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)012042204
I nvestigation of the M echan is m and M odel about N i Based
Oh m ic Con tacts to n-type Si C
GUO 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 ies
EEACC:2530D;2550F;2520
1　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。

而在高温大功率应用时,欧姆接触的低电阻率和稳定性是决定器件性能的两个关键因素。

对于Si C材料来讲,常见杂质在Si C中的扩散系数极低,在合金化的过程中几乎不可能像Si、GaA s
第28卷　第1期2008年3月
固体电子学研究与进展
R ESEA RCH&PRO GR ESS O F SSE
V o l.28,N o.1　
M ar.,2008　
Ξ
ΞΞ联系作者:2.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60376001);973项目(2002CB311904)资助
等半导体那样靠合金中的掺杂剂掺入来提高界面的掺杂浓度[1],这为欧姆接触的形成带来了很大的困难,严重制约了Si C器件发展。

目前n型Si C基的欧姆接触通常采用N i金属淀积在重掺杂(>5×1018c m-3)的Si C上进行高温退火(>900°C)来得到,但是比接触电阻结果参差不齐,而且可重复性差,特别是欧姆接触形成的机理及模型还不够清楚,无法指导制作欧姆接触的工艺过程。

文中针对N i基n型Si C材料的欧姆接触的形成机理进行研究,提出了比接触电阻构成的模型,利用该模型对典型的实验结果进行了解释,并对工艺提供了改进依据。

2　欧姆接触形成机理及实验证明
退火中形成的N i的硅化物特别是N i2Si曾被认为是N i基n型Si C欧姆接触形成的关键所在。

在上述观点的指导下,直接使用N i的硅化物,或者使用N i、Si分层淀积进行退火来形成N i的硅化物,以期达到降低形成欧姆接触的退火温度并减少退火中造成的缺陷的目的。

根据能带理论,N i的硅化物的功函数在416～510eV,Α型Si C的亲合势是3108～410 eV,那么N i2Si n型Si C界面的肖特基势垒高度<B应该在016eV左右[2,3]。

而通过实验结果计算得到的N i硅化物 n型Si C界面的肖特基势垒高度<B是0135～014eV[4],两者存在很大差异。

由于计算中采用载流子浓度的是退火前使用H all测试得到的,所以可以推测势垒高度差异主要是因为退火的过程中接触区的有效载流子浓度增加造成的。

Si C的掺杂水平是不可能在退火的过程中大幅度增加的,因为杂质在Si C中的扩散系数极低,在合金化的过程中几乎不可能靠合金中的掺杂剂掺入来提高掺杂浓度。

但是,Si C材料中的C空位(V C)对电子来说是起施主作用,而Si空位(V Si)是起受主作用。

V C的离化能在导带以下015eV,而V Si是在价带以上0145eV[5]。

在高温合金化退火时,N i基金属和Si C的互相反应可以导致C原子外扩散,在接触金属层下的区域形成大量的V C。

因为V C起施主的作用,会导致接触下面电子浓度的增加,因此电子输运的耗尽层宽度减薄,同时有效隧道势垒降低,导致了比接触电阻的降低,这是N i基n型Si C欧姆接触形成的主要原因,这一点已经得到了实验证实[6,7]。

为了验证N i基n型Si C的欧姆接触的形成是因为大量V C的出现,作者进行了实验验证。

实验是在C ree公司的Si面抛光,8°偏轴,受主浓度为1.2×1016c m-3p型4H Si C外延片上进行的。

采用P+离子550°C注入,并在A r气氛围中1650°C退火15m in 得到N阱。

首先采用3nm T i、200nmN i依次蒸发淀积在整个N阱的表面,采用L ift2off工艺剥离后进行了1050°C15m in的退火。

之后使用H F∶HNO3(1∶3)溶液选择性刻蚀去除接触区的金属和硅化物,刻蚀区表面的XED S测试表明金属和硅化物的刻蚀是彻底的。

重新淀积3nm T i、200nmN i,进行TLM 测量,结果在没有合金化退火的情况下依然形成了欧姆接触,比接触电阻值为6152×10-48・c m2,并且注入层的方块电阻减少了55%[8]。

实验证明硅化物在欧姆接触的形成过程中并没有起到关键性的作用,同时第二次淀积金属后,不经退火直接形成欧姆接触,说明有效载流子浓度必然大幅度增加,使得耗尽层宽度和有效隧道势垒对电子输运的阻碍大大减少,方块电阻的减少也是因为有效载流子浓度的增加导致的。

这些实验结果和前面的结论是一致的。

3　能带结构图及比接触电阻构成
N i基n型Si C欧姆接触的界面区能带图可以分成三个区域(图1),第一个区域即是Si C衬底区,其载流子浓度即为退火前材料的载流子浓度N D (c m-3);第二个区域是合金化退火之后由于N i基金属和Si C的互相反应形成的含有大量V C的高载流子浓度区,浓度为N DC(c m-3);第三个区域即金属与第二区之间的势垒区。

从图1中可以很明显地看出,当电子从金属层移向Si C内部,将会越过<1(eV)和<2 (eV)两个势垒,因此比接触电阻ΘC也应该是两个势垒引起的电阻ΘC1与ΘC2之和。

图1　n型Si C形成的欧姆接触能带图
F ig.1　Energy band diagram of ohm ic contact to n2type
Si C
Θc1的大小视N DC的大小而由热电子场发射(T FE)或由场发射(FE)两个模式所确定,在良好欧
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　1期郭　辉等:N i基n型Si C材料的欧姆接触机理及模型研究
姆接触的情况下与N DC及势垒<1有如下关系[9]:
Θc1∝exp q<1
E∞
(1)
参考能量E∞=h
2N DC
m3Εs
1 2
(2)
m3是有效质量,Εs是介电常数,h是约化普朗克常数。

ΘC2是由1区和2区之间的高低结势垒引起的。

在高低结的界面有载流子扩散,存在载流子浓度的分布,这个结厚度在几个德拜长度(L D)之内,其在外加电场下的多子输运与n+2半绝缘结的多子输运类似[10]。

Θc2与1区载流子浓度N D和2区N DC及电子态密度N C有如下近似关系[1]:
Θc2～N C
N DC N D
(3)当衬底浓度大于N C达到兼并时,Θc2与N D无关,势垒<2将会消失,Θc将主要由Θc1决定,即由退火中产生的C空位的数量来决定;当衬底浓度小于N C,势垒<2将会出现并随着浓度的减少势垒高度逐渐增加,如果欧姆接触的其他工艺条件足够好,在退火中产生了足够的C空位(N DC较大)或者产生的势垒<1足够的低,那么相对于Θc2,Θc1比较小,Θc将主要由Θc2决定;当然,如果欧姆接触做的比较差,则是Θc1和Θc2共同对比接触电阻Θc起作用。

4　实验结果及工艺条件的讨论
决定欧姆接触制作结果的因素主要有以下几个方面:(1)衬底的掺杂水平;(2)接触金属的选择;(3)合金化退火的温度、时间、氛围等。

根据上面讨论的结果,衬底的掺杂水平(N D)越高,越是有利于欧姆接触的形成,因此制作低比接触电阻的n型Si C欧姆接触,提高材料的掺杂浓度很重要。

因为外延材料的高掺杂浓度受到一些条件的限制,选择性的离子注入掺杂成为提高欧姆接触区载流子浓度的重要手段[8,11,12]。

N i基金属是目前制作n型Si C欧姆接触的常用金属,因为N i对于C原子从Si C表面析出有催化的作用[13],从而能够提高退火中产生的C空位的数量。

基于同样的原因,Co也被大量使用,T i、W等有催化作用的金属也被尝试用来制作n型Si C的欧姆接触。

值得注意的是,m etal Si n2Si C的接触结构被越来越多地采用,Si层的存在对C原子的析出起到了促进的作用。

同时,根据文中的模型,增加退火中C空位的数量只是降低Θc1的途径之一,能否降低<1的势垒高度也是选择金属的重要条件。

N iSi作为电学特性良好的硅化物,相对于N i金属和Si C反应生成的N i2Si可以和n型Si C形成较低的势垒高度,比较能兼顾C空位的产生和势垒的降低,并且和目前的成熟Si工艺有很好的兼容性,是一种有吸引力的欧姆接触材料[14]。

基于降低势垒的出发点,直接淀积形成势垒较低的新材料制作欧姆接触[15],或者试图降低势垒甚至于形成反阻挡层[12]都有报道。

合金化的温度、时间和氛围等工艺条件都是围绕降低Θc1的降低,即根据有利于C空位的产生以及势垒的降低的原则来确定的。

N i基n型Si C的合金化温度通常在900°C以上,因为这个温度以上才会出现大量的C空位[5]。

采用m etal Si n2Si C的接触结构可以先较低温度退火反应生成硅化物以降低势垒,然后高温退火来生成足够的C空位[16]。

退火的时间也需要根据具体的金属结构优化,时间过短会导致反应不完全,过长则导致反应结果的变化。

如高温退火时间过长,析出C原子过多的话,虽然C空位足够的多,但是界面处会形成无定型C层,阻碍比接触电阻的降低[13]。

合金化退火中合金层的被氧化是绝对需要避免的,因此退火的氛围多采用A r或者N2中添加少量的还原性气体H2(体积含量1%～10%)[4,16,17]。

在退火前金属表面淀积A u等不易氧化的金属作为退火中的抗氧化层也是一种可供选择的方案[18]。

5　结 论
对N i基n型Si C材料的欧姆接触的形成机理进行研究,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到了关键作用。

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是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的。

如果退火前的Si C中载流子浓度小于有效态密度,且当退火过程中形成的C空位足够多,高载流子层的浓度足够高时,Θc1会很小,比接触电阻主要由Θc2来决定,Θc取决于退火前的载流子浓度;如果退火前的载流子浓度大于有效态密度则比接触电阻由Θc1来决定,这时比接触电阻将取决于高载流子层的浓度即C空位,而与退火前的载流子浓度无关。

在该模型的基础上对大量的实验结果进行了解释,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
44固　体　电　子　学　研　究　与　进　展28卷　
围等方面给出了工艺条件的改进建议。

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郭　辉(GUO H ui)　男,1978年生,西安
电子科技大学微电子学院博士生,现从事
Si C器件和工艺研究。

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