SiC基反向开关晶体管RSD关键工艺概述

梁 琳, 吴文杰, 刘 程, 潘 铭

(华中科技大学光学与电子信息学院， 湖北 武汉 430074)

SiC基反向开关晶体管RSD关键工艺概述

梁 琳, 吴文杰, 刘 程, 潘 铭

(华中科技大学光学与电子信息学院， 湖北 武汉 430074)

本文首次概述了采用宽禁带半导体材料4H-SiC制备脉冲功率开关反向开关晶体管 (RSD)所涉及到的关键工艺。包括选择性刻蚀、选择性掺杂、欧姆电极制备以及台面终端造型等在内的多步主要工艺均与Si基RSD完全不同，采用氟基气体感应耦合等离子体(ICP)刻蚀得到了合适的刻蚀速率、表面粗糙度及形貌，采用多次氮离子注入及高温退火完成选择性掺杂，采用Ni/Ti/Al多层金属配合适当退火温度完成欧姆电极制备，采用机械切割斜角完成台面终端造型，最终得到了合理的器件正反向阻断特性。

SiC RSD； 脉冲功率开关； 工艺； ICP刻蚀； 离子注入； 台面终端造型

1 引言

随着半导体开关性能的不断提高，近年来脉冲功率开关半导体化的趋势日益明显[1]。常见的功率器件包括功率MOSFET、IGBT、IGCT、SITh等均可应用于脉冲功率领域[2]，而基于反向可控等离子层开通的反向开关晶体管 (Reversely Switched Dynistor，RSD)更是直接针对高功率脉冲工况提出，具有兼顾高电压、大电流和高di/dt耐量的理想特性[3-5]。我们曾经采用3吋Si基RSD堆体在12kV放电电压下成功通过173kA峰值电流[6]，采用降低单只器件阻断电压、引入缓冲层以及两步法开通等多种方式从结构及应用层面改善器件特性[7]。而要在器件的阻断特性和开关特性间取得更好的折中，应考虑采用新型材料。宽禁带半导体材料SiC由于高绝缘击穿场强、高本征温度、高热导率等优势，被认为是制备功率半导体器件的理想材料[8-10]。其中，4H-SiC具有更宽的带隙、更高的电子迁移率和较小的电学各向异性，更适合大功率领域的应用[11]。采用4H-SiC材料制备RSD器件，理论上可获得更高的阻断电压、更大的电流密度和更好的重频性能。

在半导体基本加工工艺中，Si和SiC可以兼容氧化和光刻；由于SiC化学性质稳定，Si器件中常见的高温扩散和湿法腐蚀都不再适用，掺杂可选择外延生长或者离子注入配合高温退火实现，刻蚀则多采用近年成熟起来的感应耦合等离子体 (Inductively Coupled Plasma，ICP)干法刻蚀工艺；此外，金属电极制备，尤其是p型SiC欧姆接触低比接触电阻的获得一直是研究重点；SiC功率器件结终端结构以往多以平面为主，包括场限环、场板等，另有少量台面结构报道[12]。本文将重点对制备4H-SiC RSD所需的关键工艺做一概述。

2 ICP刻蚀

ICP系统可以在低压(1～20mTorr)下工作，产生的等离子体密度在1×1011～1×1012cm-3量级，入射在晶片上的离子能量由衬底偏压决定，可以得到干净、光滑、快速和低损伤的SiC刻蚀[13]。刻蚀气体多为氟基气体(NF3、CF4、SF6)与O2的混合气体[14-16]，也有氯基气体(如Cl2+Ar)的报道[17]。其中，CF4/O2混合气体早在1998年就被应用于刻蚀SiC材料，并被证明具有相对较高的刻蚀速率和光滑的表面。由于表面损伤低，所以由此工艺制备的器件能反映出优异的性能[13]。CF4/O2与SF6/O2、NF3/O2等刻蚀气体相比，刻蚀速率稍低，但表面均方根粗糙度更好。4H-SiC在Cl2+Ar混合气体中的ICP刻蚀曾获得过194nm/min的刻蚀速率和1.237nm的表面均方根粗糙度[17]。刻蚀过程中须控制的重要参数包括ICP线圈功率、RF功率、刻蚀气体流量、温度以及压强。ICP线圈功率决定等离子体的密度以及等离子体内部自由电子的能量，RF功率决定离子的动能，刻蚀速率随这两项增加均单调递增。刻蚀气体流量对刻蚀速率的影响与氟基刻蚀物或氯基刻蚀物的去除速率有关，一般存在最优混合比。刻蚀质量的好坏主要通过刻蚀速率、刻蚀后表面均方根粗糙度以及侧壁和底面形貌等衡量。

采用CF4/O2混合气体，在合适的工艺参数配置下，获得的最高刻蚀速率达到213.47nm/min，同时经原子力显微镜(AFM)测量表面均方根粗糙度仅为0.724nm，保证了较好的表面质量。图1为经成功剥离和ICP刻蚀后SiC晶片的扫描电子显微镜(SEM)照片，其中深色区域为刻蚀区域。

图1 成功剥离和刻蚀SiC晶片的SEM照片Fig.1 SEM photo of SiC wafer after lift-off and ICP etching

3 离子注入与高温退火

由于SiC中杂质扩散系数非常小，选择性掺杂一般通过离子注入实现。在SiC中形成P型区通常注入铝离子Al+或硼离子B+，其中，Al+由于电离能级小而易于形成较低薄层电阻的重掺杂区，B+由于质量轻能达到更大的区域而易于形成深结[18]。形成N型区通常注入氮离子N+或磷离子P+，其中，N+由于质量轻而应用广泛，但固溶度较低导致薄层电阻偏高[19]，高剂量P+注入可以获得低薄层电阻，不过需要在高温下注入[20]。高温退火的主要目的是激活杂质以及消除缺陷[21]。

有报道采用6×1016cm-2高剂量P+在500℃下注入配合1700℃高温退火，在4H-SiC上获得了最低0.9mΩ·cm的电阻率，其中高温退火过程用C膜保护SiC表面，表面粗糙度仅1nm[19]。多数实验表明越高的退火温度可以获得越高的激活率[21]。总的来说，Ⅴ族杂质的注入难度低于Ⅲ族，其中N+激活能较小，可以在常温下注入，并在相对较低的退火温度下实现激活。

离子注入的主要工艺参数包括注入能量和剂量、注入晶向等，退火的主要工艺参数包括退火温度、时间和气氛，以上参数综合决定离子注入的浓度、深度、分布和激活率。

SiC RSD阳极的n+发射区通过四次N+离子注入形成，注入方案示意与注入后杂质分布的理论结果如图2所示。为了得到高激活率，选择了尽可能高的退火温度。

图2 四次氮离子注入设计与总杂质分布计算结果Fig.2 Four-times nitrogen ion implantation design and sum dopant distribution

4 欧姆电极制备

目前N型SiC欧姆接触工艺已较为成熟，一般采用Ni基金属，理想情况下比接触电阻可小于10-6Ω·cm2[22,23]。P型SiC由于接触势垒更高，获得低比接触电阻一直是工艺难点，目前采用Al-Ti金属或Al-Ni金属可获得10-4～10-5Ω·cm2的比接触电阻[24,25]。

对于SiC RSD，由于阳极侧由p+和n+小单元交替排列而成，可行的方法是选择一种能兼顾P、N型SiC欧姆接触的金属及其制备方案(沉积方法及退火方式)。曾有报道采用Ni金属同时制备p+和n+4H-SiC欧姆接触，得到的比接触电阻分别在10-4Ω·cm2和10-6Ω·cm2量级[26]。假设脉冲电流密度峰值为104A/cm2，那么10-4Ω·cm2比接触电阻产生的欧姆接触压降为1V，在双极型SiC高压器件总的正向压降中，这应该是一个可以接受的数值。另有报道采用Ni/Ti/Al多层金属组合，950℃退火5分钟，分别在p型和n型4H-SiC上获得比接触电阻4.2×10-5Ω·cm2和7.8×10-5Ω·cm2[27]。参考以上方案，目前采用含Ni金属配合快速退火完成SiC RSD欧姆电极制备，已获得合理的兼顾P、N的比接触电阻值。

5 台面结终端造型

SiC RSD基于反向可控等离子层控制开通，施加反向电压触发，不需要具备反向阻断能力。结终端结构的制作主要为提高正向阻断电压，使其接近理论值。由于承担正向阻断电压的是低掺杂的N型漂移区和P基区组成的集电结，相对正面而言这是一个深结，如场限环一类的平面结终端不再适用，须通过形成台面得到合适的斜角，以延长电场线在表面的展宽，降低表面电场，提高击穿电压。由于SiC材料的高硬度，Si中常用的喷砂或磨角形成台面终端的方法都不再适用。有文献报道通过刻蚀的方法形成台面，但对于这类较深和较宽的斜角制备，实用性不强且不易控制。最近由美国北卡罗莱纳州立大学提出的一种机械切割形成斜角的方法颇具吸引力[28]，该方法与SiC晶圆裂片工艺高度兼容，只需替换带有角度的刀片即可实现，工艺的关键在于控制切割深度、速度，以及切割后的刻蚀。由于机械切割的方法会对SiC表面造成损伤，所以后期的刻蚀处理是必需的。约几百nm的刻蚀可显著提升阻断能力和减小漏电流。刻蚀之后还需及时对新鲜的台面进行保护。图3为SiC RSD芯片经45度斜角造型后的照片, 其中图3(c)为斜角部分的SEM照片，可以证明相交正交直角处的电场比斜角台面处更小，击穿电压不受这个交叉角的影响[28]。图4为造型后器件正向和反向的阻断电压，此为刻蚀和保护工序进行之前的结果，在氟油中进行测试。正、反向电压与设计值均较为吻合。

6 结论

采用4H-SiC材料制备脉冲功率开关RSD是一项全新的尝试，SiC基RSD除继承了Si基RSD基于可控等离子层的开通原理，从器件模型、结构设计到制备工艺与Si基RSD都有很大区别。本文重点概述了包括选择性刻蚀、选择性掺杂、欧姆电极制备以及台面结终端造型在内的关键工艺技术，初步获得了器件的阻断特性。针对每步工艺的具体研究将在其他论文中独立报道，开关特性须在完成最终裂片以及封装工序后测试。

图3 SiC RSD的斜角结终端Fig.3 Bevel edge termination for SiC RSD

图4 阻断特性测试结果Fig.4 Measurement results for blocking characteristics

致谢:感谢浙江大学苏州工业技术研究院、美国北卡罗莱纳州立大学NNF实验室(Nanofabrication Facility，NCSU)、武汉光电国家实验室(筹)提供加工及测试平台。

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Key process summary of SiC-based reversely switched dynistor (RSD)

LIANG Lin, WU Wen-jie, LIU Cheng, PAN Ming

(School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The key processes related to fabrication of the pulsed power switch RSD(reversely switched dynistor) with the wide bandgap semiconductor material 4H-SiC are summarized in this paper firstly. Multiple key processes including selective etching, selective doping, ohmic contact electrode fabrication and bevel edge termination are totally different from those of Si-based RSD. The selective etching is carried out by the ICP(inductively coupled plasma) etching with fluoro-based gas. Proper etch rate, surface roughness and morphology are acquired in experiments. The selective doping is carried out by the multiple nitrogen ions implantation and high temperature annealing. The Ni/Ti/Al metal with proper annealing temperature is used to fabricate the ohmic contact electrodes, in which the specific contact resistances for both P and N type SiC are considered. The bevel dicing with etching treatment is used to make the junction termination, which is still a new and special process for SiC power devices. Reasonable forward and reverse blocking characteristics are acquired finally.

SiC RSD; pulsed power switch; process; ICP etching; ion implantation; bevel edge termination

2015-02-22

国家自然科学基金(51377069)、 台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》(DREG2013004)、 中国工程物理研究院脉冲功率科学与技术重点实验室基金(PPLF2013PZ02)、 中国国家留学基金委 (201308420123) 资助项目

梁 琳(1981-)， 女， 湖北籍， 副教授， 博士， 主要研究方向为电力电子器件及封装、 脉冲功率器件及其应用、 宽禁带功率半导体。 吴文杰(1992-)， 男， 湖北籍， 硕士研究生， 研究方向为碳化硅功率半导体器件。

TN335

A

1003-3076(2016)04-0056-05