SiC半导体材料及其器件应用.pdf

第3 7 卷 第 2 期2 0 0 0 年 4,e l 半导 体 情 报 1 3 一 S i C 半 导体 材 料 及 其器 件 应 用 电 子 静05 00 5 7 岁 (电 子 十 三 所，石 家 庄 1)l f 杨 银 堂 (西安 电子 科 技 大 学，西安7 1 0 0 7 1)捅 要分 析 了 S i C 材 料 的 结构 类 型 和基 本特 性，介 绍 了 Si C 单 晶材 料 的 生 长技 术 及 器件 工 艺技 术，简要 讨 论 了 S i C 器件 的 主要 应 用领 域 和 优 势 ，关键词 s ic单晶材料 工艺 高温圭生墨壁 短波长发光器件 中圈分类号：TN3 0 4 2 文献标识码：A文章 编号：1 0 0 1 5 5 0 7(2 0 0 0)2-1 3-0 3 本 等诲叛杀 T e c h n i q u e s o f S i C S e mi c d u c t o r Ma t e r i a l s a n d De v i c e s Ya n g Ke wu，Pa n j i n g (The 1 3 t h t ns o t u t e(El e c t r r mi c s)Shij i a zh ua n g 0 5 00 5 1)Ya ng Yi nt an g(Xi a n gmv e r t y o f S c t e n c e a n d Te c h n o l o g y f 7 1 0 0 7 1 Ab s t r a c t Th e s t r u c t u r e t y p e s a n d p r o p e r i e s o f S i C a r e a n a l y z e d Th e p r o c e s s e s f o r S i C c r y s t a l g r o wt h a n d de v i c e f a b r i c a t i o n a r e p r e s e n t e d M a i n a p p l i c a t i o n f i e l d s a r e d i s c u s s e d Ke y wo r d s S i C c r y s t a l ma t e r i a l s P r o c e s s S h o r t wa v e l e n g t h l i g h t e mi t t i n g d e v i c e s 引 言 随着 微 电 子 技 术 的 发展，传 统 的 s i和 G a As半导 体 材 料 由于 本 身 结构 和 特性 的原 因，在高温、高频、光 电等 方面越来越显示 出 其不 足和局 限性，一系列新 型的半导体材料如 S i C、金刚石 等越来越 引起人们 的重视 其 中 S i C材料 以其 特有的大禁 带宽度、高 临界 击穿 场强、高 电子 迁移 率、高热导率等特 性，成为 收稿 日期 1 9 9 9 0 6 0 7 制作 高温、高频、大功 率、抗辐 照、短波长发 光及 光电集成 器件 的理想材料，在微 电子、光 电子等领域起 到了独特 的作用，成为 国际上新 材料、微 电子和光 电子领域研究 的热点 近年来，S i C材料制备及 加工 技术取得 了 迅速 的发展。已研制成功 了直径 5 0 ram 的单 晶 抛光片，不同衬底的单晶薄膜 外延 技术也 已突 破，S i C材料的控制掺杂、金属化、图形刻蚀、氧化等技术也逐步成熟。采用 S i C材料 已实 现 维普资讯 http:/ 1 4 半 导 体 情报 第 3 7 卷 第 2 期2 0 0 0 年4 月 了可在 5 0 0 c以上工作的高温半 导体器件、商 业化的蓝光发 光器件、汽车和飞机发动机监控 用 的紫外光敏器件等 S i C高频和微 波器件、抗 核加 固器件的研 究正受到广泛的重视 这些都 对 S i C材料技术及产业 的开 发提出了迫切的要 求。2 S i C 材料的结构与特性 S i C是一种 1 4 旗化合物半导体材料+具 有 多种同素异构类 型。其典 型结构可 分为 两类：一类是 闪锌 矿 结构 的立 方 S i C 晶型，称 为 3 C 或 S i C，这 里 3指 的是周期性 次序 中面 的数 目；另一类是六 角型或菱形结构 的大周期结构，其 中典 型的有 6 H、4 H、1 5 R等，统称为 S i C。表 1给出了 S i C材料 的主要特性数据。从 中可 以 看 出，S i C 材 料 具 有 优 异 的 电学 特 性 和 热学特性。与 s i 相 比，S i C材料具有更大的、E 、大的 E 使其可 以工作于 6 5 0 C以 上的高温环境，并 具有极好 的抗辐射性能；特 有的能带结掏和禁 带宽度使 之可制作短波长发 光器件和光 电集成器件；大 的 E 、一 和 E使 之适 于制作大功率、高频 和微波器件 表 1 几种半导体材 料有 关参数 比较 材料特性 S l Ga A 6 H S i C 3 C S l C 金刚石 禁带 宽度 巨 i e V 1】1 4 2 9 2-2 5 6 电子迁穆率 i e m 2-V 一 s 一 8 5 ca g 6 00 1 0 0(I 2 2 0 O 电子饱 和速 度 1 0 e m s一 2 5 2 5 2 7 击 穿场 强 E n 0 V m 一。0 2 1 0 舟 电常 数 e 1 1 8 1 2 8 9 7 5 5 热 导率 W 一 C 一 1 5 0 5 4 9 2 0 熔点，C 1 4 2 0 1 2 3 S 2 1 0 0 2 1 0 0 相变 3 S i C材 料 生长技 术 早期的 S i C材料主要是通过 制作磨削材料 的 工业 化 的 Ac h e s o n方 法 生 长 的。1 9 5 5年 L e l y 报 道 了升华 再 结 晶工 艺，它 采 用 一 个 内装 多 晶 S i C粉末 的多孔 石墨管，用感应加热 方法加热 到 2 5 0 0 C，从 而升华 出 S i C，并 在石墨腔体内部 稍冷 的位 置凝 聚，生成 六 角 型 形 状 的、大小 和 结晶类 型不定 的单 晶板块。该方 法可形成 直径 较小(8 ram)、杂质含量较高的 a S i C单晶。之后，由 Ta i r o v、Ts v e t k o等人 在 L e l y法 基 础 上 研 究得 到 了 一 种 新 的 有 籽 晶 的 升 华 再 结 晶工艺，可以用来生长较大尺寸的、单一晶体 结 构 的 单 晶。用 该 方 法 得 到 了直 径 3 0 ram、长 度 4 0 mm 的纯 6 H 结构 S i C晶棒。目前 S i C单晶 的生长技 术已较成 熟，但 由于工艺难度较大 并 受 S i C材料切割能力 的限制，国际上能提供商 品 S i C材料的厂家 仅有美 国 C RE E公 司一家 其 工业 化水 平接 近 5 0 mm，但售价极高。作为对体 材料 的一 种替 代，近年来 国际上 开展 了 S i C单 晶薄膜 材料 的外 延生 长 技术 研 究 它一般采用 S i C或 s 村 底，以 S i H 、C He 为 反 应 气 体，用 常 压 c VD 方 法 在 1 3 0 0 1 8 0 0 的温度 下进 行外 延生长 在 S i C衬底上 可 得 到 和 S i C,，在 s i 衬 底 上 只 能得 到 口 S i C。外延生长的单晶薄膜 的质 量主要取决 于衬 底 温度、气 体流量 比及具体 工艺程序等 4 S i C器 件 工 艺技术 4 1 控 制 掺 杂 技 术 控制 掺杂是 形成器 件结 的基 本要 求。S i C 材料控 制掺杂可采用原位掺杂 和高温离子注入 掺 杂方法。原位 掺杂 是 在材 料 生 长期 问通过 CVD技术直接将 电激活 的 12型杂质(、P)和 p型杂 质(B、A1)掺人材料 内部，控制材料 的 导 电类型和电阻率。其 中 n型掺杂采用 N：、P H。等；P型掺杂采用 B。H、三 甲基铝(TMA)或 A1 C 1。掺杂浓度 与掺 杂源气体分压 比呈 线性关 系。要形 成器件和集成 电路，还需要 区域选择 掺杂。由于 S i C材 料的高密 度和低杂质扩散 系 数，无法采用 s i 工艺中成熟 的扩散工艺。而常 温 离子 注入又存 在缺陷无 法恢 复、杂质激活率 低 的问题。实际可行 的方法是在 4 O 0 7 0 0 C下 进行 高温 离子 注入，该 方法 可注 入 B、A1、N等 杂质，得到无损伤 的注入 区域 和注入杂质的高 比例激活。维普资讯 http:/ 第3 7 卷 第 2 期 2 0 0 0 年4 月 半 导体 情报 1 5 4 2金属 化 技 术 金属化技术用于在 S i C材料表面上形成 良 好的欧姆接触和 肖特基势垒接触，它通常采用 成熟的 电子束蒸发、热蒸发和溅射方法。研究 发 现 多种 金属(w、Mo、C r、Ni)和 台金(Au Ta、W Mo、C u Tj)都可 以与 S i C形成欧 姆接触，重要 的是寻求低阻、高稳定 的接触材 料。对 于 肖特基势垒接触 Ag、A1 均 可在 S i C 表面形成 肖特基势 垒，其 势 垒高度 在 1 4 5 e V (d S i C)和 1 2 0 e V(S i C)左右，并且具有较 高 的高温稳定性 4 3图 形 刻 蚀技 术 由于 S i C材料的高稳定性 无法对它进行 普通 的湿法 腐蚀 S i C材 料的图形形成 必须采 用 干 法刻 蚀技 术。具 体方 法 以等离 子体 刻蚀(P E)和 反应 离 子刻 蚀(RI E)为 主，以 C F 、S F 、CHC L 等 F系、c l 系气体和 O 为刻蚀剂 以 溅 射 Al膜为 掩蔽 材料，通 常 可获 得 1 0 0 n m mi n左 右的刻蚀 速率 和较 高的选择性 4 4氧化 技 术 为制 备 Mos F E T类 器件，需要在 S i C表 面形成一层氧化层 因此需要研究 S i C材料的 热氧化方法。研究表 明，采用 与 s i 工艺类 似的 千氧、湿氧方法 可 以进行 S i C的氧化，氧化温度 在 1 l O O l J 5 O 。之间，但氧化速 率较 低，一般 仅为 几个 n m mi n。目前 主要 研 究课 题是 S i C 上 s j Oz 膜 的特 性表征及其 可靠性 的改进。5 S i C材 料 的器 件应用 表 2列 出了 S i C材料 的主要应用领域。高温和 大功率丰导体 器件；S i C材料 的宽 禁带和高温稳定性使得它在高温半导体器件方 面有无 可比拟 的优势。采用 S i C材料 已制成 了 ME S F E T、MOs FE T、J F E T、B J T等多 种器件，它们 的工作 温度可达 5 0 0C以上，为工作 于极 端环境 下的电子系统提供 了可能。在军用武器 系统、航空航天、石油地 质勘探等领域 应用广 泛 微 波及 高频半导体器件：由于 S i C具 有较 高 的迁移率、饱和漂移速度 以及高临界击穿场 强 是 良好的微波和高频器件 材料 已制成 达 4 2 GHz以上的 S i C MES F E T 加之 高工作温 度和高热导 率，在军用相控 阵雷达、通信广播 系统 中有 明显的优势。美 国已将其应用 于新研 制 的 HDTV数字广播系统之 中 表 2 S i C 材 料 的 应用 领 域 特性 l 器件 l 应用 高温电子器件和集戚 电路 l 各种高温环境 光)全彩 色显示 宽 带隙 蓝光激 光二极 昔 高密度 敷据存 储 紫外 光敏二 扳昔 发动机 监捌、控制 抗辐 射器件 枝 战场、棱 电、字航 异质结 器件 各种 电子 系统 高击穿 高性能 功率 器件 电子 控制系统、节能 系统 高压 器件 电 力电子 系坑 场 强 高密 度 I c封 装 各 种 电子系坑 高 电子 微波 器件 相控阵 首选、通信、广播 赶 移章 高建 器件 军用 系统 数据 趾理 高热 导 高集成 度 I c 各 种 电子 系统 良好热 耗散 的大功率 器件 卫 星、航 空 系统 短波 长发光 器件：6 H和 3 C S i C的禁 带宽 度为 2 9 e V和 2 2 e V，分别处于蓝、绿光 等短 波长 发光波段，其 中高亮 度蓝 光 L E D尤 其重 要，是实现全彩色大面积显示 的关健，具有极 大的市场 已实现 了 S i C蓝、绿光 L E D的批量 生产 预计 到 2 0 0 0年仅此一种器件就有 2亿美 元 的销 售额 紫外 光敏二极 管：美 国 GE公 司采用 S i C 材料实现 了可在各种发动机 内部工作的紫外光 敏二极管，用 于监测汽车、飞机、火箭 等发动 机的燃烧工作状态，并 与 S i C高温集成 电路一 起构成 闭环控制，显 著提高 发动机工作效率 节 约能源，减少污染。蓝 色激光二板管：利用 S i C的结构特性，已 研制 出了可发蓝光的激光二极 管，它将极 大提 高高密度数据 存储 的技术水 平、并在未来生物 化学战场的探 测方面发挥不 可缺 少的作用 6 结 束 语 作 为一种新 型的半导体 材料，S i C对未来 电子信息 产业具有 重要 的作用，对 S i C材料 的(下转 第 2 9页)维普资讯 http:/(上 接 第 7页)属化 系统、芯 片表 面钝化、芯 片粘接、引线键 合工艺、器 件安装工艺、筛选 老化 工艺、可靠 性试验，军用标准修改等方面进行深入研究，塑 封微 电子器件就能可靠地用于工程 电子装备之 中，一旦塑封器件能大量应用于工程电子装备 之 中，它将为我 国工程装备经费节省数 以亿计 的巨大开支，其意义是深远 的。参考文献 1 田民波等I c塑封中的损伤半导体情报，1 9 g 5；3 Z t 3)：40 2 At b e r t W L e,应 用于非 气密 MC P的密封材 料I EE E TCHM T 1 9 9 2 1 5“)5 1 0 3 朱树 蔼 等塑封 功率 管 质 量 问题 的 研 究 半 导 悻情 报 1 9 84l 2 1(2)：3 6 4 刘 涌 柯 行鉴国外塑 封徽电路 的可靠性 改进技 术概况 电 子产 品可靠性 与环境 试验，1 9 9 7；4：3 5 5 曾 纪科 美 军标 的 修订 与塑 封镟 电路 在军 用 设 备上 的应 用 电子产 品可靠性 与环境 试验，1 9 9 8 I 4：4 5 6 N iha l S i n n a d ur a i A c r i t iqu e t he r e i a b i l i t y a a a y s l s c a r l t e l f a u r e r a t t e l f o r p l a s t i c e n c ap s u a t e d m i c r o c i r c u l t s I EEE T Re l i a b，1 9 9 8 47(2)：1 1 0 T Pe c ht M GP a s t i e p a c ka g e d micr oc ir c u i t s：Qu a l i t F、r e】l a b i l i t y a n d c o s t i s s u e s I EEE Tr a n s R e i a b，19 9 3I 4 2：5 1 3 8 De ns o n W KTh e r e l iab i l i t y o f p l a s t i c e n c a p s ul a t e d m ic r o c i r c uk s RCA J ou r n a l，1 99 5；3(2 9 S i n na d ur a i N Pl a s t ic p a c ka g i n g is hi gh l y r e l iab l e I EEE Tr a n s Re l i a b，1 99 6 I 4 5 1 8 4 (上 接 第 l 5页)需求 正呈急 剧上升 的趋势。除了军用 高温器件 之 外，S i C蓝光发光器件在全彩色显示屏制造、S i C高温器件、集成 电路、传感器在石油钻探、S i C紫 外光 敏二 极 管 在 汽 车、飞 机 发 动 机 监 测、S i C大功率器件、微波器件、抗辐射加 固器件方 面都有 广阔的应用前景。插螺 童现 为 西安 电子科 拄大学 微 电子研 究所 教 授、所 长，主要 研究方 向为超 大规模集 成 电路技 术、新 塑半 导体材 料 与器件。维普资讯 http:/