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快速熱處理RTP的合金化在3C-SiC-PiN中的應用
- 分類: 行業知識
- 作者:周酉林
- 來源:本站
- 發布時間:2024-05-17
- 訪問量: 256
【概要描述】碳化硅(SiC)是一種優異的第三代半導體材料。其中,3C-SiC(立方相碳化硅)相對于其他SiC晶型···
快速熱處理RTP的合金化在3C-SiC-PiN中的應用
【概要描述】碳化硅(SiC)是一種優異的第三代半導體材料。其中,3C-SiC(立方相碳化硅)相對于其他SiC晶型···
- 分類: 行業知識
- 作者:周酉林
- 來源:本站
- 發布時間:2024-05-17
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碳化硅(SiC)是一種優異的第三代半導體材料。其中,3C-SiC(立方相碳化硅)相對于其他SiC晶型(如4H-SiC和6H-SiC)具有一些優點[1],如與硅技術集成性好、較低的晶格失配、較高的載流子遷移率、成本相對較低,在以下領域有獨特的用途,如低功耗、低頻率的功率器件,如低壓功率開關、低功耗傳感器等;具有集成電路需求的應用,包括模擬集成電路、RF集成電路等;對成本要求較高、且需要SiC材料特性的應用,比如電力電子、光電子器件等。
一個較低的p-n內置電位(1.75 V)使3C-SiC成為中壓雙極或電荷平衡器件的一個有吸引力的選擇。直到最近,大多數3C-SiC都是在Si上生長的,因此,功率器件的制造受到了高缺陷密度和有限的加工溫度等問題的阻礙,而器件必然局限于橫向結構。Li等[2]人提出了一個制造和表征的垂直管元二極管使用體積3C-SiC材料。在Al植入區獲得p型歐姆接觸,其特定接觸電阻為103 X cm2。所制作的PiN二極管在1000 A/cm2時具有較低的正向壓降2.7 V,在63 V時的開關比高達109。理想因子為1.83-1.99,采用單區結終止設計觀察到阻塞電壓為110 V。
PIN二極管的制備流程起始于Al摻雜步驟,此步驟會形成高摻雜的p+陽極區域和低摻雜的單區結終端擴展區域(SZ-JTE)。摻雜完成后,離子注入過程需在Ar氣氛中、1700℃條件下進行2小時退火處理。隨后,經過氧化、光刻、沉積等工藝步驟,在n+襯底上蒸發沉積Ti/Ni(30/100nm)雙層合金,并在Ar氣氛中、1000℃條件下退火1分鐘,形成歐姆接觸的陰極(RTP:1000℃@1min,Ar)。對于p+區域,需要沉積Ti/Al/Ni(30/100/50nm)金屬堆疊,并在Ar氣氛中、1100℃條件下進行快速熱處理2分鐘,以形成歐姆接觸的陽極(RTP:1100℃@2min,Ar)。最終,器件的橫截面圖呈現出圓形結構,如圖1所示。
圖1 3C-SiC PiN二極管的橫截面示意圖
在p型注入區域,我們制備了傳輸線方法(TLM)結構,并測試了其室溫I-V特性,如圖2所示。從結果中觀察到歐姆行為,且最低的特定接觸電阻達到10^4 X cm^2,這在近期報道的p型3C-SiC中屬于較低水平。這一優異的接觸電阻主要得益于生長條件、拋光方法的優化以及快速熱處理(RTP)技術的卓越性能和精確工藝控制。
圖2 .p型歐姆接觸TLM的室溫I-V表征和總電阻的擬合
此外,PiN肖特基二極管在室溫下展現出典型的正向J-V特性,如圖3a。盡管其內建電勢略高于理論值,但仍低于典型的4H-SiC PiN二極管,顯示出卓越的性能,有助于降低功耗和提高效率。在2.7V的正向偏壓下,電流密度超過1000A/cm2,證明了其出色的導電能力和承受高功率應用的能力。然而,高電流密度下器件的自發熱現象仍是一個挑戰,需要進一步研究以優化。此外,在±3V時的開關比大于109,如圖3b所示,顯示出良好的開關特性,適用于高速開關應用。
圖3 室溫下二極管典型的(a)0-5V正向J-V特性、(b) ±3 V開關性能以及
(c)二極管在300-500K下對數尺度下的正向J-V特性
在高溫(300-500K)條件下,正向電流密度增加,內建電位降低,這是由于本征載流子數量的增加。如圖3(c)所示,在較低電流密度下,正向J-V曲線呈現平行趨勢,表明溫度對兩電阻差的影響較小。這一行為在4H-SiC PiN二極管中已有報道,是載流子壽命增加和遷移率及擴散系數下降相互補償的結果。隨著溫度升高,低電壓泄漏電流密度增加。泄漏電流主要由缺陷輔助隧道構成,隧穿對載流子運輸的影響顯著,導致激活能低于預期值。
圖4 Si、3C-SiC和4H-SiC的功率器件參數對比圖
圖4展示了Si、3C-SiC和4H-SiC在功率器件應用中的性能指標圖,并提供了相關文獻中3C-SiC器件的參數[3]。通過對比分析,該文所制作的PiN二極管在性能指標上優于Si單極和超級結極限,同時對3C-SiC MOSFETs和肖特基勢壘二極管進行了改進。此外,該文章還指出,通過減小漂移層厚度和摻雜度,可以進一步降低開啟電阻,從而提高器件性能。
高穩定性和高電流密度的3C-SiC二極管器件具有的低正向偏置電壓和低反向漏電流密度也源于RTP快速退火爐的良好表現,RTP系列產品是武漢嘉儀通科技有限公司的核心產品,具有最高溫度可達1200℃,最高升溫速率可達150℃/s,最快降溫速率達1200℃/min等高性能參數,在薄膜材料制備及熱處理方面展現出諸多優勢,形成鮮明的行業競爭力,為高質量薄膜材料提供了快速升降溫、精準控溫的高均勻性的高溫場和氣氛保護,具體表現在:
√ 快速升溫的高溫場能夠促進金屬層/SiC層的熱擴散,獲得更低的接觸電阻,形成歐姆接觸;
√ 高溫條件下的快速熱處理有助于降低金屬層的熱擴散深度,降低對SiC層的影響,從而提高二極管特性;
√ 保護氣氛有助于避免金屬電極或SiC材料的高溫氧化,降低表面電阻率,避免出現雜相或者副反應。
此外,嘉儀通快速退火爐(RTP,Rapid Thermal Processing)產品,采用紅外輻射加熱及冷壁技術,可實現對薄膜材料的快速升溫和降溫,同時搭配超高精度的溫度控制系統,可達到極佳的溫場均勻性和穩定性。
嘉儀通(JouleYacht)快速退火爐系列可處理1-12吋樣品,對材料的金屬合金化、快速熱處理、快速熱退火、快速熱氧化及快速熱氮化等研究和生產起到重要作用。
參考文獻:
[1] Arvanitopoulos A E, Antoniou M, Perkins S, et al. On the suitability of 3C-Silicon Carbide as an alternative to 4H-Silicon Carbide for power diodes[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, 55(4): 4080-4090.
[2] Li F, Renz A B, Pérez-Tomás A, et al. A study on free-standing 3C-SiC bipolar power diodes[J]. Applied Physics Letters, 2021, 118(24).
[3] Abe M, Nagasawa H, Ericsson P, et al. High current capability of 3C-SiC vertical DMOSFETs[J]. Microelectronic engineering, 2006, 83(1): 24-26.
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