碳化硅材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)




寬禁帶半導(dǎo)體材料(Wide Band Gap Semiconductor，簡(jiǎn)稱 WBGS)是一種繼代硅、鍺和第二代砷化鎵、磷化銦等材料以后發(fā)展起來的新型的第三代半導(dǎo)體材料。碳化硅（SiC）是第三代半導(dǎo)體材料的杰出代9）表。目前，碳化硅材料技術(shù)已經(jīng)非常成熟，高質(zhì)量的 4 英寸晶圓已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化，6 英寸晶圓也已經(jīng)推出。另一種第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵材料，由于難以制備氮化鎵襯底，其外延材料只能在其他材料上實(shí)現(xiàn)異質(zhì)外延，其熱導(dǎo)率只有碳化硅的四分之一，因此不適合制作高壓大功率器件。碳化硅材料的優(yōu)異特性使其特別適合在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用。


SiC 材料的禁帶寬度將近是硅的 3 倍，擊穿電場(chǎng)是硅材料的 8 倍，大地提高了 SiC 器件的耐壓容量和電流密度。要達(dá)到相同的擊穿電壓，SiC 器件所需的耐壓層厚度為 Si 器件的 1/10，其導(dǎo)通電阻只有硅器件的 1/100～1/200，大地降低了 SiC 器件的導(dǎo)通損耗。大的禁帶寬度使 SiC 器件可以在 250℃～600℃的工作溫度下保持良好的器件特性。SiC 的熱導(dǎo)率是硅的三倍，達(dá) 4.9W/cm?℃。優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，可以大大提高電路的集成度，減少冷卻散熱系統(tǒng)，使系統(tǒng)的體積和重量大大降低，并在高溫條件下長時(shí)間穩(wěn)定工作。由于功率密度大，器件的面積小、工作層薄，電容和儲(chǔ)存電荷少，可以實(shí)現(xiàn)高的開關(guān)速度而且開關(guān)能耗小，因此高功率 SiC 器件可以工作在較高的頻率下。與硅元件構(gòu)成的電源模塊相比，SiC 電源模塊的開關(guān)功耗約為原來的 1/4，總功耗降低 1/2。而在相同的功耗的情況下，開關(guān)頻率是原來的 4 倍。碳化硅具有多種異形晶體，其中 4H-SiC 晶體具有禁帶寬度大、臨界場(chǎng)強(qiáng)高、熱導(dǎo)率高、載流子飽和速率高等特性，適合電力電子器件應(yīng)用。碳化硅電力電子系統(tǒng)因而非常適合高功率、高頻功率、高溫和抗輻照的應(yīng)用?；谔蓟桦娏﹄娮悠骷碾娋W(wǎng)系統(tǒng)在效率、可靠性、體積和重量方面的性能會(huì)有大幅度提高，尤其是在惡劣的環(huán)境中。另外，SiC 具有更高的臨界移位能（45～90eV），這使得 SiC 具有高抗電磁波沖擊和高抗輻射破壞的能力，據(jù)報(bào)道 SiC 器件的抗中子輻照的能力至少是硅器件的四倍。這些性質(zhì)使 SiC 器件能夠工作在端環(huán)境下，在航天航空、高溫輻射環(huán)境可望發(fā)揮重要作用。
 
碳化硅材料結(jié)構(gòu)

SiC 晶體結(jié)構(gòu)屬于那種同質(zhì)多型體，也就是說即使化學(xué)計(jì)量是相同的情況，卻有著不一樣的晶體結(jié)構(gòu)，而不同的多型體的結(jié)構(gòu)是由不同排列次序的 Si-C 原子對(duì)的位置決定的。通常情況下，Si-C 的原子對(duì)會(huì)在原來存在的 Si-C 原子對(duì)上面進(jìn)行堆垛，并且堆垛的時(shí)候密度較大，在相對(duì)應(yīng)的 A， B， C 所處的位置，將會(huì)形成具有不同周期的 SiC 多型體結(jié)構(gòu)，主要有三種結(jié)構(gòu)，即閃鋅礦結(jié)構(gòu)，纖維鋅礦結(jié)構(gòu)和菱形結(jié)構(gòu)。用大寫字母分別可以用 C、H、R 來表示。我們一般把纖維鋅礦結(jié)構(gòu)和菱形結(jié)構(gòu)相關(guān)的多型體用 α-SiC 來表示，而閃鋅礦結(jié)構(gòu)的SiC 單晶材料可以用 β-SiC 來表示。SiC 材料中，為常見以及研究的多的結(jié)構(gòu)有三種，即 3C- SiC(β-SiC )，4H- SiC，6H-SiC(α-SiC )，它們的原子排列分別如圖 2-1 所示。

碳化硅材料性質(zhì)


在常溫條件下，SiC 是具有高穩(wěn)定性的半導(dǎo)體材料，而在溫度升高到 2100℃左右以上時(shí)，將會(huì)升華，被分解為 Si 與 C 蒸汽；當(dāng)溫度繼續(xù)升高，達(dá)到 2830℃左右時(shí)，SiC 材料會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)熔點(diǎn)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) SiC 器件工作在低于 1500℃時(shí)的條件下，其具有很高的穩(wěn)定性，實(shí)際應(yīng)用過程中為了防止 SiC 進(jìn)一步氧化，大多數(shù)情況會(huì)在其表面形成較薄的一層 SiO2 層，SiO2 在高溫下 1700℃會(huì)熔化并且迅速發(fā)生氧化，SiC 材料能熔于熔融的氧化物質(zhì)，如熔融的 Na2O2，Na2CO3-KNO3的混合物；而且在 300℃溫度下，SiC 材料可以熔于氫氧化鉀和氫氧化鈉的混合物，在 900 到 1200℃下，SiC 會(huì)與氯氣迅速的發(fā)生化合反應(yīng)，還可以有四氯化碳快速反應(yīng)，可留下石墨等殘留雜質(zhì)，通過研究得出主要可以利用熔化狀態(tài)下的氧化物或者氟來對(duì) SiC 的表面進(jìn)行蝕刻。
 
碳化硅器件關(guān)鍵工藝研究


碳化硅（SiC）器件具有擊穿電壓高、功率大、耐高溫工作、可靠性高、損耗低等特點(diǎn)，是高壓電力電子領(lǐng)域的熱門研究器件，適合于電力系統(tǒng)應(yīng)用，可制備采用硅器件無法制備的裝置。
由于 SiC 材料具有耐腐蝕、高硬度和易碎性等特點(diǎn)，使得其加工工藝比普通的 Si 和 Ga As 等半導(dǎo)體材料要困難得多，因此 SiC 器件和 Si 器件、Ga As 器件工藝設(shè)計(jì)和方法差別很大，需要解決的關(guān)鍵工藝技術(shù)主要包括：高溫高能離子注入技術(shù)、刻蝕成型技術(shù)、歐姆接觸技術(shù)和表面氧化技術(shù)等。
 
歐姆接觸


金屬與半導(dǎo)體形成歐姆接觸是指在接觸處是一個(gè)純電阻，而且該電阻越小越好。因此，其 I/V 特性是線性關(guān)系，斜率越大接觸電阻越小，接觸電阻的大小直接影響器件的性能指標(biāo)。


碳化硅歐姆接觸技術(shù)是制備碳化硅高壓功率器件的基本技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)器件電結(jié)構(gòu)的必須工藝之一。碳化硅歐姆接觸在高溫環(huán)境中提前發(fā)生性能衰退會(huì)導(dǎo)致碳化硅器件的壽命會(huì)大大減小。采用鎳鎢合金、鎳鈦合金以及鈦鎢合金覆蓋在碳化硅上等技術(shù)形成歐姆技術(shù)，可以在一定程度上增強(qiáng)碳化硅歐姆接觸的高溫穩(wěn)定性。但是需要進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，才能找到更加有效的方法對(duì)碳化硅歐姆接觸的高溫退化現(xiàn)象進(jìn)行抑制，從而增強(qiáng)碳化硅電力電子器件的高溫穩(wěn)定性。碳化硅功率器件的歐姆接觸目前主要采用鎳基金屬形成。鎳基碳化硅歐姆接觸的接觸電阻率通?？蛇_(dá)到 1×10-5 Ω?cm2 以下，可以滿足絕大多數(shù)碳化硅功率器件的應(yīng)用需要。但是鎳基歐姆接觸的高溫穩(wěn)定性欠佳，近年來國際上采用鎳鎢合金或鎳鈦合金等用于碳化硅歐姆接觸的形成，可以增強(qiáng)碳化硅歐姆接觸的高溫穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)碳化硅功率器件的高溫穩(wěn)定性。
 
碳化硅刻蝕工藝


刻蝕碳化硅的主要困難在于碳化硅材料具有很高的機(jī)械硬度和化學(xué)穩(wěn)定性。實(shí)際工藝證明，以往在 Si 器件中積累了豐富經(jīng)驗(yàn)的且一直沿用至今的用酸堿溶液等進(jìn)行的濕法刻蝕已經(jīng)完全不能應(yīng)用于 SiC 器件的制造工藝之中。因此各種干法刻蝕方法得到了廣泛的關(guān)注和研究，其中反應(yīng)離子刻蝕（ReactiveIonEtching，RIE）是一種很重要的刻蝕方法，但與硅相比，碳化硅的 RIE 刻蝕速率明顯偏慢，SiC 的 RIE 刻蝕速率只有 30nm/min，而硅則達(dá)到 200nm/min，一般認(rèn)為刻蝕效果與刻蝕氣體組成、刻蝕功率腔體壓強(qiáng)等條件有關(guān)。目前，以感應(yīng)耦合等離子體（InductivelyCoupledPlasma，ICP）為代表的各種新型高密度等離子體刻蝕技術(shù)由于具有高等離子體密度、刻蝕速率快、損傷小等特點(diǎn)逐漸被應(yīng)用于SiC 的干法刻蝕工藝，并初步取得了較好的刻蝕效果?？涛g氣體一般采用氟基氣體，如 SF6、CF4或這兩者和氧氣的混合氣體。但是氟基氣體刻蝕 SiC的主要缺點(diǎn)在于刻蝕損傷較大，且不易消除，因此刻蝕速率相對(duì)較慢但刻蝕損傷較小的氯基氣體開始受到了人們的重視，是 SiC 干法刻蝕工藝一個(gè)重要的研究方向。
 
離子注入和注入激活技術(shù)


離子注入作為一種重要的摻雜技術(shù)己廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件及超大規(guī)模集成電路的制造工藝中。對(duì)于 SiC 來說，用熱擴(kuò)散法來實(shí)現(xiàn)選擇性區(qū)域摻雜是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)樵谛∮?1800℃的溫度下（在該溫度下，可以保材料表面的完整性），雜質(zhì)在 SiC 中的擴(kuò)散系數(shù)很小。這樣離子注入就成為可用于對(duì) SiC 進(jìn)行選擇性區(qū)域摻雜的技術(shù)。由于 SiC 的密度比 Si 大，要產(chǎn)生相同的注入深度，SiC需要更高的注入能量。高的雜質(zhì)激活率、光滑的表面以及較少的缺陷是離子注入追求的目標(biāo)，達(dá)到這個(gè)目標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵工藝就是高溫退火。剛剛注入完后，雜質(zhì)是電惰性的，出現(xiàn)了晶格缺陷，導(dǎo)致了注入層的高電阻率。也就是為了在離子注入后達(dá)到高的雜質(zhì)電激活率及晶格缺陷的完全恢復(fù)，退火作為關(guān)鍵的第二步把雜質(zhì)放到晶格點(diǎn)上同時(shí)修復(fù)晶格缺陷。
 
表面鈍化技術(shù)


為了實(shí)現(xiàn)高壓 SiC 二極管大功率器件，需要使用高品質(zhì)的介質(zhì)薄膜來滿足器件的高壓低阻特性，介質(zhì)膜界面態(tài)密度一般要小于 1012/cm2e V。由于碳化硅能夠通過氧化獲得氧化硅介質(zhì)膜，不過氧化溫度大于 1300 度以上，界面會(huì)引入很高的界面態(tài)密度，因此選擇合適的高溫氧化技術(shù)就十分必要，也成當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。表面鈍化技術(shù)是 SiC 半導(dǎo)體器件制造中的一項(xiàng)重要工藝，通過熱氧化可以直接在 SiC 表面生長二氧化硅（SiO2），制成 SiC 器件。一般來講，柵氧化層（SiO2）質(zhì)量的好壞對(duì)器件特性幾乎具有決定作用，因此對(duì) SiC 的熱氧化正藝方法進(jìn)行深入研究，具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。