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1、碳化硅器件制作关键技术与工艺集成xxx摘要：碳化硅(Silicon Carbide, 简称 SiC)作为一种宽禁带半导体材料，不但击穿电场强度高、热稳定性好、还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，在高温、高频、大功率器件和集成电路制造领域有着广阔的应用前景。本文综述了 SiC 器件制作过程中关键工艺研究的最新进展，如掺杂、刻蚀、氧化以及欧姆接触，介绍了器件中结终端技术的应用与发展，最后从工艺集成的角度分析了器件制作过程中热学兼容性、力学兼容性以及异质兼容等问题。关键词：碳化硅；器件工艺；结终端技术；工艺集成Abstract: Silicon Carbide (SiC) has outst
2、anding properties such as high saturated electron 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
3、development of SiC processes are reviewed, 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 compatib
4、ility issue are discussed.Keywords: Silicon Carbide; process; Junction Termination Extension; Process Integration1. 引言在众多的半导体材料中，碳化硅(Silicon Carbide, 简称 SiC)以其良好的物理和电学性能成为继承锗、硅、砷化镓之后新一代微电子器件和电路的半导体材料。表 1 列出了几种重要半导体材料的基本特性比较，从中我们可以看出 SiC与传统的半导体材料相比所具有的优越性。表 1 室温下几种半导体材料特性的比较 1-10半导体材料 Si GaAs 3C-SiC
5、4H-SiC 6H-SiC Dimond禁带宽度(ev) 1.1 1.4 2.2 3.26 3.0 5.45击穿电场(MV/cm) 0.3 0.4 1.2 2.0 2.4 5.6热导率(W/cmK) 1.5 0.5 4.5 4.5 4.5 20介电常数 11.9 12.8 9.6 10 9.7 5.5电子迁移率(cm 2/v.s)ND=1016cm-3 1350 8500 900/c 轴：1190c 轴：950/c 轴：60c 轴：4001900SiC 材料的宽禁带使得其器件能在相当高的温度下工作以及具有发射蓝光的能力；高临界击穿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
6、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，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抗辐射能力，SiC 器件的抗中子能力至少是 Si 器件的 4 倍。图 1 SiC 器件的广泛应用如图 1 所示，SiC 的这些优良的特性使其在高温、高频、大功率、抗辐射半导体器件等方面的应用倍受青睐，是实现高温与高功率、高频及抗辐射相结合的理想材料，并成为最具潜力的第三代宽禁带半导体材料之一 11-12。2. SiC 器件的研究进展鉴于 SiC 器件广阔的应用前景，国内外开展了广泛的研究工作。在众多因素
7、中，高质量的 SiC 厚外延层以及大尺寸的 SiC 晶圆成为制约 SiC 器件发展的主要因素，而这些都可以部分归结于 SiC 中存在着的大量缺陷。随着 SiC 材料生长工艺的进展，在近年来 SiC 技术在减少缺陷密度上取得中长足的进步。图2 显示了 SiC 在材料质量以及晶圆尺寸上取得的成果 13。其中微管缺陷密度上看，从上个世纪 90 年代发展到 2005 年，已经从10 cm-2 减少到1800 C)大大超过标准器件工艺的条件，传统的扩散掺杂工艺已经不能用于 SiC 的掺杂是最基本的器件工艺，主要靠离子注入和材料制备过程中的伴随掺杂来满足制造碳化硅器件的需要。外延掺杂可利用 SiC 源气体
8、流量变化,使掺杂浓度控制在从轻掺杂(110 14 cm-3)到简并掺杂(110 19 cm-3)的范围。在碳化硅材料的气相生长过程中，n 型掺杂一般用电子级纯度的氮做掺杂剂，p 型掺杂一般使用三甲基铝。离子注入是唯一一种可以对 SiC 进行选择性区域掺杂的技术。SiC 的密度比 Si 大，要产生相同的注入深度，SiC 需要更高的注入能量。离子注入工艺追求的目标即高的激活率、光滑的表面以及较少的缺陷，因此高温退火工艺是一个关键的工艺。SiC 主要的 n 型杂质和 p 型杂质分别是 N 和 Al，因为它们可以在 SiC 禁带中产生相对较浅的施主和受主能级。在对 SiC 进行 N 离子注入后对晶格的
9、损伤用退火的方式比较容易消除。而对 SiC 进行 Al 离子注入后，由于铝原子比碳原子大得多，注入对晶格的损伤和杂质处于未激活状态的情况都比较严重，往往要在相当高的衬底温度下进行，并在更高的温度下退火。这样就带来了晶片表面 SiC 分解、硅原子升华的问题。残留碳如果能形成石墨态碳膜，会对阻止表面继续分解起一定作用。因此，尺寸与碳比较相当的 B 也成为常用的 p 型注入杂质。目前通过大量的实验 24-26，已经对 SiC 的各种离子注入掺杂进行了深入的研究，逐步解决了制约 SiC 离子注入应用的激活率不高，缺陷多等问题。3.2 SiC 的等离子体刻蚀由于 SiC 键强度高、化学稳定性好，因此采用
10、湿法刻蚀是不可行的。因此各种干法刻蚀方法得到了广泛的关注和研究。其中反应离子刻蚀(RIE)是一种很重要的刻蚀方法，但其刻蚀速率较慢。以感应耦合等离子体(ICP) 为代表的各种新型高密度等离子体刻蚀技术由于具有刻速快、选择比高、各向异性高、刻蚀损伤小、大面积均匀性好、刻蚀断面轮廓可控性高和刻蚀表面平整光滑等优点,逐渐被应用于 SIC 器件制作中。SiC 的等离子体刻蚀通常采用氟化气体和氧气的混合气体 27-30，如 CHF3/O2、 CBrF3/O2、 CF4/O2、SF 6/O2、NF 3/O2 及氟化气体的混合气体，如CF4/CHF3、 SF6/CHF3、NF 3/CHF3、SF 6/NF3
11、，也有部分研究采用 Cl229与HBr31作为 SiC 主刻蚀气体。SiC 的等离子体刻蚀速率可达到 1.5 m/min32。等离子体刻蚀具有高度各向异性，在大多数情况下，刻蚀速率随输入射频功率的增加而增加。为使刻蚀后无残余物，可在氟化气体和氧气中加氢气，或采用含氢的氟化气体混合物，但这种方法将降低刻蚀速率和各向异性。由于刻蚀产生的刻蚀损伤同样会对器件的性能产生影响，如刻蚀面的晶格损伤所带来的表面态密度增加会对器件的功率及频率性能都会造成负面影响 33。而刻蚀工艺后可能造成沟道区损伤过大形成刻蚀尖峰，造成表面态密度增大，使表面耗尽层增加有效沟道电流减小。高的表面态密度还会使栅的有效势垒高度降低
12、，栅调制能力下降。在非栅下区(指栅源间距和栅漏间距区域) 可造成源漏电阻的增加，而在整个沟道区可造成横向迁移率等重要参数的变化，表面刻蚀形成的尖峰在高压工作时会成为电场集中区，大大降低器件的击穿电压。通过增加 ICP 系统的衬底偏压和 ICP 功率，增加等离子体密度可实现了低损伤的刻蚀。不同器件结构也会对刻蚀产生不同的要求 34。对于功率器件和用于器件隔离的沟槽刻蚀，要求高腐蚀速率和高度各向异性；对于 UMOS、HBT、晶闸管，则严格要求无残余物刻蚀，以便制作金属接触；对 MOS 器件，关键是改善 SiC与 SiO2 的界面质量。3.3 金属-SiC 接触金属-SiC 接触基本可以分为两大类：
13、欧姆接触和肖特基接触。在 SiC 器件的实现过程中，低的欧姆接触电阻是各种半导体器件能够稳定工作的基本条件。对于在高温、高频和大功率领域有着广阔应用前景的碳化硅场效应器件而言，更是如此。首先，对于欧姆接触的形成来讲，接触区域的高掺杂是非常必要的。其实，用于形成欧姆接触中，金属对于 n 型欧姆接触，最常见的金属是 Ni。通过高温快速合金(1000 C, 15 min)形成碳化物及硅化物，基于镍化硅的 n 型欧姆接触，目前的比接触电阻达到低于 510-6 cm2( 6H-SiC,掺杂浓度为 71018 91018cm-3)35。而对于 p 型 SiC，肖特基势垒高度的值更大，因此，形成欧姆接触比在
14、 n 型 SiC 上更困难。目前采用的主流仍然是 Al 基欧姆接触，如Al/Ti36等。除主要求低导通电阻外，SiC 器件由于其苛刻的工作环境，还要求欧姆接触具有热稳定性，而 Ti 基与 Ni 基接触在 600C 氧化气氛和高达 1000 C 的惰性环境中仍然能够保持长期的稳定性 37,38。3.4 结终端技术在 SiC 功率器件中，由于结的不连续，以及在结的边角存在曲率，从而导致表面电力线密集，结的外边电场强度比体内高等现象，这将严重地影响功率器件的反向击穿特性。结终端技术能够有效的缓解结外边沿电场集中效应，从而提高器件击穿电压。图 5 SiC 器件终端技术分类如图 5 所示为碳化硅功率器件
15、的主要结终端技术，根据结构的不同可以分为边缘延伸结构与刻蚀台面结构。其中结终端扩展技术(Junction Termination Extension, 简称 JTE) 最早由 Temple 于 1977 年提出 39，目前已经成为较常用的结终端技术，其主要优点是工艺实现简单、对结深的要求没有保护环高、提高击穿电压的效率很高，且具有较小的器件面积。2003 年 Zhao 等人 40 利用刻蚀的方法在 P 型的外延层上刻出多层 JTE 区域，制作出基于多级结终端扩展(MJTE)结构的 4H-SiC 肖特基二极管，击穿电压达到 10kV。且在制作过程中不需要离子注入和高温退火，对材料的晶格损伤小，可
16、以准确的控制 JTE 区域的电荷量，实现较高的击穿电压。2012 年 Zhang 等 41采用负倾角 JTE 技术制作出用于脉冲功率应用的 p 型 SiC GTO，其面积为 1 1 cm2，反向击穿电压为 12 kV。4. SiC 器件的工艺集成SiC 在恶劣环境下所具有的优越性能同时也使得 SiC 器件在制作过程中工艺难度的增加。尽管各项单道工艺在几近来已经取得了很大的进步，但是从工艺集成的角度仍然面临诸多挑战。首先，SiC 器件在制作过程中涉及到多步高温工艺。如离子注入后的为了实现杂质离子的激活需要进行高温退火，其温度可达到 1600 C；同时为了实现更低的电阻值，在欧姆接触形成过程中，也同样需要在高温条件(500 C1550 C)下进行退火处理。因此，在 SiC 工艺集成的过程中，首先必须考虑到工艺的热学兼容性问题。其次，在 SiC 器件的制作过程中，力学兼容性也是一个重要方面，特别是不同材料之间的晶格不匹配以及热膨胀系数的差异将会产生
