（微电子学与固体电子学专业论文）基于4hsic的缓变基区bjt外延工艺研究.pdf

摘要 摘要 外延生长是制作4 h s i c 器件的关键工艺之一，外延层的质量直接决定了器件的 性能。本文研究了4 h s i c 外延生长与b j t 器件特性的关系，设计和优化了相应b j t 器件的外延生长工艺。 首先采用s e n t a u r u s 软件对4 h s i cb j t 器件进行了仿真研究。通过软件仿真和与 现有的实验结果相比较，对4 h s i c 材料的模型及参数进行了校正，其后选择合适的 参数，仿真缓变基区b j t 器件的特性，并与基区均匀掺杂的b j t 对比，结果表明基区 缓变对器件的电流增益，截止频率都有明显的提升，但会导致e a r l yv o l t a g e 降低。基 于这一结论，本文设计了一种基区双层缓变掺杂的b 盯掺杂分布。 然后设计了相应的缓变基区b j t 的外延生长工艺步骤。工艺研究从c v d 原理开 始，详细阐述了生长参数对碳化硅外延层的质量和生长速率的影响，并总结了现在外 延层生长中遇到的主要缺陷，如深能级缺陷、三角缺陷、基面位错等。通过分析外延 层中缺陷的产生机理，对其后的外延生长提供指导。在详细的介绍了外延设备( v p 5 0 8 ) 的掺杂浓度控制方法之后，本文给出了控制b j t 掺杂浓度的工艺参数，并设计了b j t 的外延片的生长工艺流程。 最后为外延片的表征测试。光学显微镜下没有观察到明显的形貌缺陷，表明外延 层的表面良好，原子力显微镜测得表面平坦，表面粗糙度均方根为0 2 0 7 n m ；r a m a i l 和x 衍射光谱分析分析表明生长的外延层的结晶质量良好，无其它晶型i 但外延层中 存在较多缺陷；s i m s 测试表明外延片的掺杂和各层的厚度满足预期要求，适用于b j t 的制作。 关键词l4 h s i c 缓变基区bi tc v i ) 工艺外延表征 a b s t r a c t e p i t a x i a lg r o w t hi sk e yp r o c e s st om a k es i cd e v i c e s ，a n di t sq u a l i t yd i r e c t l y d e t e r m i n e st h ed e v i c ep e r f o r m a n c e b ys t u d y i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i ce p i m x i a l a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb j td e v i c e s ，t h ee p i t a x i a lg r o w t hp r o c e s sf o rt h eb j td e v i c e s w a sd e s i g n e da n do p t i m i z e di nt h i sp a p e r f i r s t , t h es i m u l a t i o nr e s u l to fb j ti sp r o v i d e d t h es e n t a u r u ss o f t w a r ei su s e df o r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nb j tc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a t e r i a l p r o p e r t i e s ，d o p i n ga n d s t r u c t u r eo f b j t t h e4 h - s i cm a t e r i a lm o d e la n dp a r a m e t e r sa 托s t u d i e dt h r o u g ht h e c o m p a r i s o no ft h es i m u l a t i o na n dr e p o r t e de x p e r i m e n t a lr e s u l t so fb j t t h e nw ef o c u s o nt h en o n - u n i f o r mb a s ed o p i n gp r o f i l eo fb j td e v i c e s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ed cg a i ni si n c r e a s e d ，t h et r a n s i tt i m et h r o u g hb a s er e g i o ni sd e c r e a s e d , a sw e l la s t h ec u t - o f ff r e q u e n c yo fb j ti si m p r o v e d i ta l s os h o w st h a tt h ed i f f e r e n c ei nd c g a i n c a u s e db yt h eg r a d i e n th a ss o m ei n f l u e n c eo nt h et u r n - o na n dt u r n - o f fd e l a yt i m e s oa d o u b l el a y e r 、析mg r a d i n gd o p i n gp r o f i l eb a s ei sp r o p o s e di nt h i sc h a p t e r a n dt h e nt h ee p i t a x i a lg r o w t hp r o c e s sf o rt h eb j td e v i c e si si n t r o d u c e d t h e i n f l u e n c eo fs i cc v dp r o c e s sp a r a m e t e r sf o rt h eq u a l i t yo f e p i t a x i a ll a y e ri sa n a l y z 以 a n dt h ec o m m o nd e f e c t so fe p i t a x i a la r es u m m e du pi nt h eg r o w t hp r o c e s s ，s u c ha s d e e p - l e v e ld e f e c t s ，t r i a n g u l a rd e f e c t s ，a n db a s a lp l a n ed i s l o c a t i o n f u r t h e r , t h ed o p i n g c o n t r o lp r i n c i p l ei nt h ee p i t a x i a lg r o w t hi se l a b o r a t e d t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa r eg i v e n b ys o m ep r e v i o u se x p e r i m e n ti no u re q u i p m e n t ( v p 5 0 s ) ，a n dap r o p e rp r o c e s sr e c i p e w a ss e ti ni t t h eb j te p i t a x i a lf i l mw a sc h a r a c t e r i z a t i o nb yk i n d so fm e t h o d s t h e r ea r en o o b v i o u sd e f e c t sa tt h ee p i t a x i a ll a y e rs u r f a c ec h a r a c t e r i z e db yo p t i c a lm i c r o s c o p y t h e a f ms h o wt h a tt h es u r f a c ew a sp l a n a ra n dt h er m sw a so n l y0 2 0 7 r i m t h eg o o d c r y s t a l l i z a t i o nq u a l i t yw a sp r o v e db yr a m a na n dx - r a yd i f f r a c t i o n a tl a s t , t h ep r o f i l eo f t h ee p i t a x i a ll a y e ri sp r o v i d e db ys i m st e s t , a n dr e s u l t ss h o wt h a tt h ed o p i n gp r o f i l eo f e p i t a x i a lw a f e r sm e e t t h er e q u i r e m e n t so ft h eb j t k e y w o r d s ：4 h s i cb j t c v d c p i 1 a y e rc h a r a c t e r i z a t i o ne x t e n s i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1s i c 材料优点 二十世纪，以硅为代表的微电子技术深刻的改变了我们的生活，从无处不在 的消费电子产品，到体现这一个国家科技发展水平的航空航天设备，到处都有微 电子技术发展带来的强大推动力。 微电子技术的发展，一方面来自于半导体工艺的提升，优良的工艺，可以充 分的发挥材料的性能，降低器件的制作成本，另一方面则取决于材料本身的性能， 要制作工作特性更好的器件，就需要研究性能更好的半导体材料，目前半导体材 料的发展即遵循着这样的规律。人们将现在发展比较成熟的硅锗材料称为第一代 的半导体材料，其中硅材料，研究的时间最长，应用的范围最广，是现在整个微 电子行业的基石。随着电路系统和应用环境的复杂化，对电子器件的工作速度、 环境适应能力等要求也越来越严格，硅材料已经不能满足这些方面的要求，因而 需要研究更符合这些具体应用的半导体材料。以砷化镓、磷化铟为代表的第二代 半导体材料开始被关注，并在一定程度上满足了要求，这些材料通常都由两种或 以上元素构成，因而也称为化合物半导体材料。 在航空、航天、军事等领域，电路常需要在更严酷的环境下工作，如高温，。 高辐射环境下，研究在这种环境下工作的电子器件称为极端电子学。硅半导体电 路最高工作温度仅为1 5 0 ( 2 左右，砷化镓、磷化铟等第二代半导体材料受禁带宽带、 导热率限制，在这些方面也不能胜任，而以碳化硅、氮化镓为代表第三代半导体 在这些方面却有着不可比拟的优势。第三代半导体也被称为的宽禁带半导体，主 要指禁带宽度大于2 4 e v 的半导体材料，其中碳化硅以其宽禁带、高击穿临界电场、 高热导率和抗辐射的特性，有效的解决了极端电子学面临的问题，因而在航空、 航天、军事等领域有着极其重要的应用前景。 一一气；f 图1 1 原子排列示意图( 此晶面为( 1 1 - 2 0 ) 晶面) 2 基于4 h s i c 的缓变基区b i t 外延工艺研究 碳化硅材料存在多种同素异形体，其差别主要来自密积层排列顺序，目前研 究的主要晶型有3 c 、4 h 、6 h ，图1 1 给出了这三种晶型的密积层排列顺序。由于 其密集层排列顺序多变，且同素异形体之间的外延生长条件相似，因而生长困难， 易产生缺陷。表1 1 对比了几种常见的半导体材料的特性，从表格中可以看出碳化 硅材料，禁带宽带在3 e v 以上，工作温度可以到达1 2 0 0 k ，在常见高温环境下都 可以正常工作，甚至在一些严酷的太空环境( 如金星表面7 5 0 k ) 都可以工作。 表1 1 常用半导体材料的基本特性【1 2 1 s ig a a s3 c - s i c4 h - s i c6 h s i cg 口n b a n d g a p ( e v ) 1 1 21 4 32 23 233 4 5 t w 4 1 05 7 08 4 01 2 3 01 2 0 01 2 5 0 九( wc m 1k 1 ) 1 3 5 0 4 53 53 53 5l e e r ( 1 0 5v c m 1 )2 532 02 22 53 0 v s ( 1 0 7c ms 1 ) ll2 5222 5 ( c m 2 v s ) 1 3 5 0 8 5 0 01 0 0 0 9 5 0 5 0 01 0 0 0 ( c m 。s ) 4 8 04 0 04 01 2 08 03 0 t w = 工作温度，九= 热导率，e c r = 击穿临界电场，v s = 饱和载流子速度( 电子) ， 电子迁移率，h 电子迁移率 碳化硅器件不但为军事航空等领域面临的问题提供了解决方案，基于碳化硅 的功率器件在民用方面也受到广泛的关注。对于功率器件，击穿电压和特征导通 电阻( s p e c i f i co i l r e s i s t a n c e ，或r o ns p ) 是重要性能参数，而这些参数主要由半 导体材料本身的特性决定。以单边突变结为例，其击穿电压为结中间承受最大电 场时的电压，特征导通阻抗主要为低掺杂层的欧姆电阻，通过简单的理论计算， 可以得出击穿电压和特征导通电阻的关系，满足式1 1 。 4 v2 如驴= 二簧 ( 1 1 ) ， p 幢e c 其中v b r 为器件的击穿电压，e c 为材料的临界击穿电场，掣。分别为材料的 介电常数和迁移率，在表1 1 中可知，s i c 的临界击穿电场为s i 的8 1 0 倍，理论 上相同击穿电压下的碳化硅功率器件，其特征导通电阻仅为硅的千分之一，因而 工作效率可以大大提高。 碳化硅是良好的热导体，在室温下，碳化硅的热导率为3 - 5 w c m l k 1 ( 4 h s i c ) ， 比常见的金属都高，因而碳化硅半导体材料能很好的将自身产生的热量传导出去， 使得其用于制作高压、高功率的半导体，器件不容易发生热击穿。 将原来的硅器件替换为新型的碳化硅器件，可以大大降低设备功耗，实现硅 器件无法完成的小型化和高效率。图1 2 展示了碳化硅器件潜在的应用领域，如送 电系统、电力机车、混合动力汽车、工厂内的生产设备、太阳能发电系统上利用 的功率调节器、以空调为代表的白色家电、服务器及个人电脑等领域，如果这些 第一章绪论 3 领域的功率元件使用s i c 替代，将在能源与环保之间引发一场巨大的绿色革命， 这也是越来越多的研究者开始重视这一材料的原因。 翁 嵫i 缓绷甏；瓣蠡翟圈基霾爱目 童瓣麟黼虢轰自藤翘麓圈翻溺蘸狲 y ；鞴戳鞴酾瀚匿麟鎏圈隧缴嬲l 臻蚕矽 飞溅然i 搿猫麓g 麓翟臻黼 、电糍i 耩鬻蹦鞫矿磁r n 汐 、翟誉眷洋7 图1 2 碳化硅器件的潜在用途 1 2 碳化硅材料的发展现状 1 2 1 体材料制备工艺发展 1 8 9 1 年美国的发明家e d w a r d a c h c s o n 在试制金刚石时，偶然发现了碳化硅晶 体的制备方法。他把硅土( 主要为二氧化硅) 、焦炭、少量的锯末和盐的混合物放 在炉子，加热到2 7 0 0 ，偶然在炉内的生长出了碳化硅晶体。这样方法制备的碳 化硅为很小的单晶体，只能用于研磨、切割和抛光领域。1 9 5 1 ，l c l y 研究了一种 质量更好的单晶片生长工艺，他采用真空炉，把多晶碳化硅加热到2 6 0 0 ，并保 持很均匀的温度分布，通过碳化硅升华再结晶的方法，最终生长出了质量很高的 碳化硅单晶片( p l a t e l e t s ) 。在此研究基础上，1 9 7 8 年t a i r o v 和t s v e t k o 提出了一 种制备碳化硅晶体的籽晶升华法( s e e d e ds u b l i m a t i o ng r o w t h ) 3 1 。这种工艺采用单 晶片作为籽晶，首先把碳化硅加热到开始明显升华的温度，然后让碳化硅蒸汽在 温度稍微低一些的碳化硅籽晶上结晶。籽晶的晶向，惰性气体的气压，石墨的纯 度及温度的径向分布，都对生长的单晶体质量有明显的影响。这一工艺后来也被 称为物理气相输运工艺( p h y s i c a lv a p o rt r a n s p o r t ，p v t ) 。 1 9 8 7 年，c r e e 公司成立，专门研究用于生长高质量碳化硅单晶体的p v t 工 艺，该公司制备出可切割为晶圆的单晶体，并成功的将碳化硅材料推向商业化发 展。随着碳化硅晶圆的发展，有关碳化硅的器件研究才开始增加。 最开始时，p v t - i - 艺是在真空环境或者低压的氩气环境中，把碳化硅粉末加 热升华，形成含有s i c 2 、s i 2 c 和s i 的蒸汽，蒸汽上方放置有碳化硅的籽晶，由于 静 ，#*；?耻置酬箍钱g ( | 麓 4 基于4 h - s i c 的缓变基区b j t 外延工艺研究 籽晶的温度处于整个反应系统的最低点，使得蒸汽在籽晶上凝结生长。这种方法 的优点是生长速度非常快，可以达到l m m h ，生长的晶锭也较大，可以超过籽晶 的大小。主要的缺点是生长的单晶纯度较低，且生长温度过高，比较难以控制。 九十年代末，研究者又引入一种新型的高温化学气相淀积( h t c v d ) 的工艺 【4 】，这种工艺的主要不同是，源材料采用了高纯度的气态硅源和碳源，同时采用开 放式的反应室取代原来完全封闭的结构。除此之外，h t c v d 工艺中，反应室气压 可以在一个很大的范围内调整，从而很容易控制单晶生长的均匀型和速率。 最近，一种卤化物c v d 工艺【5 l ( h a l i d ec v d ) 又被引入，这种工艺与h t c v d 非常相近，不同之处是在反应源气体中加入了含氯的前导气体，同时反应炉的结 构也有所调整，气源的输入采用了分散式的气体注入装置( as p l i tg a si n j e c t o r ) ，同 时气体的出口被设置到反应室的底部。理论上含有氯元素能够降低淀积工艺的温 度，但这种设备通常的需要的反应温度仍然在2 0 0 0 以上。 1 2 2 衬底材料的发展现状 现在国际上的关于衬底的研究主要在下面两个方面，一方面努力降低晶圆上 的缺陷，尤其是微管密度，另一方面集中在扩径方面，目前生产的s i c 衬底最大 直径为4 英寸( 1 0 0 r a m ) ，将直径增大到6 英寸，有助于提高s i c 器件的生产效率和 削减工艺成本。 目前c r e e 公司占有着碳化硅晶片市场约3 4 的份额，公司已经有比较成熟 3 - - - 4 英寸的衬底，并可以保证优良衬底质量，其超低缺陷的产品中，微管缺陷可 以保证在1 c m 3 以下，有些衬底甚至可以保证零缺陷【6 】。由于碳化硅在节能领域有 着极其重要的潜能，关于碳化硅的晶圆材料的研究也相对较多，一些资本雄厚的 企业、研究机构也开始重视这一材料及相关器件的研发，并发展起来的一些新的 衬底供应商，比如美国道康宁公司、德国s i c r y s t a l 公司( 目前已被日本罗姆公司 收购) 、美国二六公司( i i v i ) 和新日本制铁等。这些公司均可制造直径4 英寸的 s i c 基板，并正在提供几乎不存在被称为微管( m i c r o p i p e ) 缺陷的“m i c r o p i p ef r e e ” 产品。 2 0 1 0 年c r e e 公司就已经报道制了直径6 英寸碳化硅衬底，并计划近期内供 应样品。除c r e e 以外，其他厂商也正在开发碳化硅衬底产品。比如新日本制铁 和美国道康宁公司，两家公司都以2 0 1 2 年内供应6 英寸样品为目标。另外，美国 贰陆( i i - v i ) 公司提出了2 0 1 3 年样品供应6 英寸的目标【7 】。国内这方面研究水平仍 在紧追国外发展，天科合达【8 j 公司提供商用碳化硅衬底，一些研究机构如山东大学， 中电4 6 所也可以提供碳化硅衬底进行研究。相比而言，国内的衬底质量仍有一定 差距，衬底主要为2 3 英寸。 第一章绪论 5 1 34 h - s i cb j t 的研究 1 3 1 4 h i s i cb j t 优势 功率型的碳化硅b j t 很早就受到研究者的重视，从器件特性上来说，主要是 在下面几个方面有着极大的优势。 ( 1 ) 与m o s 器件相比，s i c 的b j t 受表面缺陷影响较小，高温下比较稳定。 m o s 型器件，沟道载流子的迁移率受表面散射影响比较大，在表面处理较差的情 况下，很难发挥器件的性能，虽然b j t 也存在同样的问题，但影响相对较小。 ( 2 ) s i c 的b j t 器件用作开关器件时，随温度升高，电流增益降低，特征导 通电阻增加。这一与s i 基器件不同特性，对大器件或多并联器件的稳定工作很有 用。增益特性主要是由于基区的电离率随温度改变造成的，对于中等掺杂浓度的 基区受主( 灿) ，在室温下仅有约1 0 的离化率，当温度升高后，如在2 5 0 c 下增加 到约6 0 ，杂质电离率的增加抵偿了由于温度升高造成的载流子寿命增加，因而 电流增益随温度升高而降低；由于集电区电导调制效应很小，特征导通电阻主要 为集电区扩散电阻，随温度升高，集电区电子迁移率减小，因而特征导通电阻随 温度上升而增加。 ( 3 ) 与s i 基b j t 器件相比，碳化硅器件具有更高的载流子调制处理能力， s i c 的b j t 无二次击穿效应。一次击穿后，器件压降不会迅速降低，可靠性高。当 击穿发生以后，b j t 器件集电区承受的电压与流过的电流满足式1 2 。 f 2 ) = 了- 穹l ( 1 2 ) 旦仁一m ) 函t 驴s 其中 ，。为载流子的饱和速度，。为集电区掺杂浓度。由于碳化硅材料的载流 子饱和迁移率比硅高，击穿后的电流密度不足以影响到集电区的电场分布，集电 区压降不会很快降低，因而二次击穿很难发生。 1 3 24 h s i cb j t 的研究现状及存在问题 4 h - s i cb j t 的研究主要从2 0 0 0 年开始，涉及的主要制作工艺有c v d 外延生 长、i c p 或r i e 刻蚀、离子注入。s e i h y u n gr y u 等人首先报道了一种1 8 0 0 v ，3 8 a 的双极型器件 9 1 ，器件的电流增益在2 0 以上。随着对碳化硅材料研究的深入，工 艺上有了一定进展，一些研究者通过试制更厚的外延层的器件，制作出击穿电压 更高的b j t 器件，如z h a n gj 等报道的击穿电压在9 2 k v 的b j t 器件【l o 】。碳化硅 b j t 器件推向实用化，一方面要有更大的电流增益，便于电流驱动，另一方面要有 更大的集电极导通电流，即器件的有源面积要足够大，通常由于材料和工艺的限 制，面积越大，成功率越低。 6 基于4 i - i s i c 的缓变基区b y r 外延工艺研究 目前研究者认为b j t 器件的电流增益主要受限于材料的表面复合，即基区和 发射区之间严重表面复合，这些复合主要来自两个方面：( 1 ) 碳化硅表面钝化造 成的界面缺附1 1 】，如钝化时生成的氧化层的晶格缺陷，钝化界面存在各种碳的原 子簇，碳化硅晶格表面存在的大量悬挂键：( 2 ) 制作b j t 时，基区需要离子注入 才能形成欧姆接触区，而离子注入形成大量晶格损伤，造成注入区非平衡载流子 复合严重。 针对这些问题，研究者也在实验新型的工艺方法。碳化硅表面钝化时，通常 使用氧化物、氮化物作为钝化层，采用先湿氧氧化，再通过p e c v d 工艺淀积s i 0 2 和s i 3 n 4 ，有研究者试验了不同的钝化条件【1 2 】，实验结果证明采用p e c v d 淀积 s i 0 2 ，并在n 0 2 或n o 中退火，可以有效降低界面缺陷密度，提高b j t 增益。对 于基区欧姆接触的问题，一些研究者也在试图采用非离子注入的方式，形成欧姆 接触。s a n t o s hb a l a c h a n d r a n 等人报道了基区二次外延制备b j t 的方法【1 3 1 ，及发射 区的s i c 刻蚀掉后，在表面外延生长高掺杂的p 型层，用于基区欧姆接触，由于p 型层只存在基极电极下，多余的部分仍要刻蚀掉，因而这种方法增加了工艺的复 杂度，较难实现；z h a n gj i a n h u i 等人报道的采用双层基区的结构【1 4 1 ，基区上部为 高掺杂层，发射区刻蚀后可以直接形成欧姆接触，虽然这样避免离子注入但基区 的高掺杂会降低发射结的发射效率，在一定程度上降低器件的直流增益。2 0 0 9 年， 日本学者t o mh i y o s h i 等人在论文中提出【1 5 】，碳化硅外延层的主要缺陷来自材料的 深能级，提出了一种消除碳化硅外延层内深能级的方法，大大提高了外延层中载 流子的寿命。利用这种工艺，2 0 1 1 年在2 3 r di n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo np o w e r s e m i c o n d u c t o rd e v i c e s & i c s ，日本学者h i r o k im i y a k e 、t s u n e n o b uk i m o t o 等人报 道成功制作出了增益在3 0 0 以上的b j t 器件【l6 】，其基区厚度在0 3 5 p r o ，是目前报 道的最薄的基区，集电区掺杂浓度为l x l 0 1 6 c m 3 ，厚度为1 0 1 m a ，击穿电压在5 0 0 v 左右i 碳化硅b j t 器件主要的优势在于低的特征导通电阻和高的击穿电压，图1 3 以这两个参数为主要参数，对比近年来的研究结果，可以看出碳化硅b j t 仍有很 大提升空间。 碳化硅外延生长是制作器件的基础，外延工艺的研究是制作器件不可或缺的 一部分。目前器件级的外延层一般都采用s i h 4 + c 3 h $ + h 2 的外延系统制备，其生长 出的外延层缺陷少，掺杂可控，适于工艺化的大规模生产。外延工艺与器件特性 的关系非常密切，国内关于这方面的研究仍比较匮乏，部分研究者主要关注s i c 材料的生长，而结合外延工艺对器件进行研究分析亦非常重要，所以本文选择该 课题进行研究。 第一章绪论 7 茗 董 量 纛7 s t2 = r 梦矾3 1 1 0 e r e a l tv e l t a g ev 图1 3 近年来一些碳化硅b j t 报道的结果【1 7 1 4 , l s 1 9 2 0 , 2 1 , 2 2 1 本论文的主要工作 本文主要在下面几个方面对碳化硅b j t 进行了研究： 首先使用s e n t a u r u s 软件对碳化硅b j t 的进行了一系列的仿真。第二章对碳化 硅材料的相关模型参数进行了研究，通过仿真分析了材料特性对b j t 器件的影响， 第三章使用适当的模型和参数，对缓变基区b j t 进行了模拟仿真，得到缓变基区 对器件特性的影响效果。由于基区内建电场的存在，使得b j t 的电流增益有明显 的提高，同时由于基区渡越时间的减少，b j t 的截止频率也有所提高，但是基区缓 变掺杂使靠近集电区一侧掺杂较低，b j t 器件的e a r l yv o l t a g e 有一定降低。缓变 基区对b j t 特性有一定改善，由此本文设计了一种双层缓变的基区掺杂，其中上 层为高掺杂；主要用于形成p 型欧姆接触，下层为缓变掺杂，使整个基区中有内 建电场存在。 第四章主要对碳化硅外延生长工艺进行了研究，并设计了相应的b j t 外延的 生长工艺流程。外延设备使用的先进的v p 5 0 8 碳化硅外延炉，其采用s i h 4 + c 3 i - i s + h 2 的m o c v d 反应系统。本文首先对其生长原理、生长参数对外延层的质量影响进 行了介绍，并分析常见外延层中的缺陷形成机理。其后对外延生长中的掺杂控制 进行了研究说明，并根据前面设计的b ，r 掺杂分布，设计了相应的外延生长工艺 流程。 第五章主要内容是b j t 外延片质量的表征测试，通过对外延片的表面形态、 结晶质量和掺杂浓度分布的分别进行了表征测试，结果表明生长的b j t 外延片表 面光滑，外延层结晶质量良好，且纵向的掺杂分布满足b j t 的要求，总体上生长 8 基于4 h s i c 的缓变基区b j t 外延工艺研究 的外延片可以用于制作b j t 器件。测试结果也表明外延片仍存在一定问题，在光 学显微镜下，表面观察到大量短条纹状的缺陷，这些缺陷有可能对b j t 器件的表 面复合产生一定影响，初步推断这一缺陷是由衬底质量造成的。 第二章碳化硅b j t 的模型参数研究 9 第二章碳化硅b j t 器件的模型参数研究 目前已经有很多碳化硅b j t 相关的实验研究，但是有关于器件材料参数的准 确性仍有待分析，这主要是因为碳化硅材料参数受具体的工艺影响比较大。因此 仿真时通常只是采用典型参数值进行分析，尽管如此，仿真结果仍能够描述碳化 硅材料器件的工作特性。一些研究者也在研究碳化硅材料模型参数，通过更精确 的建模，模拟器件的工作特性，分析器件中存在的问题，优化器件的性能。本章 即由此入手，采用s e n t a u r u s 和m a t l a b 软件分析常见碳化硅模型参数与器件特性的 关系，结合一些论文给出主要模型的参数。 2 1 碳化硅b j t 器件结构 目前碳化硅b j t 主要是在衬底上生长多层高质量的外延层，然后通过刻蚀部 分碳化硅外延层形成的。常见的器件结构如图2 1 ( a ) 所示。其中最上面一层为发射 区，接近表面的区域采用高掺杂以便于形成n 型欧姆接触，发射区两侧刻蚀到基 区，形成基区台面，基区底部一部分通过离子注入形成高掺杂，用于制作p 型欧 姆接触。仿真时可以采用的图中的对称结构，出于节省时间的考虑，也可以采用 对称结构的一半，对比仿真结果，差别很小。 e m i t t e r c o l l e c t o r e m i n e r s i 0 ； 发射区n +i 窝磋 i b a s e n| i b a s e ；i ；，。，貉粼粉哆j ，t 二。，。一 p 集电区n ； ” 7 衬底n +。 ， c o l l e c t o r 图2 1 ( a ) 离子注入工艺制作的b j t 器件结构图( b ) 无离子注入工艺的b j t 器件结构图 由于基区采用离子注入工艺，对晶格损伤很大，有研究者提出了一种无离子 1 0 基于4 h s i c 的缓变基区b ，r 外延工艺研究 注入工艺的高掺杂方式【1 4 1 ，如图2 1 ( b ) ，外延生长时在基区上部直接生长薄的高掺 杂层，用于欧姆接触。本文在后面制作b j t 外延片时，即采用的这种结构。 2 2 禁带宽度、杂质能级相关模型参数 2 2 1 禁带变窄的效应 半导体材料重掺杂时，掺入的杂质会使材料的禁带宽带变窄，b j t 器件的发射 区掺杂最高，基区较低，因而发射区比基区禁带变窄量大。禁带变窄使得发射区 的本征载流子浓度增加，净效应使得基区注入到发射区的扩散电流增加，增加量 与禁带变窄量成指数规律，扩散电流的增加又将严重降低b j t 器件的电流增益， 所以禁带变窄在模型仿真中非常重要。 一 关于这一效应的实验值很少，s e n t a u r u s 中有几种内置的经验模型【2 3 】，分别为 s l o t b o o m 、o l d s l o t b o o m 、d e l a l a m o 、b e n n e t t ，将参数带入模型公式计算得到的禁 带变窄量与掺杂的关系如图2 2 ( a ) 。导带和价带对禁带交窄均有贡献，在这几种模 型中，先计算出总禁带变窄量e 胁，通过式2 1 得到其对电子亲和能的影响， b g n 2 c h ：且l j 相当于导带对禁带变窄量的贡献，一般设置为o 5 。 z = z o + b g n 2 c h i a e 啊 ( 2 1 ) 乏 暑 山 娶 争( 轻 撩 乏 僻 制 船 糠 总参杂浓度c m 毒总参录浓魇c m 0 ( a ) s e n t a u r u s 内置经验参数 ( b ) 理论计算的禁带变化量 图2 2 碳化硅材料不同模型下禁带变窄量与掺杂的关系 文献【2 4 】给出了理论计算的杂质浓度分别对导带、价带的影响，由相应的参数 计算的掺杂与禁带变窄关系如图2 2 ( b ) 。通过t a b l e b g n 方式将计算得到的禁带变 窄量代入到软件，仿真得到的b j t 电流增益与实验有较大偏差。因而后面的计算 更多采用的是一组软件内置的经验值。采用了s l o t b o o m 模型，其禁带变窄量与掺 杂浓度的关系为式2 2 。 2 呻锈) + 2 2 2 杂质的不完全电离效应 ( 2 2 ) 第二章碳化硅b f l 的模型参数研究 碳化硅中采用的掺杂元素为砧和n ，其相应的杂质能级分别为：e a i = o 1 9 1 e v ； e n = 0 0 6 5 e v 。通过m a t l a b 计算得到，两者的电离率与掺杂浓度的关系如图2 3 。 对于b j t 器件，集电区为n 型轻掺杂，浓度在1 0 1 5 c m - 3 左右，电离比较彻底，发 射区为n 型重掺杂，电离率明显会降低，基区铝的浓度在1 0 1 7 - - 1 0 1 8 c m - 3 范围内， 电离率很低。b j i 的电流增益与基区电离的杂质总量、发射区的实际电子浓度有很 大关系，因而仿真中必须考虑材料中不完全电离效应。 掺杂浓厦c m - 3参杂浓度c m - 3 ( a ) n 元素在s i c 中的电离率 ( b ) a l 元素在s i c 中的电离率 图2 3 不同温度下a l 和n 的电离率 在图2 3 ( b ) 可以看出；基区的掺杂在3 x 1 0 1 7 左右时，室温下( 3 0 0 k ) ，基区杂 质的电离率在1 5 左右，当温度升高到5 0 0 k ，升高到接近5 0 ，这相当于基区掺 杂总量增加了两倍以上，基区掺杂总量将大大降低器件的电流增益，通过仿真得 到器件的电流增益与温度的关系如图2 4 ，随温度升高，b j t 的直流增益明显降低。 2 3 1 载流子迁移率模型 图2 4 不同温度下b j t 的电流增益特性 2 3 载流子相关模型参数 1 2 基于4 h s i c 的缓变基区b y r 外延工艺研究 j 士移翠米用 卜回模型捕述： ( 1 ) 低场下，载流子受杂质散射，迁移率与掺杂浓度有关系， 2 j + ( 锗) ( 2 ) 高场下，载流子速度饱和，迁移率相应的降低， 地一班南 其中：例。白 圪：。每) 一 o ( 2 3 ) ( 2 4 ) 在上面两个模型中，相应的参数与温度也有一定关系，即引入了迁移率与温 度的关系。通过该模型计算4 h s i c 的载流子的迁移率与掺杂浓度的关系，如图 2 5 ( a ) ，载流子迁移速度与电场的关系，如图2 5 ，可看出随温度升高载流子迁 移率和迁移速度均有所降低。 富 睾 毛 鼍 簿 蚶 m 塔 譬 掺杂浓度c m 3 电场强度v c m ( a ) 载流子迁移率与掺杂的关系( b ) 载流子迁移速度与电场的关系 图2 5 不同温度下4 h s i c 中载流子迁移率特性 2 3 2 非平衡载流子产生复合模型 ( 1 ) s r h 复合模型，其中非平衡载流子寿命是该模型中一个重要参数，非平 衡载流子寿命与掺杂浓度、温度均有关系，与掺杂的关系采用式2 5 ) - + 砖 q 5 ) 本文仿真中，本征材料的载流子体寿命( 即式2 5 中的f 胞) 取为f 。= 2 5 p s ， = o 5 岬。 ( 2 ) 俄歇复合，通常在高载流子浓度区域复合很严重，因此对发射区和基区 第二章碳化硅b j t 的模型参数研究 1 3 对非平衡载流子总复合量贡献很大，而在本征区域复合量很少。 r 爿= ( g 刀+ c ，p ) ( n p - ，岛) ( 2 6 ) 叩) - ( 钳分c a 。印( 1 + 日，素) c p ( 耻( 钆心( 争( 扣( 1 + 日，乇) ( 3 ) 碰撞电离导致的非平衡载流子产生量，这一模型主要影响器件击穿， g = 口。捍v 月+ 口，n , ， ( 2 7 ) 其中，。、，户分别为电子的热速度，口。、a ，分别为电子和空穴的碰撞电离系 数。碰撞电离率与电场的关系可以采用o k u t o - c r o w e u 模型，简化公式如式2 8 。 口。( x ) = 即州丽- b ) 口，( x ) = 0 9 p - e 啾啬) ( 2 8 ) 目前关于碰撞电离系数的模型已经有相当多的研究，但不同研究者提出的参二 数有较大差别，k o n s 吖n 1 1 n o v 等人在论文【2 5 1 中进行过相应的研究，t h a t a k e y a m a 在2 0 0 4 年的论文【2 6 1 中也拟合出了一组碰撞电离系数，但是采用这些参 数计算出的击穿电压仍与实验值仍有一定差别。表2 1 是这几组参数的实际数值， 其中s e n t a u r u sl o wl i m i t 和s e n t a u r u sh i l 曲l i m i t 分别为s e n t a t t r u s 内置的碰撞电离率 系数，从其中对比可以看出b 。i 船基- - 致，但是口。量级差别很大。 i 表2 14 h s i c 碰撞电离系数 口。九口。b 。 k o n s t a n t i n o v4 0 7 x 1 0 51 6 7 x 1 0 7 1 6 3 x 1 0 71 6 7 x 1 0 7 t h a t a k e y a m a 1 7 6 x 1 0 。3 3 0 x 1 0 73 4 1 x 1 0 8 2 5 0 x 1 0 7 s e n t a u r u sl o wl i m i t 7 2 6 x 1 0 62 3 4 x 1 0 76 8 5 x 1 0 61 4 1 x 1 0 7 s e n t a u r u sh i 【曲l i m i t 3 2 5 x 1 0 51 7 1 x 1 0 73 2 5 1 0 61 7 1 x 1 0 7 为了验证这些参数的准确性，本文使用这几组参数分别计算p i n 器件击穿电 压，仿真中只考虑了雪崩击穿，i 区为9 1 0 1 5 的低掺杂，厚度为1 0 1 m a ，p 区、n 区均为高掺杂，仿真得到的理想平面结击穿电压如图2 6 。论文【2 7 】报道了与之相同 结构的p i n 器件，使用不同的结终端结构，得到最大击穿电压为1 6 5 0 v ，文中预计 理想的击穿电压在1 7 k v 以上，仿真得到的理想击穿电压在1 6 0 0 - - - 2 0 0 0 v 左右， 而采用k o n s t a n t i n o v 计算的结果与实验值比较接近。 1 4 基于4 h s i c 的缓变基区b j t 外延工艺研究 图2 6p i n 二极管仿真的击穿电压 2 4 陷阱能级相关模型参数 2 4 1陷阱模型 陷阱是处于禁带中一个深能级，以电子陷阱为例，根据细致平衡原理，能级 上的电子浓度可以用下面方程描述： 粤= y 和疗江六一万( 1 一无) ) + y 和p ( 旦( 1 一五) 一矾) ( 2 9 ) a t g s p 其中岛、g 。分别为电子和空穴的简并因子，甩l 、a 分别为： n l 跏l 酊e x p ( 参x a 2 h i , e f te x p ( 一参 当处于稳态以后，陷阱能级上的电子浓度不再变化，得到总复合率为 耻心n 篙p 筹赢2 旺1 0 ) 0 陷阱模型可以用于描述界面上的表面复合效应，也可以用于描述材料本身的 深能级对非平衡载流子造成的额外的复合。由于s i c 表面钝化工艺的影响，s i c 与 表面的s i 0 2 钝化层之间界面态密度比较高，本文中用此模型描述了这界面态对 基区复合的影响。 p h y s i c s ( m a t e r i a l i n t e r f a c e = ”o x i d e s i l i c o n c a r b i d e ”) t r a p s ( d o n o rl e v e le n e r g y m i d = o 0f r o m m i d b a n d g a p c o n e = l e l 2e x s e c t i o n = 6 e 一1 5 h x s e c t i o n = 6 e - 1 5 ) _ 第二章碳化硅b j t 的模型参数研究 1 5 2 4 2 界面陷阱对器件增益的影响 界面陷阱对b j t 的电流增益有着重要影响，本文计算在不同界面态浓度下b j t 的增益曲线，如图2 7 。 图2 7 不同界面态密度下，仿真得到的b j t 电流增益 界面态面密度降低后，器件增益在不同集电极电流密度下均有很好的改善。 尤其是在低的集电极电流密度时，发射区注入到基区的非平衡电子大部分都被表 面的陷阱复合，最终到达集电区的电子很少，使得b j t 的电流增益很低，甚至没 有，随着集电极电流密度增大，表面复合的影响才开始减弱。 通常在硅的b j t 器件中，当集电极电流密度到达一定范围内，电流增益会有 一段比较平坦的区域 2 8 1 ，但是在s i c 器件中，只有在较低界面态lx 1 0 1 1 c m - 2 是才 有体现，在较高界面态下，表面复合一直有着比较重要的影响。 当集电极电流密度更高时，注入基区的少数载流子浓度接近于基区的多数载 流子浓