金屬-SiC半導(dǎo)體接觸的SiC表面等離子體改性研究.pdf

1、SiC半導(dǎo)體由于具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場(chǎng)和熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，在高溫、高壓、大功率器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。金屬/SiC半導(dǎo)體接觸包括SiC歐姆接觸和肖特基接觸，是構(gòu)成SiC器件最基本也是最重要的結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量直接影響SiC器件的效率、增益和開(kāi)關(guān)速度等性能指標(biāo)。制備良好的SiC歐姆接觸和肖特基接觸是提高SiC器件性能和可靠性的基礎(chǔ)。金屬半導(dǎo)體接觸特性不僅與金屬功函數(shù)和半導(dǎo)體摻雜濃度有關(guān)，還受半導(dǎo)體表面態(tài)的影響。相對(duì)于Si、GaN等其它半

2、導(dǎo)體而言，SiC半導(dǎo)體表面存在更加復(fù)雜的表面態(tài)，如用傳統(tǒng)的RCA濕法清洗獲得的SiC表面仍然存在C、O等污染物，使得金屬/SiC接觸特性受SiC表面特性的影響非常大。因此，開(kāi)發(fā)新的SiC表面處理技術(shù)并利用表面態(tài)調(diào)控改善金屬/SiC歐姆接觸和肖特基接觸特性顯得尤為重要。
　　本文提出并開(kāi)發(fā)了低溫低損傷的SiC半導(dǎo)體表面電子回旋共振(ECR)微波氫等離子體處理新技術(shù)。利用該方法對(duì)SiC表面態(tài)進(jìn)行調(diào)控，研究了金屬/SiC接觸特性的改善效

3、果，并對(duì)相應(yīng)的改善機(jī)理以及相關(guān)的理論做了深入的研究。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:
　　1、SiC表面ECR微波氫等離子體處理研究。利用反射式高能電子衍射(RHEED)、原子力顯微鏡(AFM)以及X射線光電子能譜(XPS)分析了氫等離子體處理對(duì)SiC表面結(jié)構(gòu)、形貌、化學(xué)及電學(xué)性質(zhì)等的影響。RHEED分析結(jié)果表明，經(jīng)氫等離子體處理后，SiC表面原子排列規(guī)則，單晶取向性好，且表面未發(fā)生重構(gòu);AFM分析發(fā)現(xiàn)，SiC表面經(jīng)處理后變得非常平整，表

4、面均方根粗糙度降低至0.268nm;XPS分析結(jié)果顯示，經(jīng)氫等離子體處理后，SiC表面O含量明顯降低，C污染物全部被去除，并且表面具有較好的抗氧化性;經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，處理后的SiC表面態(tài)密度降低至1010 cm-2eV-1量級(jí)。表面污染物的去除和表面態(tài)密度的顯著降低為SiC器件后續(xù)工藝，提高器件性能及可靠性提供了有利的保障。
　　2、ECR氫等離子體預(yù)處理對(duì)金屬/n型4H-SiC接觸歐姆特性的改善效果及機(jī)理研究。對(duì)比分析了處理前后Ti

5、/4H-SiC接觸的I-V特性和比接觸電阻率，發(fā)現(xiàn)經(jīng)處理后，Ti與較高摻雜濃度(1×1018 cm-3)的4H-SiC接觸后無(wú)需退火就形成了低比接觸電阻率的歐姆接觸。為了明晰歐姆接觸的形成機(jī)理，在對(duì)歐姆接觸理論充分研究的基礎(chǔ)上，對(duì)不同功函數(shù)的金屬與不同摻雜濃度的SiC接觸經(jīng)氫等離子體處理前后的電學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的對(duì)比研究。研究結(jié)果表明，Ti/4H-SiC歐姆接觸形成的機(jī)理在于在接觸界面處形成了低的肖特基勢(shì)壘。氫等離子體處理降低了SiC表

6、面態(tài)密度，使得費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)被消除，勢(shì)壘高度不再受制于高的表面態(tài)密度。并且在鏡像力降低、隧穿效應(yīng)、能帶變窄等勢(shì)壘降低機(jī)制的共同作用下，經(jīng)氫處理后，Ti/4H-SiC接觸勢(shì)壘高度降至0.41 eV，無(wú)需退火就形成了低比接觸電阻率的歐姆接觸。避免采用高溫退火以及重?fù)诫sSiC襯底制備良好的歐姆接觸將有利于提高器件的可靠性，降低SiC器件制備成本。
　　3、ECR氫等離子體預(yù)處理對(duì)金屬/n型4H-SiC肖特基接觸特性的改善效果及機(jī)理研究

7、。對(duì)比分析了處理前后Ni、Pt/4H-SiC接觸的I-V特性和勢(shì)壘高度值，發(fā)現(xiàn)經(jīng)氫處理后，Ni、Pt接觸的勢(shì)壘高度增大，說(shuō)明整流特性得到改善，并且其整流特性在經(jīng)過(guò)低溫400℃退火后得到優(yōu)化。為了研究其改善機(jī)理，利用XPS對(duì)表面費(fèi)米能級(jí)以及表面態(tài)密度的變化進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，經(jīng)氫等離子體處理后，SiC表面費(fèi)米能級(jí)向?qū)У追较蛞苿?dòng)，表面態(tài)密度降低。400℃退火后，基本出現(xiàn)了平帶的情況，表面態(tài)密度達(dá)到最低。通過(guò)結(jié)合低功函數(shù)金屬Ti/4H-S

8、iC接觸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)金屬/4H-SiC接觸的勢(shì)壘高度與金屬功函數(shù)和表面態(tài)密度的關(guān)系進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與Cowley和Sze的勢(shì)壘理論相吻合。SiC肖特基接觸特性的改善將有利于促進(jìn)SiC肖特基接觸相關(guān)器件的發(fā)展。
　　4、金屬/n型4H-SiC接觸勢(shì)壘不均勻性分布問(wèn)題研究。通過(guò)利用ECR氫等離子體處理對(duì)SiC表面特性進(jìn)行有效控制，采用I-V-T和C-V-T方法對(duì)Pt與不同表面特性的4H-SiC接觸的電學(xué)特性進(jìn)行了研究。根據(jù)實(shí)

9、驗(yàn)結(jié)果，分析討論了金屬/4H-SiC接觸特性與表面特性之間的關(guān)系。結(jié)果表明，Pt/4H-SiC接觸勢(shì)壘高度以及勢(shì)壘不均勻性分布與SiC表面特性存在強(qiáng)烈的依賴關(guān)系。其有效勢(shì)壘高度隨著表面費(fèi)米能級(jí)釘扎程度的降低而升高。在費(fèi)米能級(jí)完全被釘扎或者完全解釘扎的情況下，界面勢(shì)壘分布均勻并分別滿足Bardeen和Schottky-Mott模型。然而當(dāng)表面費(fèi)米能級(jí)被部分釘扎時(shí)，金屬/SiC接觸界面勢(shì)壘呈Gaussian分布，并且其不均勻性分布程度隨釘扎