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碳化硅压力传感器欧姆接触电阻率的测量方法*

2024-03-04任向阳张治国刘宏伟李永清贾文博祝永峰王卉如钱薪竹

微处理机 2024年1期
关键词:欧姆碳化硅电阻率

任向阳,张治国,刘宏伟,李永清,李 颖,贾文博,祝永峰,王卉如,钱薪竹

(沈阳仪表科学研究院有限公司,沈阳 110043)

1 引言

作为第三代半导体材料的代表,碳化硅具有禁带宽度大(2.4~3.0eV)、抗氧化性强、高击穿电场(4×106V/cm)、高热传导系数(5 W/(m2·K))等特点,而被广泛应用于高温、高频、大功率器件等领域[1-2]。然而,由于碳化硅材料同时具有硬度大(仅次于金刚石)、耐腐蚀性强等特点,导致加工工艺受限,限制了碳化硅器件的发展。随着加工工艺的不断提升和改进,目前已经出现多种碳化硅加工手段,如RIE 刻蚀、ICP刻蚀[3]、机械精密加工[4]、超声加工[5]、激光加工[6-7]等,也推动着碳化硅晶圆质量的不断提升,使碳化硅产业呈现出迅猛发展的趋势。由于碳化硅离子扩散系数低、杂质离化能高,对于碳化硅器件,要形成耐高温、高可靠性的欧姆接触,通常需要采用复合电极形式,而且合金温度需要在900℃以上,条件较为苛刻。鉴于此,有必要对电极欧姆接触进行合理的准确的验证。

2 国内外研究现状

碳化硅压阻式压力传感器,按照材料不同,可分为三种,即:3C-SiC、4H-SiC 和6H-SiC。

3C-SiC 压力传感器是在硅上异质外延生长的一薄层碳化硅。碳化硅作为器件层,具有与硅MEMS工艺兼容性好、加工难度小的优点。其缺点是硅与3C-SiC 器件层的晶格失配度高达20%,界面缺陷较多,影响器件性能。另外,在使用温度上,由于受体硅材料的影响,温度提升空间较小[8-9]。

4H-SiC 和6H-SiC 压力传感器属于全碳化硅压力传感器。前期的研究以6H-SiC 为主,近几年随着4H-SiC 相关工艺的开发与完善,4H-SiC 逐渐成为全碳化硅压力传感器的主流[10-12]。

由于N 型碳化硅的压阻系数相比之下高于P型,因此碳化硅压力传感器的材料多选用N 型。而对于N 型碳化硅,形成欧姆接触的金属主要有Ti 基和Ni 基复合金属系统。通常以Au 作为顶层压焊层,为了抑制半导体与金属原子间扩散,中间再加以扩散阻挡层,如Pt、Cr、W 等贵金属。2015 年,有研究团队采用Ti/Ni/Au(50/300/20 nm)电极,经1000 ℃、90 s 快速热退火,形成电阻率低至(4~5)×10-6Ω·cm的欧姆接触[13]。2006 年,杨银堂教授[14]采用Ti/Ni/Au(30/250/200nm)电极,在900℃Ar氛围下合金30 min,形成的接触电阻为1.4×10-5Ω·cm2。2009 年,国外团队研究了在950℃高温退火后,N 型4H-SiC 表面Ni和Ni/Ti 基金属化的微观结构[15]。对于Ni/SiC,在退火过程中形成了Ni2Si 和NiSi 相的混合物,另有大量碳原子游离到表面层;对于Ni/Ti/SiC,Ni2Si 是唯一形成的相,同样测得碳在表面富集,对深入分析碳化硅合金机理起到了指导作用。

3 实验原理

对于接触电阻率ρ,虽然目前测试接触电阻率的方法有很多,但是最常用的是线性传输线模型LTLM(Linear Transmission Line Model)。

L-TLM 由Shockley 于1964 年提出,后经他人多次改进[16-19]。此法由于制作和测试简单,获得的结果较为准确,现在已成为测试欧姆接触电阻率的主要方法。L-TLM 测试图形正面如图1 所示。

图1 L-TLM 测试图形

两个相邻电极之间的总电阻由接触电阻和体电阻组成。总电阻用RT表示,公式为:

由于电流在半导体内的分布是不均匀的,而电流进入半导体处的电流密度最大,式中Rf称为“前沿”接触电阻。LT是传输长度,其定义为从金属电极边缘的电流密度降至1/e 时位置的距离。RSH为碳化硅的薄层电阻;RSK为接触合金下碳化硅薄层贡献的电阻。为方便计算,可近似认为RSH=RSK。W 为金属电极的宽度,l 为不同金属电极间的距离,可根据实际工艺情况做适当调整。

如果金属-半导体接触(M-S 接触或金-半接触)界面没有势垒,I-V 特性曲线理论上应该呈现良好的线性对称关系。测试时,在样品上的不同距离为Ln的金属电极间通恒定电流I,同时测出两电极间的电压值V,即可求出总电阻值RT。通过测试多对电极之间的电阻值,做出对应的RT~l 的拟合曲线。该曲线与X 轴和Y 轴的截距分别为2LT和2Rf。此法即为图解法,如图2 所示。

图2 L-TLM 图解法测试接触电阻率

根据图解法求出直线斜率,根据已设定的W 值进而求出RSH,再由图解法求出LT值,结合下式,即可计算出接触电阻率的数值:

4 设计与实验

在碳化硅材料的参数选择上,由于碳化硅离子注入后杂质激活率较低、晶格缺陷浓度高,而且需要高温高能量的离子注入条件,另外为了与金属电极形成良好的欧姆接触,碳化硅器件层掺杂浓度需要做到很高,因此,制备时采用外延掺杂的方式实现碳化硅器件层的高掺杂。

在碳化硅外延片的结构上,考虑到N 型碳化硅的压阻系数相对高于P 型,为了使传感器具有更高的灵敏度输出,采用NPN 型碳化硅外延片结构,即在N 型碳化硅衬底上先外延一层低掺杂P 型碳化硅外延隔离层(厚度5μm,掺杂浓度1×1017cm-3),再外延一层N 型重掺杂碳化硅外延器件层(厚度2μm,掺杂浓度1×1019cm-3)。

在T-LTM 的制备上,共需要制备两块光刻掩膜版。其中一块为碳化硅器件层刻蚀光刻版,用来图形化碳化硅器件层;另一块为复合金属电极光刻版,在碳化硅器件层区域形成电极图形。经半导体标准工序制备的L-TLM 碳化硅样品的正面测试图形参见图1。版图中边框线部分的碳化硅被刻蚀掉,只保留中部区域的碳化硅,形成图形化的复合电极。为了提高试验测试的准确性,可适当改变测试图形的参数,设计成多种不同参数的试验方案,如表1 所示。此外,为了减少寄生电阻,电极与边缘的距离δ 应尽可能的小。

表1 不同参数下L-TLM 样品几何尺寸单位:μm

T-LTM 碳化硅测试样品制备流程如图3 所示。具体为:

图3 碳化硅L-TLM 样品制备流程示意图

1)旋涂光刻胶,烘干后曝光;

2)显影,将掩膜版上的图形转移至光刻胶掩膜;

3)RIE 刻蚀顶层碳化硅,将光刻胶掩膜上的图形转移至碳化硅器件层,去除光刻胶;

4)溅射复合金属电极,在碳化硅器件层上溅射复合金属电极层;

5)经过涂胶、光刻、腐蚀金属、去胶等工艺后将第二块掩膜版图形转移至复合金属电极,再经过高温合金后形成L-TLM 碳化硅测试样品。

采用Ni/Au(100/200nm)复合电极,分别在氮气氛围保护下进行700℃和1000℃合金试验,合金时间均为1min。合金前后I-V 曲线如图4 所示。

图4 合金温度试验I-V 曲线。

可见,合金前呈现明显的肖特基接触,700℃合金后,I-V 曲线仍呈非线性,为肖特基接触;1000℃合金后,I-V 曲线呈现出线性关系,经T-LTM 测试,接触电阻率约为0.88×10-4Ω·cm2,达到了良好的欧姆接触效果。

5 结束语

I-V 特性曲线和接触电阻率共同决定着金属-半导体欧姆接触系统的稳定性和可靠性。碳化硅压力传感器应用温度一般超过400℃,因此以极高要求实现欧姆接触电极系统,才能满足长时间高温稳定性需求。结合L-TLM 测试方法,对Ni/Au 电极与N 型碳化硅在不同温度下的合金工艺进行研究,最终得到实现碳化硅工艺低欧姆接触率的合金方案,为碳化硅高温压力传感器的开发提供了技术参考。

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