碳化硅場效應器件的模型及關(guān)鍵工藝技術(shù)研究.pdf

1、新型寬禁帶半導體材料SiC兼有高飽和電子漂移速度、高擊穿電場、高熱導率等特點，在高溫、大功率、高頻、光電子、抗輻射等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。作為最重要的SiC器件，SiC場效應器件(主要指SiC金屬—半導體場效應晶體管，MESFET和金屬—氧化物—半導體場效應晶體管，MOSFET)以及基于MOS技術(shù)的SiCCMOS電路更是受到了廣泛的關(guān)注。 雖然目前碳化硅材料、場效應器件技術(shù)已取得很大的進展，但在理論模型及器件工藝方面仍有較多問

2、題亟待解決。理論上，從器件物理的角度出發(fā)，建立和完善SiC場效應器件模型，以利于器件結(jié)構(gòu)和電路設計，是目前SiC理論研究需要解決的問題。工藝上，受到實際水平的限制，即使在制造設備較為發(fā)達的國外，研究文獻表明器件的制造工藝仍處于研發(fā)階段，具體的工藝環(huán)節(jié)也在摸索之中。國內(nèi)關(guān)于SiC基礎(chǔ)工藝的研究剛剛起步，鑒于工藝條件和實踐經(jīng)驗上的限制，需要對SiC場效應器件關(guān)鍵工藝技術(shù)進行實驗研究以獲得大量的工藝數(shù)據(jù)。 本文重點對SiCMESFET

3、、MOSFET及CMOS倒相器特性進行了模型研究，并從實驗的角度對影響SiC場效應器件特性的三個關(guān)鍵工藝—歐姆接觸、氧化和刻蝕進行了系統(tǒng)研究，主要工作如下： (1)基于對6H-SiC自身能帶結(jié)構(gòu)的分析以及各向同性弛豫時間近似法，采用三橢球等能面、拋物線性簡化，建立了適于模擬n型6H-SiC電子霍耳遷移率和霍耳散射因子的解析模型，精確描述了不同散射機制對于6H-SiC低場電子輸運特性的影響；用系綜蒙特卡羅法(EnsembleMon

4、teCarlo，EMC)對高場條件下6H-SiC中的電子輸運進行了數(shù)值模擬。得出了穩(wěn)態(tài)條件下電子平均漂移速度、平均能量、能量馳豫時間、c軸方向碰撞電離率同高電場的關(guān)系以及電子橫向漂移速度在不同階躍電場強度下的瞬態(tài)變化規(guī)律。 (2)從器件內(nèi)部載流子輸運機理出發(fā)，考慮到載流子的凍析效應、漏源串連電阻的影響，在場致遷移率、速度飽和效應的基礎(chǔ)上，得到了能夠較好模擬4H-SiCMESFET器件直流I-V特性和小信號參數(shù)的解析模型。建模中對

5、飽和工作模式進行分析時采用了兩區(qū)模型的思想，因此對短柵SiCMESFET的特點給了更清晰的描述。該模型具有物理概念清晰的優(yōu)點，算法也較為簡單，能夠較精確地分析器件特性，充分體現(xiàn)了SiC材料和器件結(jié)構(gòu)的物理特性，因此非常適于SiCMESFET器件預研和電路設計的應用領(lǐng)域。 (3)在經(jīng)典薄層電荷模型的基礎(chǔ)上，計入雜質(zhì)不完全離化及界面態(tài)電荷的影響，建立了較為準確且適于6H-SiCMOSFET所有工作區(qū)的統(tǒng)一的漏電流、跨導以及漏電導解析

6、模型。表面勢的計算是建立模型的關(guān)鍵，主要通過解析求解一維泊松方程及牛頓-拉夫森迭代實現(xiàn)。該解析模型對于雜質(zhì)不完全離化及界面態(tài)電荷對于器件特性的影響給出了清晰的理論分析，并具有計算準確的優(yōu)點，不僅為制備SiCMOSFET器件的實驗提供了設計手段，同時也為使用SiCMOSFET器件提供了理論基礎(chǔ)。 (4)運用二維器件仿真軟件MEDICI首次建立了適于6H-SiCCMOS倒相器的電路模型，建模中考慮了SiC特殊的材料性質(zhì)及界面電荷等因

7、素的影響，對相關(guān)的模型進行了修正，使得研究結(jié)果較為合理，從器件物理的角度反映了SiCCMOS倒相器工作的機理。 (5)針對碳化硅場效應器件研究中的具體工藝環(huán)節(jié)，立足于國內(nèi)現(xiàn)有條件，對歐姆接觸、氧化和干法刻蝕三種關(guān)鍵工藝進行了實驗研究。 歐姆接觸方面，通過離子注入4H-SiC和直接采用高摻雜4H-SiC外延材料兩種方法制備了歐姆接觸，運用歐姆接觸測試圖形TLM結(jié)構(gòu)歐姆接觸進行了測試，得到了比接觸電阻的大小(分別為～10-5

8、和～10-6Ω·cm2量級)。并進行了二次離子質(zhì)譜(SIMS)分析。 氧化方面，通過對6H-SiC干氧和濕氧氧化特性的比較，得到了氧化層厚度與氧化時間、溫度、氧化氣氛之間的關(guān)系，為進一步改善氧化工藝，提高SiC柵氧化層質(zhì)量提供了實驗依據(jù)。 刻蝕方面，以Cl2+Ar為刻蝕氣體，采用感應耦合等離子體(ICP)刻蝕工藝，研究了不同工藝參數(shù)如氣體流量、壓力、線圈功率等對4H-SiC刻蝕速率的影響。對刻蝕后的樣品表面進行了原子力顯