SiC工艺发展现状

SiC工艺发展现状随着SiC体材料相继商品化，SiC工艺，如掺杂、氧化及欧姆接触工艺，都日趋成熟．这些工艺的发展为SiC器件的研制及应用奠定了坚实的基础。由于SiC键强度高、硬度大，杂质在SiC中的扩散需要在高于1800℃的温度下进行，这大大的超出了标准器件工艺的温度条件，所以在SiC器件的制作工艺中掺杂不能通过扩散来实现，只能利用外延掺杂和离子注入掺杂来实现。其中外延掺杂可以利用SiC源气体的流量变化，使掺杂浓度控制在轻掺杂到简并掺杂的浓度范围内。丙烷和硅烷是典型的SiC外延掺杂气体源。而离子注入掺杂是SiC器件制造过程中的一步至关重要的工艺。目前，n型离子注入掺杂中N离子的注入与激活已经基本实现，激活浓度可以大于1×1019cm-3。而p型掺杂相对比较困难，仍然是研究的热点问题。典型的p型掺杂元素有Al和B，Al的电离能小于B的电离能，注Al所要求的激活温度比注B要低，但B的原子质量比Al的要轻，引起的注入损伤小，并且在同等的注入能量下注入的深度大。可以根据器件的具体工艺要求来选用合适的注入离子。为了能有效的激活杂质需要在离子注入后进行高温退火。而退火过程中SiC表面保护是一个很重要的问题，在1600℃以下进行退火，可以在SiC表面淀积一层AlN，这是一种简单可行的方法，退火后AlN可以用磷酸去除。另一种耐高温掩膜是碳（C），由于C在大于1600℃时不会发生如同AlN一样明显的蒸发而使其成为一个很好的掩膜选择，而且由于其制作工艺相对简单，因此成为目前被普遍接受的SiC高温退火表面保护掩膜材料.SiC是唯一一种能通过热氧化生成SiO2的化合物半导体。由于绝缘层的介电常数接近或高于衬底的介电常数，很多情况下功率MOS器件的击穿电压都是受限于绝缘层的击穿电场，所以功率器件工艺发展的难题之一就是栅氧的可靠性问题。如今，SiC/SiO2界面质量差是阻碍SiCMOSFET进一步发展的最大障碍。高密度的界面态以及高温退火所产生的表面粗糙是造成SiCMOS器件反型层载流子迁移率过低的主要原因，界面态电荷对载流子的库仑散射作用，以及界面粗糙所带来的表面附加散射都会导致SiCMOSFET反型层载流子迁移率的严重退化。界面态密度的大小成为评估氧化层界面质量高低的重要因素之一，可以通过氧化方式以及氧化后的退火方式来提升氧化层的界面质量。目前比较主流的氧化方式有：干氧氧化、湿氧氧化以及干湿干氧化。干氧氧化可以得到致密均匀的氧化层；湿氧氧化的氧化速率较快，可以用来形成厚氧；而干湿干氧化可以在氧化层的致密性以及厚度上均达到要求。可以根据对氧化层的具体性能要求来选择最合适的氧化方式。而氧化后退火在界面性能提升上起到了至关重要的作用。常规的氧化后退火通常是在Ar、N2氛围中进行，而现在出现了一种新型的退火方式：二次氧化退火（ROA），它既是一个氧化界面处残留的碳的过程，又是一个进一步氧化界面处的碳化硅的过程。在较低的温度下除碳占主导地位，在较高的温度下进一步氧化碳化硅占主导地位。目前还有很多的研究表明，使用氮氧化合物来进行氧化后退火对界面性能有很大的改善，N原子与Si原子结合的同时，O原子与界面处的C原子相结合，可以有效地减少界面处的碳原子团的存在。研究表明，在NO中进行退火,4H-SiC的界面态密度可以低至2×1010eV-1·cm-2。目前，SiCMOSFET沟道电子迁移率仍然很低，Sei-HyungRyu等人研制的10kV的SiCDMOSFET的沟道有效电子迁移率只有22cm2/V·s。要想提高反型层载流子迁移率不仅需要降低界面态密度，还必须降低表面粗糙度。而离子注入以及高温热退火是造成表面粗糙的最主要的原因。研究表明：如果高温退火时不对SiC表面进行任何保护，由于Si的升华和再淀积（产生Si，Si2C，SiC2等结构）会在SiC晶片表面产生沟状的表面结构，经过1600度左右的高温退火后，表面粗糙度会增加10倍以上。目前被普遍认可的一种SiC高温退火方式是在具有多晶SiC内衬的高纯石墨坩埚的保护下进行，在退火的过程中在坩埚中放人高纯的SiC粉末，在富Si的蒸汽氛围中进行退火，可以减少Si的升华和再淀积，从而降低表面粗糙度。SiC功率器件工艺发展的又一难题是欧姆接触问题。通过大量的研究，欧姆接触的制造已经日趋成熟。SiC欧姆接触金属的选择范围很广，有Cr，Ni，TiN，TiAl，Mo，WMo，AuTa，TiAu，Ta，WTiNi，TiC等金属或合金。最常用的n型欧姆接触金属是Ni，通过高温（1000℃，1~5分钟）快速合金形成碳化物和硅化物，其比接触电阻可以低至4.90×10-6Ω·cm2，采用厚度为150/150/100nm的Al/Ti/Au合金制造欧姆接触，其比接触电阻可以低至2.80×10-6Ω·cm2。而p型欧姆接触的形成比较困难，由于金属与p型SiC之间存在的肖特基势垒高度较大，所以为了形成良好的欧姆接触需要表面重掺杂，而p型重掺杂很难形成，所以需要获得好的p型欧姆接触较为困难。p型SiC的欧姆接触常采用Al或AlTi合金，但由于Al易氧化、易挥发，所以用Al来制作欧姆接触并不理想。研究表明，采用厚度分别为30/70/100nm的Al/Ti/Au结构可以获得很好的欧姆接触，其比接触电阻可到达1.40×10-5Ω·cm2。虽然SiC体材料已经商品化，然而离SiC器件的大规模实用化还有一定的距离，以下问题的解决是SiC器件实现实用化的关键：（1）在SiC材料生长技术中，芯片质量及尺寸都迫切需要提高；（2）在SiC离子注入工艺中，注入杂质的激活有待提高；（3）在欧姆接触方面，p型欧姆接触的热稳定性有待提高；（4）在栅氧的制造过程中，MOS器件的界面质量有待进一步提升。随着这些问题的解决，SiC器件必将成为21世纪半导体工业中的最有潜力的新起之秀。