的计数量每秒较低，随着深度的增加，C12的含量逐渐增加并趋于稳定．从图5中还可看出，测试点1的Si28强度大于测试点2的，这主要与其表面覆盖有一定厚度的氧化层(SiO2)有关系．接触面内部有Ni(Ni58和Ni62)和Ti48存在，且对点1而言，在0～5 min这一时间段内Si信号的强度有所减弱;对测点2而言，界面处Si含量较低(考虑到实际的曲线前端应在零时刻之前这一因素)，表明Ni、Ti和SiC之间在高温下发生互熔，随着二次离子质谱测试时间的增加，金属计数量趋近于零．从固相反应的角度看:首先，镍硅化合物的形成引发了C原子析出和外扩散，在界面处产生了大量的施主C(V C)空位，降低了电子输运的有效势垒高度，从而形成了欧姆接触［7－8］．其次，在高温条件下，Ti和 C 这两种原子有可能发生反应，生成TiC，TiC具有很高的熔点和良好的热稳定性，其存在有利于欧姆接触特性．图6给出了样片1上不同位置在950℃退火后的表面形貌．可以看出，表面有部分金属析出，可能与实际的退火工艺有关，退火结束后，没有经过“淬火”的过程，而采用的是慢降温的方法，具体形成机制还有待以后进一步研究．图5 样片1多层金属与N型4H－SiC接触面的SIMS测试曲线3 总结通过离子注入4H－SiC实现高浓度掺杂和直接采用高掺杂4H－SiC外延材料两种方法分别制备了欧姆接触，结果较为理想．对于表面掺杂浓度较低的4H－SiC材料，可以采用离子注入的方法，但离子注入工艺较为复杂，成本较高;对于表面掺杂浓度较高的4H－SiC材料，可以采用高掺杂的方法，工艺较为简单，成本也相对较低．图6 样片1欧姆接触表面参考文献:［1］张军勤，杨银堂，卢艳．4H－SiC金属－半导体－金属结构紫外探测器的模拟与分析［J］．中国激光，2008，35(4):509－514．Zhang Junqin， Yang Yintang， Lu Yan．Simulation and Analysis of 4H－SiC Metal－Semiconductor－Metal Ultraviolet Photodetector［J］．Chinese Journal of Lasers， 2008， 35(4):509－514．［2］ Saptharishi S， Sriram S， Hagleitner H．High－gain SiCMESFETs Using Source－connected Field Plates［J］．IEEE Electron Device Letter，2009， 30(9):952－953．［3］ Petr M， Bohumil B．Improvement of 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碳化硅电子器件发展分析

碳化硅电力电子器件的发展现状分析目录在过去的十五到二十年中，碳化硅电力电子器件领域取得了令人瞩目的成就，所研发的碳化硅器件的性能指标远超当前硅基器件，并且成功实现了部分碳化硅器件的产业化，在一些重要的能源领域开始逐步取代硅基电力电子器件，并初步展现出其巨大的潜力。

碳化硅电力电子器件的持续进步将对电力电子技术领域的发展起到革命性的推动作用。

随着SiC单晶和外延材料技术的进步，各种类型的SiC器件被开发出来。

SiC器件主要包括二极管和开关管。

SiC二极管主要包括肖特基势垒二极管及其新型结构和PiN型二极管。

SiC开关管的种类较多，具有代表性的开关管有金属氧化物半导体场效应开关管（MOSFET）、结型场效应开关管（JFET）、绝缘栅双极开关管（IGBT）三种。

1.SiC器件的材料与制造工艺SiC单晶碳化硅早在1842年就被发现了，但直到1955年，飞利浦（荷兰）实验室的Lely才开发出生长高品质碳化硅晶体材料的方法。

到了1987年，商业化生产的SiC衬底进入市场，进入21世纪后，SiC衬底的商业应用才算全面铺开。

碳化硅分为立方相（闪锌矿结构）、六方相（纤锌矿结构）和菱方相3大类共260多种结构，目前只有六方相中的4H-SiC、6H-SiC 才有商业价值，美国科锐（Cree）等公司已经批量生产这类衬底。

立方相（3C-SiC）还不能获得有商业价值的成品。

SiC单晶生长经历了3个阶段, 即Acheson法、Lely法、改良Lely法。

利用SiC高温升华分解这一特性，可采用升华法即Lely法来生长SiC晶体。

升华法是目前商业生产SiC单晶最常用的方法，它是把SiC粉料放在石墨坩埚和多孔石墨管之间，在惰性气体（氩气）环境温度为2 500℃的条件下进行升华生长，可以生成片状SiC晶体。

由于Lely法为自发成核生长方法，不容易控制所生长SiC晶体的晶型，且得到的晶体尺寸很小，后来又出现了改良的Lely法。

改良的Lely法也被称为采用籽晶的升华法或物理气相输运法 (简称PVT法)。

N i 基n型SiC 材料的欧姆接触机理及模型研究

宽禁带半导体N i基n型Si C材料的欧姆接触机理及模型研究Ξ郭　辉ΞΞ　张义门　张玉明　吕红亮(西安电子科技大学微电子学院,西安,710071)　(教育部宽禁带半导体材料重点实验室,西安,710071)2006204228收稿,2006207224收改稿摘要:研究了N i基n型Si C材料的欧姆接触的形成机理,认为合金化退火过程中形成的C空位(V c)而导致的高载流子浓度层对欧姆接触的形成起了关键作用。

给出了欧姆接触的能带结构图,提出比接触电阻ΘC由ΘC1和ΘC2两部分构成。

ΘC1是N i硅化物与其下在合金化退火过程中形成的高载流子浓度层间的比接触电阻,ΘC2则由高载流子浓度层与原来Si C有源层之间载流子浓度差形成的势垒引入。

该模型较好地解释了n型Si C欧姆接触的实验结果,并从衬底的掺杂水平、接触金属的选择、合金化退火的温度、时间、氛围等方面给出了工艺条件的改进建议。

关键词:碳化硅;欧姆接触;退火;碳空位中图分类号:TN405 文献标识码:A 文章编号:100023819(2008)012042204I nvestigation of the M echan is m and M odel about N i BasedOh m ic Con tacts to n-type Si CGUO H u i　ZHAN G Y i m en　ZHAN G Yum ing　LV Hongliang(M icroelectronic S chool,X id ian U niversity,X i’an,710071,CH N)(K ey L ab.of M inistry of E d ucation f or W id e B and2g ap S e m icond uctor M aterials and D ev ices,X i’an,710071,CH N)Abstract:T he m echan is m of N i based ohm ic con tacts to n2type Si C is studied.T he creati on of carbon vacancies(V c)du ring h igh2tem peratu re annealing in the near2in terface regi on of the Si C allow increased electron to tran spo rt th rough the Scho ttky barrier,leading to ohm ic behavi o r of the con tact.A cco rding to the band structu re of ohm ic con tact,the specific con tact resistanceΘC con sists of tw o parts(ΘC1andΘC2).ΘC1occu rs betw een the con tact m etal and its underlying h igh ly doped sem iconducto r layer(N DC)after alloying.ΘC2is b rough t abou t by a barrier appeared due to the concen trati on difference betw een the N DC and N D in the Si C active layer.T h is m odel is u sed to exp lain the exp eri m en t resu lts and to op ti m ize the p rocess of the ohm ic con tact to n2type Si C.Key words:Si C;oh m ic con tact;annea l i ng;carbon vacanc iesEEACC:2530D;2550F;25201　引言碳化硅(Si C)材料的宽禁带、高热导率、高饱和电子速度,高击穿电场等特性决定了碳化硅器件可以在高温大功率下工作,在国民经济各方面具有广泛的应用。

欧姆接触

欧姆接触欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻，使得组件操作时，大部分的电压降在活动区(Active region)而不在接触面。

欧姆接触在金属处理中应用广泛，实现的主要措施是在半导体表面层进行高掺杂或者引入大量复合中心。

概述简介欧姆接触指的是它不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。

条件欲形成好的欧姆接触，有二个先决条件：（1）金属与半导体间有低的势垒高度(Barrier Height)（2）半导体有高浓度的杂质掺入(N ≧10EXP12 cm-3)区别前者可使界面电流中热激发部分(Thermionic Emission)增加;后者则使半导体耗尽区变窄，电子有更多的机会直接穿透(Tunneling)，而同时使Rc阻值降低。

若半导体不是硅晶，而是其它能量间隙(Energy Cap)较大的半导体(如GaAs)，则较难形成欧姆接触 (无适当的金属可用)，必须于半导体表面掺杂高浓度杂质，形成Metal-n＋-n or Metal-p+-p等结构。

理论1任何两种相接触的固体的费米能级（Fermi level）（或者严格意义上，化学势）必须相等。

费米能级和真空能级的差值称作工函。

接触金属和半导体具有不同的工函，分别记为φM和φS。

当两种材料相接触时，电子将会从低工函一边流向另一边直到费米能级相平衡。

从而，低工函的材料将带有少量正电荷而高工函材料则会变得具有少量电负性。

最终得到的静电势称为内建场记为Vbi。

这种接触电势将会在任何两种固体间出现并且是诸如二极管整流现象和温差电效应等的潜在原因。

内建场是导致半导体连接处能带弯曲的原因。

明显的能带弯曲在金属中不会出现因为他们很短的屏蔽长度意味着任何电场只在接触面间无限小距离内存在。

欧姆接触或肖特基势垒形成于金属与n型半导体相接触。

欧姆接触或肖特基势垒形成于金属与p型半导体相接触。

在经典物理图像中，为了克服势垒，半导体载流子必须获得足够的能量才能从费米能级跳到弯曲的导带顶。

4H-SiC器件欧姆接触及相关工艺研究

4H-SiC器件欧姆接触及相关工艺研究4H-SiC器件欧姆接触及相关工艺研究摘要:由于碳化硅（SiC）具有优异的物理特性，它在高功率电子器件中得到广泛应用。

然而，为了进一步提高器件性能，特别是减小接触电阻和提高接触电流，研究人员一直致力于提高4H-SiC器件的欧姆接触和相关工艺。

本文综述了4H-SiC器件欧姆接触和相关工艺的研究进展，包括欧姆接触材料的选择、工艺优化和表面修饰等方面的研究。

1. 引言碳化硅（SiC）由于其优异的物理特性，例如宽带隙、高电子饱和漂移速度和高热导率，已成为替代传统半导体材料的有力竞争者。

特别是在高功率电子器件中，SiC表现出了较低的导通损耗、较高的工作温度和较高的耐辐照能力，因此在电力电子、光电子和传感器等领域有着广阔的应用前景。

2. 4H-SiC器件欧姆接触的重要性在SiC器件中，欧姆接触是实现低接触电阻和高接触电流的关键因素。

传统的金属-半导体接触由于存在势垒高和介质损耗较大等问题，限制了器件性能的进一步提高。

因此，研究人员一直致力于改进和优化4H-SiC器件的欧姆接触。

3. 欧姆接触材料的选择在4H-SiC器件中，常用的欧姆接触材料包括重金属（如钴、铬、钼、铪）和合金（如Ti/Al、Ni/Al等）。

基于4H-SiC和金属之间的巨大晶格不匹配，重金属和合金常常需要退火和高温处理来提高接触质量。

此外，界面形成的金属硅化物（MSi2）也是影响欧姆接触性能的关键因素。

4. 工艺优化针对4H-SiC器件的欧姆接触，工艺优化也是提高接触质量和接触电流的重要手段。

通过调整退火温度、退火时间和退火气氛等参数，可以改善金属-半导体界面的晶格匹配和扩散效应。

同时，采用真空退火或低温气氛退火还可以减少氧化和碳化现象，提高欧姆接触的稳定性和可靠性。

5. 表面修饰另一种提高4H-SiC器件欧姆接触的方法是采用表面修饰技术。

例如，通过使用氟化氢等气体进行干法蚀刻，可以增加表面粗糙度和提高金属颗粒的粘附性，从而改善接触性能。

Ti-Al-4H-SiC_MOSFET欧姆接触电极研究

Ti-Al-4H-SiC_MOSFET欧姆接触电极研究Ti/Al/4H-SiC MOSFET欧姆接触电极研究摘要：Ti/Al/4H-SiC MOSFET是一种新型的金属-氧化物-半导体场效应晶体管，其性能受到欧姆接触电极的影响。

本研究通过实验和分析，对Ti/Al/4H-SiC MOSFET的欧姆接触电极进行了研究。

关键词：Ti/Al/4H-SiC MOSFET，欧姆接触电极，半导体材料，性能引言金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）是现代电子器件中最重要的一种。

其中，SiC材料由于其优异的热稳定性、高电子迁移率和较高崩溃电压而成为一种理想的半导体材料。

Ti/Al/4H-SiC MOSFET是一种新型的MOSFET结构，其性能受到欧姆接触电极的影响。

实验方法本研究选取了一批Ti/Al/4H-SiC MOSFET样品进行实验研究。

首先，将样品进行清洗和表面处理，以确保表面的纯净度和光滑度。

然后，在样品上制备欧姆接触电极，使用电子束蒸发法在Ti/Al/4H-SiC MOSFET的源极和漏极处制备金属电极。

最后，通过电学测试，测量欧姆接触电极的电阻和导通特性。

结果与讨论通过实验，我们发现Ti/Al/4H-SiC MOSFET的欧姆接触电极在高温和高电流密度下具有良好的稳定性和导电特性。

这是由于Ti和Al金属与4H-SiC材料之间的较低接触电阻和较高的热稳定性。

此外，我们还发现了一些影响欧姆接触电极性能的因素，如金属薄膜的厚度、沉积温度和退火温度等。

通过合理选择这些参数，可以进一步优化Ti/Al/4H-SiC MOSFET的性能。

结论本研究通过实验和分析，对Ti/Al/4H-SiC MOSFET的欧姆接触电极进行了研究。

结果表明，Ti/Al/4H-SiC MOSFET的欧姆接触电极具有良好的导电特性和稳定性。

这为进一步优化Ti/Al/4H-SiC MOSFET的性能提供了重要的参考和指导。

尽管本研究取得了一些进展，但仍然存在一些问题需要进一步解决。

n型4H-SiC半导体欧姆接触研究的开题报告

TiC/n型4H-SiC半导体欧姆接触研究的开题报告开题报告题目：TiC/n型4H-SiC半导体欧姆接触研究一、选题背景由于4H-SiC材料本身的优异特性，如高熔点、高硬度、高热稳定性、高电子迁移率、宽禁带等，使得其被广泛应用于高温高压下的电子器件中。

但是，与其它半导体材料相比，4H-SiC材料存在着困扰着其应用的问题，如缺陷密度大、较差的晶质质量、表面粗糙度高等。

因此，如何研究并提高其电子器件的性能是相关研究的重点之一。

其中，欧姆接触是半导体器件中最基本也是最重要的环节之一。

TiC/n型4H-SiC 半导体欧姆接触是近年来研究的热点之一，对于提高4H-SiC半导体器件的性能有着重大意义。

二、选题意义TiC作为一种在4H-SiC半导体材料中常用的电极材料，因其优异的化学稳定性、高导电性和低能带结构而备受研究者们的关注。

而n型4H-SiC半导体材料，由于其强烈的电荷极化和表面电磁场的形成，使其与金属电极形成欧姆接触的过程变得相对复杂。

因此，研究TiC/n型4H-SiC半导体欧姆接触的形成原理及其电学性质，对于深入理解欧姆接触的物理机制、解决4H-SiC半导体器件的制备工艺问题具有十分重要的意义。

三、研究内容本项目主要研究TiC/n型4H-SiC半导体欧姆接触的主要形成机理及其电学性质。

具体内容包括以下三个方面：1. 研究TiC与n型4H-SiC半导体表面反应的机理，包括反应热力学和反应动力学方面的研究。

2. 通过制备一系列TiC/n型4H-SiC电极，探究其欧姆接触的电学性质，如接触电阻、线性程度、热稳定性等方面的研究。

3. 分析欧姆接触电学性质与接触界面微结构的关系，研究其影响因素及其物理机制。

四、研究方法本项目将综合运用材料合成、物理电学、电化学等交叉性学科的知识和方法，具体研究方法包括以下几种：1. 4H-SiC样品的制备和选取：通过碳化硅晶体生长技术，在四面体晶系统中制备高质量的4H-SiC单晶材料样品。

TiCn型4H-SiC半导体欧姆接触研究的开题报告

TiCn型4H-SiC半导体欧姆接触研究的开题报告一、研究背景：4H-SiC半导体作为具有极高能带能隙的材料，在高温、高电压、高频等极端环境下具有独特的优点，因此在汽车、军事、航空等领域的应用中备受关注。

而欧姆接触是半导体器件中不可或缺的一个技术，具有影响器件性能的关键作用。

因此，对4H-SiC半导体中欧姆接触的研究具有重要的理论和实际意义。

二、研究目的与意义：本研究旨在研究TiCn型4H-SiC半导体中欧姆接触的性能和机理，包括接触电阻、界面反应、电流输运等方面的研究，为4H-SiC半导体器件的应用和制造提供理论和实验基础。

三、研究内容：1. TiCn型4H-SiC半导体的制备和表征。

2. 欧姆接触性能的测试和分析，包括接触电阻、退火温度对接触性能的影响等方面的研究。

3. 界面反应和结构分析，研究界面反应的机理和界面结构的演化规律。

4. 电流输运机理研究，研究欧姆接触中载流子的输运过程和寿命等方面的问题。

四、研究方法：1. 采用物理气相沉积（PVD）技术制备TiCn型4H-SiC半导体。

2. 采用电子束蒸发技术制备欧姆接触电极，使用四探针法测试接触电阻。

3. 采用X射线光电子能谱（XPS）和扫描电镜（SEM）等表征手段分析界面反应和结构。

4. 使用恒流源测试欧姆接触输运过程，研究载流子的输运过程和寿命等方面的问题。

五、预期成果：1. TiCn型4H-SiC半导体的制备和表征结果。

2. 欧姆接触性能测试结果，包括接触电阻、退火温度对接触性能的影响等方面的研究。

3. 界面反应和结构分析结果，研究界面反应的机理和界面结构的演化规律。

4. 电流输运机理研究结果，研究欧姆接触中载流子的输运过程和寿命等方面的问题。

5. 研究结论和对4H-SiC半导体欧姆接触研究的理论和实践意义的探讨。

SiC上Ti_Ni_Au多层金属的欧姆接触特性

SiC上Ti_Ni_Au多层⾦属的欧姆接触特性第12卷第6期功能材料与器件学报V o l 12,N o 62006年12⽉J OURNA L O F FUNCT IONA L M ATER I ALS AND DEV ICESD ec .,2006⽂章编号:1007-4252(2006)06-498-03收稿⽇期:2005-12-05; 修订⽇期:2006-01-25基⾦项⽬:部委预研项⽬(N o .41308060105).作者简介:杨银堂(1962-),男,博⼠,教授,博导,西安电⼦科技⼤学微电⼦研究所所长,教育部宽禁带半导体材料与器件重点实验室主任,主要从事新型半导体材料与器件以及VLS I 设计⽅⾯的研究⼯作(E -m a i:l y t yang@x i dian .edu .cn).S i C 上T i/N i/Au 多层⾦属的欧姆接触特性杨银堂,贾护军,李跃进,柴常春,王平(西安电⼦科技⼤学宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室,西安710071)摘要:采⽤T i/N i/Au 多层⾦属在⾼掺杂n 型4H -S i C 外延层上制作了欧姆接触测试图形,通过传输线法(T rans m ission L i n eM et h od ,TL M )测量得到的最⼩⽐接触电阻为1.4!10-5c m 2,经500#N 2⽼化后接触电阻⼤约有⼀个数量级的增加并保持稳定。

关键词:碳化硅;欧姆接触;离⼦注⼊;传输线法中图分类号:O484 ⽂献标识码:AOh m ic contact property of T i/N i/Au on n -type 4H -SiCYANG Y in tang ,JI A H u j u n,LI Yue ji n ,C HA I Chang chun ,WANG P i n g (Key laboratory o fW BG Se m iconductor M ateria ls and dev ices o f Education M i n istry ,X idian U niversity ,X i ?an 710071,Ch i n a)Abst ract :Ohm ic contacts w ere prepared by usi n g T i/N i/Au mu lti-layer m eta l on n-type 4H -S i C ep i -layer high l y doped by N+i o n i m plantati o n .Specific contact resisti v ities (e c )w ere m easured by transm issi o n line m ethod (TL M )and a lo w est e c o f 1.4!10-5c m 2is ob tained .The contact resisti v ities increase at the beg i n n i n g of the 500#anneali n g ,and do not vary m uch after 12h annea li n g .K ey w ords :silicon carb i d e (Si C );ohm ic anneali n g contac;t i m p lantation;trans m ission line m ethod1 引⾔⽬前,Si C 材料本⾝优越的物理化学和电学特性⼀直未能在器件和电路研制中得以很好的发挥主要是因为部分关键器件⼯艺⽅⾯尚未得到突破性的进展[1,2]。

n型4H-SiC欧姆接触的研究的开题报告

n型4H-SiC欧姆接触的研究的开题报告题目：n型4H-SiC欧姆接触的研究背景和意义：4H-SiC是一种具有良好电学特性的半导体材料，最近被广泛应用于功率半导体器件制造领域，如MOSFET，JFET，IGBT和Schottky二极管等。

欧姆接触（Ohmic contact）是半导体器件中非常重要的一部分，其特性直接影响到整个器件的性能。

然而，4H-SiC与金属之间的欧姆接触是非常复杂的，受到多种因素的影响，例如表面清洁度、金属物种、金属/半导体结合面的反应和温度等。

因此，研究n型4H-SiC欧姆接触的性能和机理，对于进一步优化和改进功率半导体器件的性能具有重要的意义。

研究内容和方法：本研究旨在探究n型4H-SiC与不同金属之间欧姆接触的形成机制和特性，其具体内容包括：1.使用热蒸发法制备不同金属（如Ni，Ti，Au等）的联系电极。

2.通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等技术，分析欧姆接触结构的形貌和物理学特性，以及金属/半导体界面反应的机理。

3.利用测量仪器研究欧姆接触结构的电学性能，如伏安特性、接触电阻和电流传输机制等。

预期成果：通过本研究，预计可以得到如下成果：1.针对各种金属的欧姆接触性能展现出的特点，分析各种金属对n型4H-SiC的影响，总结其优缺点。

2.探究不同金属/半导体界面的反应及其对欧姆接触形成的贡献，从理论上解释欧姆接触形成的机制。

3.分析欧姆接触结构的电学性能，为提高功率半导体器件的性能提供相关信息。

参考文献：1. Taniguchi M et al. Formation of Ohmic Contacts to n-Type 4H–SiC Using Ni, Ni/Ti, and Ni/Ti/Al Films[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2000, 39(2S): L143-L145.2. Cai K, Zhang Y, Li Z. A review of studies on ohmic contacts to 4H-SiC[J]. Journalof Semiconductors, 2013, 34(3): 030401.3. Khalid M, Ali M, Umar A. Investigation of ohmic contacts and Schottky barrier diodes on n-type (0001) 4H-SiC[J]. Arabian Journal of Science and Engineering, 2016, 41(10): 4357-4365.。

4H-SiC MOS结构工艺与电学特性研究

大连理工大学硕士学位论文4H-SiC MOS结构工艺与电学特性研究姓名：马继开申请学位级别：硕士专业：物理电子学指导教师：王德君20071201４Ｈ－－ＳｉＣＭＯＳ结构工艺与电学特性研究度的降低而逐渐减弱【２１１１２２１。

图２．５【２３Ｊ给出的界面态密度分布对比则更加清楚地说明了选择不同原子密度的晶面制作ＭＯＳ电容对降低界面态密度的作用。

在其他的一些文献中【２４ｌ＋嘲，通过制作三种晶面材料的ＭＯＳＦＥＴ器件，并测量有效的沟道迁移率，发现在（０３３８）晶面上制作的器件的沟道迁移率最大１２１１１２４］，达到了在（１压ｏ）晶面上制作的器件的２倍【捌，而事实上在（１１２０）晶面制作的器件的沟道迁移率已经达到了在（ｏ００１）晶面上制作的器件的５倍【２７ｌ。

２．３．２通过不同退火工艺实现界面性能的提升在Ｓｉ工艺中，也存在着氧化后热处理的工艺，其原理主要是通过将氧化后的材料在Ｈ２或Ａｒ、Ｈｅ等惰性气体的气氛中进行退火，通过使界面处的原子在高温下进行重结晶来达到减少悬挂键和扭曲键，进而降低界面态密度的目的。

但在ＳｉＣ工艺中，由于悬挂键不再是产生界面态的主要原因，所以以上的方法对于降低界面态密度的作用并不明显，于是采用一些特殊的退火工艺来实现降低界面态密度的目的，成为单元工艺改进的一个重要的研究方向。

（１）二次氧化退火（ＲｏＡ）工艺所谓二次氧化退火是指在正常的氧化过程结束之后，在保护气中保持原温度或稍微降低（升高）温度，随后再通入氧气进行第二次氧化。

在对ＳｉＣ进行二次氧化退火时，实际上是在进行着两种氧化过程：一方面，ＲＯＡ是一个氧化已有的氧化层中没有被完全图２．６热氧化与不同温度ＲＯＡ的侧剖面示意图Ｆｉｇ．２．６ＣｒｏｓｓｓｅｍｔｉｏｎｏｆｓａｍｐｌｅｓｗｉｔｈｗｅｔＲＯＡｕｎｄｅｒｖａｒｉｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ大连理工大学硕士学位论文（ａ）ｌＥ面掩膜板单元电极图形（单位：“ｍ）正面掩膜扳实际电极图形图３．４上Ｅ面掩膜扳Ｆｉｇ．３．４Ｔｈｅｆｏｒｗａｒｄｍａｓｋ一１９４Ｈ－－ＳｉＣＭＯＳ结构工艺与电学特性研究厂Ｘ—ｎ＜。

4H-SiC MESFET的反应离子刻蚀和牺牲氧化工艺

4H-SiC MESFET的反应离子刻蚀和牺牲氧化工艺研究柏松，韩春林，陈刚（南京电子器件研究所，南京 210016）摘要：对于栅挖槽的4H-SiC MESFET，栅肖特基接触的界面经过反应离子刻蚀（RIE），界面特性对于肖特基特性和器件性能至关重要。

反应离子刻蚀的SiC表面平滑度不是很好，刻蚀损伤严重，选择合适的RIE刻蚀条件减小刻蚀对半导体表面的损伤；利用牺牲氧化改善刻蚀后的表面形貌，进一步减小表面的刻蚀损伤。

工艺优化后栅的肖特基特性有了明显改善，理想因子接近于1。

制成的4H-SiC MESFET直流夹断特性良好，饱和电流密度达到350mA/mm。

关键词：4H-SiC；MESFET；反应离子刻蚀；牺牲氧化；肖特基势垒Reactive Ion Etching and Sacrificial Oxidation Processes in the Fabrication of4H-SiC MESFETsBAI Song，HAN Chun-lin，ChEN Gang（Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing 210016, China）Abstract: For gate recessed 4H-SiC MESFETs, the Schottky gate is formed on a plasma etched surface. The quality of the surface is crucial to the Schottky contact properties and the device performance. In this study, sacrificial oxidation is used as a post-etch treatment to reduce surface roughness and etch damage. Etch damage is also reduced by using proper RIE settings. Optimized etch conditions and surface treatment result in improved Schottky-contact characteristics and excellent DC performance of the 4H-SiC MESFETs.Key words: 4H-SiC; MESFET；reactive ion etching；sacrificial oxidation；Schottky contact1 引言SiC是一种高稳定性的半导体材料，无法对其进行常规的湿法刻蚀，只能采用干法刻蚀的方法。

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9H N >9@816<V N C 9:F J C [K F B @9I N >6J C A >[?6<@!N ?N @C N L L N >A 7??6B <6C A >976V<9@N @?F J >9>6J [?F >?@C A 9?6?E 9H 9<D 76VH F 7A 96L ?E 9I 9?F 7V 6<\L A J >?N 6J 'R !!(8/@@A >E !?E 9L 6>6J [?F >?6JE N K E 7D C 6B 9C*N %@A :@?<F ?9<9_A N <9@F JF J [J 9F 7N J K B <6>9@@F ?E N K E ?9I B9<F ?A <9@"$##&R !##c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