离子注入制备4H-SiC器件及其温度特性研究

【摘要】：碳化硅(SiC)材料具有热导率高、电子的饱和速度大、击穿电压高等优点，是制备高温、大功率、高频等半导体器件的理想材料。由于杂质在SiC中的扩散系数很小，离子注入掺杂是除了外延掺杂以外的唯一可行的方法，离子注入工艺的良好解决有助于SiC材料的进一步推广应用，使SiC器件的制备更加灵活。在高温肖特基二极管(SBD)器件和金属半导体场效应晶体管(MESFET)器件的制备方面，离子注入具有使制备工艺简单、降低成本等优点。目前，国内外在SiC材料的研制、器件的制备方面发展较快，一系列制约SiC材料应用的瓶颈问题正逐步得到解决，但是SiC材料的离子注入工艺仍然存在较多的问题，如注入缺陷的消除、激活率的提高等问题有待于研究解决。在理论方面，随着离子注入制备工艺的使用，器件特性的分析、模型的建立等问题急需加以解决，本研究对离子注入制备4H-SiC器件及其温度特性进行了系统的理论和实验研究，研究内容及结果如下。 由于界面层、表面态的存在，实际的SBD器件的势垒高度受界面层、表面态的影响很大。目前对这两个参数没有很好的提取方法，严重妨碍着对器件特性的分析和模型的建立。本研究在热电子发射模型的基础上，提出了一种简单提取4H-SiC SBD器件特性参数的理论模型，基于这个模型，对制备的Ti／4H-SiC SBD器件，可以计算得出理想因子、串联电阻、零电场势垒高度、表面态浓度、界面层电容、表面态中性能级等参数。本方法的特点是模型较为简单，可以计算出4H-SiC SBD器件的界面层电容，表面态中性能级等参数，这些参数的提取未见报道。 SiC材料是宽禁带半导体，杂质的电离能较大，在室温下杂质是非完全离化。对4H-SiC施主掺杂(掺氮)的非完全离化进行了研究，引入电场强度对杂质的离化率的影响(PF效应)，通过计算给出了完全离化、非完全离化考虑PF效应和非完全离化不考虑PF效应等情况下的4H-SiC MESFET器件的夹断电压随温度的变化。给出了一种计算4H-SiC MESFET夹断电压的精确模型，考虑杂质的非完全离化、界面态、反向漏电流等的影响。给出了考虑非完全离化时的4H-SiC MESFET栅电容的C-V特性，并计算了温度的影响。 通过研究离子注入的理论和工艺特性，以及蒙特卡洛分析软件TRIM对氮离子注入4H-SiC的能量、深度和偏差等参数的分析，在注入层的能带理论分析的基础上，提出了计算离子注入4H-SiC MESFET器件的沟道深度的方法，以及离子注入工艺参数，包括能量、剂量的确定方法。给出了两种离子注入的设计方案，即三次、四次离子注入，以及欧姆接触区的离子注入设计。说明了注入掩膜层SiO_2 离子注入制备4H一SIC器件及其温度特性研究 的厚度的计算方法，并给出了各次离子注入的掩膜层厚度。设计了一种离子注入 制备4H一SIC SBD器件、MESFET器件的版图，包括:SBD器件、MESFET器件、 欧姆测试TLM图形、HALL图形、标记等。 在大量查阅文献并结合国内制备条件的基础上，确定本实验采用的欧姆接触 和肖特基接触的制备方案。设计了离子注入制备4H一SIC器件的基本工艺流程。 在国内现有的条件下，研究了离子注入制备4H一SIC欧姆接触、SBD器件和 MESFET器件，摸索出了可行的制备工艺条件和完整的用离子注入制备SIC器件 的工艺流程。 运用欧姆接触测试图形TLM结构对欧姆接触进行了测试，得到了三次和四 次离子注入的欧姆接触的比电阻、注入层的方块电阻。测试了SBD器件的I一V和 C一V特性，得到三次和四次离子注入层上习4H一siC SBD的势垒高度、激活率。测 试了离子注入MESFET器件的I一V特性。在分析实验结果和工艺条件的基础上， 总结了实验的不足，并给出了改进的措施。 用热电子发射理论对T订4H一SIC SBD器件的I一V特性进行模拟，得到三次和 四次离子注入层上T订4H一siC SBD的势垒高度、理想因子和串联电阻等参数。建立 了离子注入层上制备的Ti/4H一siC SBD器件的C一V特性模型，理论模拟时考虑沟 道的离子注入分布、器件的非完全离化、PF效应等的影响，得到了与实验曲线符 合较好的模型。在分析物理模型的基础上，对离子注入4H一siC MESFET器件的I一v 特性进行了理论分析，得到了器件的解析模型。用模型分析了激活率、衬底掺杂 浓度、温度等因素对器件特性的影响。 关键词:碳化硅金属半导体场效应晶体管肖特基二极管表面态 非完全离化退火离子注入半导体工艺