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1、摘 要 摘摘 要要 本文对 SiC 离子注入和欧姆接触进行了深入的研究。本文从金属半导体接触 的实验过程入手，阐述了本文所建立的 SiC 欧姆接触模型所涉及到的半导体器件 物理理论，包括金属半导体肖特基接触理论、Nn 异质结理论和 nn+理论。 根据大量的实验文献，研究了金属半导体界面在高温退火过程中发生的反应 和生成物，分别对 p 型和 n 型的 SiC 欧姆接触的载流子输运机理进行深入的研究， 提出了说明 p 型和 n 型欧姆接触形成的能带模型，即渐变异质结结构模型，并且 对本文所提出的模型使用器件模拟软件 ISE TCAD 进行了二维 I-V 特性模拟验证， 对 n 型和 p 型 SiC
2、 欧姆接触提出了统一的物理模型。在 p 型和 n 型 SiC 欧姆接触 的已有工艺基础上，进行欧姆接触制造工艺的改进，以期达到良好的稳定性。对 欧姆接触的制造和工艺具有一定的指导意义。 按照前面对 SiC 欧姆接触模型的研究，设计了相关的实验。在介绍实验流程 之前，首先介绍了 SiC 中的杂质、离子注入技术、离子注入存在的问题，以及离 子注入后的退火过程中，所涉及到的退火掩膜问题。然后详细研究了 SiC 欧姆接 触制造工艺中的关键工艺流程，最后介绍了刚刚流片结束的实验流程和实验结果， 实验取得了良好的结果。 比接触电阻的测试是评价所制造的欧姆接触水平的一个重要手段。本文最后 介绍了欧姆接触比接
3、触电阻的各种测试方法，探讨了最常用的矩形 TLM 法和其他 一些常用的测试方法，比较了各种测试方法在欧姆接触比接触电阻测试中的优缺 点，对最常用的矩形 TLM 法引入的误差进行了分析并讨论了修正方法。 关键词： 关键词：离子注入 欧姆接触 传输线模型 Abstract Abstract In this paper, the characteristics of ion implantation and ohmic contact of SiC are deeply investigated. This thesis expatiates all the physics of the SiC o
4、hmic contacts models, which have been developed by experiments, include metal-semiconductor schottky contact theory, Nn heterojunction and nn+ theory. Based on abundance of experiment literature, the reaction between the metal and semiconductor interface in the process of high temperature annealing
5、has been studied. The carrier transportation mechanism of p-type and n-type SiC are investigated respectively, and the energy band model to explain ohmic contacts to p-type and n-type has been presented, that is gradual change heterojunction model. At last, the device simulator ISE TCAD has been use
6、d to validate the model with two dimension I-V characteristic simulation, and the unify model of SiC ohmic contacts to p-type and n-type SiC has been derived. Experiment has been design after the study of SiC ohmic contacts model. First, ion implantation technology, problems in the ion implantation
7、and annealing cap in the annealing process after ion implantation have been introduced. Then the main steps of SiC ohmic contacts technology have been proposed. The experiment flow and result has been presented at the last, good result has been got from the experiment. The specific contact resistanc
8、e obtained from measurement is an important parameter to evaluate the level of fabricates ohmic contacts. At the last of this thesis, some measurement methods for ohimc contacts specific contact resistance have been introduced. The rectangle transmission line model and some other test patterns have
9、been studied and some comments are made for their comparison. Also, the error analysis about rectangle transmission line model and modify method have been discussed. Key words: Ion implantation Ohmic contact Transmission line model 创新性声明创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中
10、所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期： 关于使用授权的声明关于使用授权的声明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；
11、学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密的论文在 解密后遵守此规定) 本人签名： 日期： 导师签名： 日期： 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究意义及存在的问题 碳化硅（SiC）材料是自第一代元素半导体材料（Si）和第二代化合物半导体 材料（GaAs、GaP、InP 等）之后发展起来的第三代宽带隙（WBS）半导体材料。 SiC 材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高电子饱和漂移速度等特 点，从表 1.1 的各材料的性能参数1的比较中，我们可以看出 SiC 材料在高温、高 频、大功率方面的表现优于其他材料，因而具有十分诱人的优势
12、，许多国家相继 投入了大量的资金对 SiC 进行了广泛而深入的研究，在射频功率器件，大功率器 件，光电器件等方面研究已经取得重大进展。 表 1.1 室温下几种半导体材料特性的比较 类 型 Si GaAs 6H-SiC 4H-SiC 3C-SiC 禁带宽度 /eV 1.1 1.42 3.0 3.26 2.3 击穿场强(掺杂 1017cm-3) / MVcm-1 0.6 0.6 3.2 3 1.5 电子迁移率(掺杂 1016cm-3) /cm2(Vs)-1 1100 6000 200-300 800 750 空穴迁移率(掺杂 1016cm-3) /cm2(Vs)-1 420 320 60 115
13、40 饱和电子漂移速度 /cms-1 107 107 2107 2107 2.6107 热导率 /W(cmK)-1 1.5 0.5 4.9 4.9 5.0 随着科学技术的发展，越来越多的领域如航天、航空、石油勘探、核能、通 信等，迫切需要能够在高温及辐射等极端环境下工作的电子器件2, 3, 4,。表 1.2 列 出了这些领域中当前和未来对电子器件的温度要求5。 表 1.2 当前与未来半导体器件工作温度的比较 应用领域 当前工作温度（） 未来工作温度（） 可靠性（小时） 汽车电子 125140 165250 10,000 航空 125 200 10,000 航天 300 500 10,000-3
14、0,000 石油钻井 175 175 10,000-30,000 地热开发 200 250260 10,000-30,000 功率电子 125 250500 10,000-30,000 众所周知，硅器件难以在高于 250C 的高温下运行，特别是当高的工作温度、 大功率、高频、及强辐射环境条件并存时，硅器件就更无法“胜任” 。因此，在寻 2 碳化硅离子注入和欧姆接触模型研究 求高温工作的器件的同时，研制高频、大功率、抗辐射能力强的半导体器件成为 90 年代以来微电子领域研究的热点之一6, 7。 SiC 材料的宽禁带使得其器件能在相当高的温度下（500C 以上）工作以及具 有发射蓝光的能力；高击穿
15、电场决定了器件的高压、大功率性能；高的饱和电子 漂移速度和低介电常数决定了器件的高频、高速工作性能；高热导率意味着其导 热性能好，可以大大提高电路的集成度8，减少冷却散热系统，从而大大减少整机 的体积。此外 SiC 具有很高的临界移位能，这使它具有高的抗电磁波冲击和高的 抗辐射破坏的能力，SiC 器件的抗中子能力至少是 Si 器件的 4 倍。表 1.3 总结了 SiC 材料的未来应用领域3。这些都表明 SiC 作为第三代半导体是目前发展最成熟 的宽禁带半导体材料，其优异性能决定了它会在航天、航空、石油勘探、核能及 通信等极端领域发挥重要应用。 表 1.3 SiC 材料的应用领域 特 性 器 件
16、 应 用 高温电子器件和集成电路 各种高温环境 短波长发光器件（蓝、绿光） 全彩色显示 蓝光激光二极管 高密度数据存储 紫外光敏二极管 发动机监测、控制 抗辐射器件 核战场、核电、宇航 宽带隙 异质结器件 各种电子系统 高性能功率器件 电子控制系统,节能系统 高压器件 电力电子系统 高击穿场强 高密度 IC 封装 各种电子系统 微波器件 相控阵雷达、通讯、广播 高电子漂移速 度 高速器件 军用系统、数据处理 高集成度 IC 各种电子系统 高热导率 良好热耗散的大功率器件 卫星、航空系统 SiC 材料有 200 多种晶型，由于只有 4H、6H 容易获得体材料，所以在器件运 用中 SiC 晶型的选择一般限制在 4H、6H 晶型。又因为 4H-SiC 的禁带宽度更宽 （3.26eV） 、迁移率高、具有较好的各向同性。在掺杂为 1016cm-3条件下，4H-SiC
