N i 基n型SiC 材料的欧姆接触机理及模型研究.pdf

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1、宽禁带半导体Ni基n型SiC材料的欧姆接触机理及模型研究郭辉 张义门张玉明吕红亮(西安电子科技大学微电子学院,西安,710071)(教育部宽禁带半导体材料重点实验室,西安,710071)2006204228收稿,2006207224收改稿摘要:研究了N i基n型SiC材料的欧姆接触的形成机理,认为合金化退火过程中形成的C空位(V c)而导致的高载流子浓度层对欧姆接触的形成起了关键作用。给出了欧姆接触的能带结构图,提出比接触电阻C由C1和C2两部分构成。C1是N i硅化物与其下在合金化退火过程中形成的高载流子浓度层间的比接触电阻,C2则由高载流子浓度层与原来SiC有源层之间载流子浓度差形成的势垒

2、引入。该模型较好地解释了n型SiC欧姆接触的实验结果,并从衬底的掺杂水平、接触金属的选择、合金化退火的温度、时间、氛围等方面给出了工艺条件的改进建议。关键词:碳化硅;欧姆接触;退火;碳空位中图分类号:TN 405文献标识码:A文章编号:100023819(2008)012042204Investigation of theM echan ism andM odel about Ni BasedOhm ic Contacts to n-type SiCGUO HuiZHAN G YimenZHAN G Yum ingLV Hongliang(M icroelectronic S chool,X

3、id ian U niversity,X ian,710071,CH N)(K ey L ab.of M inistry of Education f orW ide B and2gap S em iconductorM aterials and D evices,X ian,710071,CH N)Abstract:The mechanism of N i based ohm ic contacts to n2type SiC is studied.The creationof carbon vacancies(V c)during high2temperature annealing in

4、 the near2interface region of the SiCallow increased electron to transport through the Schottky barrier,leading to ohm ic behavior ofthe contact.A ccording to the band structure of ohm ic contact,the specific contact resistanceCconsists of two parts(C1andC2).C1occurs between the contact metal and it

5、s underlying highlydoped sem iconductor layer(NDC)after alloying.C2is brought about by a barrier appeared due tothe concentration difference between theNDCandNDin the SiC active layer.Thismodel is used toexplain the experiment results and to optim ize the process of the ohm ic contact ton2type SiC.K

6、ey words:SiC;ohm ic contact;annealing;carbon vacanciesEEACC:2530D;2550F;25201引言碳化硅(SiC)材料的宽禁带、高热导率、高饱和电子速度,高击穿电场等特性决定了碳化硅器件可以在高温大功率下工作,在国民经济各方面具有广泛的应用。而在高温大功率应用时,欧姆接触的低电阻率和稳定性是决定器件性能的两个关键因素。对于SiC材料来讲,常见杂质在SiC中的扩散系数极低,在合金化的过程中几乎不可能像Si、GaA s第28卷第1期2008年3月 固体电子学研究与进展RESEARCH&PROGRESS OF SSEVol.28,No.1M

7、 ar.,2008联系作者:E2mail:基金项目:国家自然科学基金资助项目(60376001);973项目(2002CB311904)资助等半导体那样靠合金中的掺杂剂掺入来提高界面的掺杂浓度1,这为欧姆接触的形成带来了很大的困难,严重制约了SiC器件发展。目前n型SiC基的欧姆接触通常采用N i金属淀积在重掺杂(51018cm-3)的SiC上进行高温退火(900C)来得到,但是比接触电阻结果参差不齐,而且可重复性差,特别是欧姆接触形成的机理及模型还不够清楚,无法指导制作欧姆接触的工艺过程。文中针对N i基n型SiC材料的欧姆接触的形成机理进行研究,提出了比接触电阻构成的模型,利用该模型对典型

8、的实验结果进行了解释,并对工艺提供了改进依据。2欧姆接触形成机理及实验证明退火中形成的N i的硅化物特别是N i2Si曾被认为是N i基n型SiC欧姆接触形成的关键所在。在上述观点的指导下,直接使用N i的硅化物,或者使用N i、Si分层淀积进行退火来形成N i的硅化物,以期达到降低形成欧姆接触的退火温度并减少退火中造成的缺陷的目的。根据能带理论,N i的硅化物的功函数在416510 eV,型SiC的亲合势是3108410eV,那么N i2Si?n型SiC界面的肖特基势垒高度B应该在016 eV左右2,3。而通过实验结果计算得到的N i硅化物?n型SiC界面的肖特基势垒高度 B是0135014

9、 eV4,两者存在很大差异。由于计算中采用载流子浓度的是退火前使用Hall测试得到的,所以可以推测势垒高度差异主要是因为退火的过程中接触区的有效载流子浓度增加造成的。SiC的掺杂水平是不可能在退火的过程中大幅度增加的,因为杂质在SiC中的扩散系数极低,在合金化的过程中几乎不可能靠合金中的掺杂剂掺入来提高掺杂浓度。但是,SiC材料中的C空位(VC)对电子来说是起施主作用,而Si空位(VSi)是起受主作用。VC的离化能在导带以下015 eV,而VSi是在价带以上0145 eV5。在高温合金化退火时,N i基金属和SiC的互相反应可以导致C原子外扩散,在接触金属层下的区域形成大量的VC。因为VC起施

10、主的作用,会导致接触下面电子浓度的增加,因此电子输运的耗尽层宽度减薄,同时有效隧道势垒降低,导致了比接触电阻的降低,这是N i基n型SiC欧姆接触形成的主要原因,这一点已经得到了实验证实6,7。为了验证N i基n型SiC的欧姆接触的形成是因为大量VC的出现,作者进行了实验验证。实验是在Cree公司的Si面抛光,8 偏轴,受主浓度为1.21016cm-3p型4HSiC外延片上进行的。采用P+离子550C注入,并在A r气氛围中165 0C退火15 m in得到N阱。首先采用3 nmT i、200 nmN i依次蒸发淀积在整个N阱的表面,采用L ift2off工艺剥离后进行了105 0C 15 m

11、 in的退火。之后使用HFHNO3(13)溶液选择性刻蚀去除接触区的金属和硅化物,刻蚀区表面的XEDS测试表明金属和硅化物的刻蚀是彻底的。重新淀积3 nmT i、200 nmN i,进行TLM测量,结果在没有合金化退火的情况下依然形成了欧姆接触,比接触电阻值为615210-48 cm2,并且注入层的方块电阻减少了55%8。实验证明硅化物在欧姆接触的形成过程中并没有起到关键性的作用,同时第二次淀积金属后,不经退火直接形成欧姆接触,说明有效载流子浓度必然大幅度增加,使得耗尽层宽度和有效隧道势垒对电子输运的阻碍大大减少,方块电阻的减少也是因为有效载流子浓度的增加导致的。这些实验结果和前面的结论是一致

12、的。3能带结构图及比接触电阻构成N i基n型SiC欧姆接触的界面区能带图可以分成三个区域(图1),第一个区域即是SiC衬底区,其载 流子浓度即为退火前材料的载流子浓度ND(cm-3);第二个区域是合金化退火之后由于N i基金属和SiC的互相反应形成的含有大量VC的高载流子浓度区,浓度为NDC(cm-3);第三个区域即金属与第二区之间的势垒区。从图1中可以很明显地看出,当电子从金属层移向SiC内部,将会越过1(eV)和2(eV)两个势垒,因此比接触电阻C也应该是两个势垒引起的电阻C1与C2之和。图1n型SiC形成的欧姆接触能带图Fig.1Energy band diagram of ohm ic

13、 contact to n2typeSiCc1的大小视NDC的大小而由热电子场发射(TFE)或由场发射(FE)两个模式所确定,在良好欧341期郭辉等:N i基n型SiC材料的欧姆接触机理及模型研究姆接触的情况下与NDC及势垒1有如下关系9:c1expq1E(1)参考能量E=h2NDCm3s1?2(2)m3是有效质量,s是介电常数,h是约化普朗克常数。C2是由1区和2区之间的高低结势垒引起的。在高低结的界面有载流子扩散,存在载流子浓度的分布,这个结厚度在几个德拜长度(LD)之内,其在外加电场下的多子输运与n+2半绝缘结的多子输运类似10。c2与1区载流子浓度ND和2区NDC及电子态密度NC有如下

14、近似关系1:c2NCNDCND(3)当衬底浓度大于NC达到兼并时,c2与ND无关,势垒2将会消失,c将主要由c1决定,即由退火中产生的C空位的数量来决定;当衬底浓度小于NC,势垒2将会出现并随着浓度的减少势垒高度逐渐增加,如果欧姆接触的其他工艺条件足够好,在退火中产生了足够的C空位(NDC较大)或者产生的势垒1足够的低,那么相对于c2,c1比较小,c将主要由c2决定;当然,如果欧姆接触做的比较差,则是c1和c2共同对比接触电阻c起作用。4实验结果及工艺条件的讨论决定欧姆接触制作结果的因素主要有以下几个方面:(1)衬底的掺杂水平;(2)接触金属的选择;(3)合金化退火的温度、时间、氛围等。根据上

15、面讨论的结果,衬底的掺杂水平(ND)越高,越是有利于欧姆接触的形成,因此制作低比接触电阻的n型SiC欧姆接触,提高材料的掺杂浓度很重要。因为外延材料的高掺杂浓度受到一些条件的限制,选择性的离子注入掺杂成为提高欧姆接触区载流子浓度的重要手段8,11,12。N i基金属是目前制作n型SiC欧姆接触的常用金属,因为N i对于C原子从SiC表面析出有催化的作用13,从而能够提高退火中产生的C空位的数量。基于同样的原因,Co也被大量使用,T i、W等有催化作用的金属也被尝试用来制作n型SiC的欧姆接触。值得注意的是,metal?Si?n2SiC的接触结构被越来越多地采用,Si层的存在对C原子的析出起到了

16、促进的作用。同时,根据文中的模型,增加退火中C空位的数量只是降低c1的途径之一,能否降低1的势垒高度也是选择金属的重要条件。N iSi作为电学特性良好的硅化物,相对于N i金属和SiC反应生成的N i2Si可以和n型SiC形成较低的势垒高度,比较能兼顾C空位的产生和势垒的降低,并且和目前的成熟Si工艺有很好的兼容性,是一种有吸引力的欧姆接触材料14。基于降低势垒的出发点,直接淀积形成势垒较低的新材料制作欧姆接触15,或者试图降低势垒甚至于形成反阻挡层12都有报道。合金化的温度、时间和氛围等工艺条件都是围绕降低c1的降低,即根据有利于C空位的产生以及势垒的降低的原则来确定的。N i基n型SiC的

17、合金化温度通常在900C以上,因为这个温度以上才会出现大量的C空位5。采用metal?Si?n2SiC的接触结构可以先较低温度退火反应生成硅化物以降低势垒,然后高温退火来生成足够的C空位16。退火的时间也需要根据具体的金属结构优化,时间过短会导致反应不完全,过长则导致反应结果的变化。如高温退火时间过长,析出C原子过多的话,虽然C空位足够的多,但是界面处会形成无定型C层,阻碍比接触电阻的降低13。合金化退火中合金层的被氧化是绝对需要避免的,因此退火的氛围多采用A r或者N2中添加少量的还原性气体H2(体积含量1%10%)4,16,17。在退火前金属表面淀积A u等不易氧化的金属作为退火中的抗氧化

18、层也是一种可供选择的方案18。5结论对N i基n型SiC材料的欧姆接触的形成机理进行研究,认为合金化退火过程中形成的C空位(VC)而导致的高载流子浓度层对欧姆接触的形成起到了关键作用。给出了欧姆接触的能带结构图,提出比接触电阻c由c1和c2两部分构成,c1是N i硅化物与其下在合金化退火过程中形成的高载流子浓度层间的比接触电阻,c2是由高载流子浓度层与原来SiC有源层之间载流子浓度差形成的势垒引入的。如果退火前的SiC中载流子浓度小于有效态密度,且当退火过程中形成的C空位足够多,高载流子层的浓度足够高时,c1会很小,比接触电阻主要由c2来决定,c取决于退火前的载流子浓度;如果退火前的载流子浓度

19、大于有效态密度则比接触电阻由c1来决定,这时比接触电阻将取决于高载流子层的浓度即C空位,而与退火前的载流子浓度无关。在该模型的基础上对大量的实验结果进行了解释,并从衬底的掺杂水平、接触金属的选择、合金化退火的温度、时间、氛44固体电子学研究与进展28卷围等方面给出了工艺条件的改进建议。参考文献1吴鼎芬,王德宁.GaA s及其他半导体欧姆接触模型J.物理学报,1985,34(3):3322340.2Q in M ing,V incentM C Poon,Stephen C H.Investi2gation of polycrystalline nickel silicide film s as

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