SiC基反向開關(guān)晶體管RSD關(guān)鍵工藝概述

梁 琳, 吳文杰, 劉 程, 潘 銘

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

SiC基反向開關(guān)晶體管RSD關(guān)鍵工藝概述

梁 琳, 吳文杰, 劉 程, 潘 銘

(華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

本文首次概述了采用寬禁帶半導(dǎo)體材料4H-SiC制備脈沖功率開關(guān)反向開關(guān)晶體管 (RSD)所涉及到的關(guān)鍵工藝。包括選擇性刻蝕、選擇性摻雜、歐姆電極制備以及臺面終端造型等在內(nèi)的多步主要工藝均與Si基RSD完全不同，采用氟基氣體感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕得到了合適的刻蝕速率、表面粗糙度及形貌，采用多次氮離子注入及高溫退火完成選擇性摻雜，采用Ni/Ti/Al多層金屬配合適當(dāng)退火溫度完成歐姆電極制備，采用機(jī)械切割斜角完成臺面終端造型，最終得到了合理的器件正反向阻斷特性。

SiC RSD； 脈沖功率開關(guān)； 工藝； ICP刻蝕； 離子注入； 臺面終端造型

1 引言

隨著半導(dǎo)體開關(guān)性能的不斷提高，近年來脈沖功率開關(guān)半導(dǎo)體化的趨勢日益明顯[1]。常見的功率器件包括功率MOSFET、IGBT、IGCT、SITh等均可應(yīng)用于脈沖功率領(lǐng)域[2]，而基于反向可控等離子層開通的反向開關(guān)晶體管 (Reversely Switched Dynistor，RSD)更是直接針對高功率脈沖工況提出，具有兼顧高電壓、大電流和高di/dt耐量的理想特性[3-5]。我們曾經(jīng)采用3吋Si基RSD堆體在12kV放電電壓下成功通過173kA峰值電流[6]，采用降低單只器件阻斷電壓、引入緩沖層以及兩步法開通等多種方式從結(jié)構(gòu)及應(yīng)用層面改善器件特性[7]。而要在器件的阻斷特性和開關(guān)特性間取得更好的折中，應(yīng)考慮采用新型材料。寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC由于高絕緣擊穿場強(qiáng)、高本征溫度、高熱導(dǎo)率等優(yōu)勢，被認(rèn)為是制備功率半導(dǎo)體器件的理想材料[8-10]。其中，4H-SiC具有更寬的帶隙、更高的電子遷移率和較小的電學(xué)各向異性，更適合大功率領(lǐng)域的應(yīng)用[11]。采用4H-SiC材料制備RSD器件，理論上可獲得更高的阻斷電壓、更大的電流密度和更好的重頻性能。

在半導(dǎo)體基本加工工藝中，Si和SiC可以兼容氧化和光刻；由于SiC化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，Si器件中常見的高溫擴(kuò)散和濕法腐蝕都不再適用，摻雜可選擇外延生長或者離子注入配合高溫退火實(shí)現(xiàn)，刻蝕則多采用近年成熟起來的感應(yīng)耦合等離子體 (Inductively Coupled Plasma，ICP)干法刻蝕工藝；此外，金屬電極制備，尤其是p型SiC歐姆接觸低比接觸電阻的獲得一直是研究重點(diǎn)；SiC功率器件結(jié)終端結(jié)構(gòu)以往多以平面為主，包括場限環(huán)、場板等，另有少量臺面結(jié)構(gòu)報道[12]。本文將重點(diǎn)對制備4H-SiC RSD所需的關(guān)鍵工藝做一概述。

2 ICP刻蝕

ICP系統(tǒng)可以在低壓(1～20mTorr)下工作，產(chǎn)生的等離子體密度在1×1011～1×1012cm-3量級，入射在晶片上的離子能量由襯底偏壓決定，可以得到干凈、光滑、快速和低損傷的SiC刻蝕[13]?？涛g氣體多為氟基氣體(NF3、CF4、SF6)與O2的混合氣體[14-16]，也有氯基氣體(如Cl2+Ar)的報道[17]。其中，CF4/O2混合氣體早在1998年就被應(yīng)用于刻蝕SiC材料，并被證明具有相對較高的刻蝕速率和光滑的表面。由于表面損傷低，所以由此工藝制備的器件能反映出優(yōu)異的性能[13]。CF4/O2與SF6/O2、NF3/O2等刻蝕氣體相比，刻蝕速率稍低，但表面均方根粗糙度更好。4H-SiC在Cl2+Ar混合氣體中的ICP刻蝕曾獲得過194nm/min的刻蝕速率和1.237nm的表面均方根粗糙度[17]?？涛g過程中須控制的重要參數(shù)包括ICP線圈功率、RF功率、刻蝕氣體流量、溫度以及壓強(qiáng)。ICP線圈功率決定等離子體的密度以及等離子體內(nèi)部自由電子的能量，RF功率決定離子的動能，刻蝕速率隨這兩項(xiàng)增加均單調(diào)遞增?？涛g氣體流量對刻蝕速率的影響與氟基刻蝕物或氯基刻蝕物的去除速率有關(guān)，一般存在最優(yōu)混合比。刻蝕質(zhì)量的好壞主要通過刻蝕速率、刻蝕后表面均方根粗糙度以及側(cè)壁和底面形貌等衡量。

采用CF4/O2混合氣體，在合適的工藝參數(shù)配置下，獲得的最高刻蝕速率達(dá)到213.47nm/min，同時經(jīng)原子力顯微鏡(AFM)測量表面均方根粗糙度僅為0.724nm，保證了較好的表面質(zhì)量。圖1為經(jīng)成功剝離和ICP刻蝕后SiC晶片的掃描電子顯微鏡(SEM)照片，其中深色區(qū)域?yàn)榭涛g區(qū)域。

圖1 成功剝離和刻蝕SiC晶片的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photo of SiC wafer after lift-off and ICP etching

3 離子注入與高溫退火

由于SiC中雜質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)非常小，選擇性摻雜一般通過離子注入實(shí)現(xiàn)。在SiC中形成P型區(qū)通常注入鋁離子Al+或硼離子B+，其中，Al+由于電離能級小而易于形成較低薄層電阻的重?fù)诫s區(qū)，B+由于質(zhì)量輕能達(dá)到更大的區(qū)域而易于形成深結(jié)[18]。形成N型區(qū)通常注入氮離子N+或磷離子P+，其中，N+由于質(zhì)量輕而應(yīng)用廣泛，但固溶度較低導(dǎo)致薄層電阻偏高[19]，高劑量P+注入可以獲得低薄層電阻，不過需要在高溫下注入[20]。高溫退火的主要目的是激活雜質(zhì)以及消除缺陷[21]。

有報道采用6×1016cm-2高劑量P+在500℃下注入配合1700℃高溫退火，在4H-SiC上獲得了最低0.9mΩ·cm的電阻率，其中高溫退火過程用C膜保護(hù)SiC表面，表面粗糙度僅1nm[19]。多數(shù)實(shí)驗(yàn)表明越高的退火溫度可以獲得越高的激活率[21]?？偟膩碚f，Ⅴ族雜質(zhì)的注入難度低于Ⅲ族，其中N+激活能較小，可以在常溫下注入，并在相對較低的退火溫度下實(shí)現(xiàn)激活。

離子注入的主要工藝參數(shù)包括注入能量和劑量、注入晶向等，退火的主要工藝參數(shù)包括退火溫度、時間和氣氛，以上參數(shù)綜合決定離子注入的濃度、深度、分布和激活率。

SiC RSD陽極的n+發(fā)射區(qū)通過四次N+離子注入形成，注入方案示意與注入后雜質(zhì)分布的理論結(jié)果如圖2所示。為了得到高激活率，選擇了盡可能高的退火溫度。

圖2 四次氮離子注入設(shè)計與總雜質(zhì)分布計算結(jié)果Fig.2 Four-times nitrogen ion implantation design and sum dopant distribution

4 歐姆電極制備

目前N型SiC歐姆接觸工藝已較為成熟，一般采用Ni基金屬，理想情況下比接觸電阻可小于10-6Ω·cm2[22,23]。P型SiC由于接觸勢壘更高，獲得低比接觸電阻一直是工藝難點(diǎn)，目前采用Al-Ti金屬或Al-Ni金屬可獲得10-4～10-5Ω·cm2的比接觸電阻[24,25]。

對于SiC RSD，由于陽極側(cè)由p+和n+小單元交替排列而成，可行的方法是選擇一種能兼顧P、N型SiC歐姆接觸的金屬及其制備方案(沉積方法及退火方式)。曾有報道采用Ni金屬同時制備p+和n+4H-SiC歐姆接觸，得到的比接觸電阻分別在10-4Ω·cm2和10-6Ω·cm2量級[26]。假設(shè)脈沖電流密度峰值為104A/cm2，那么10-4Ω·cm2比接觸電阻產(chǎn)生的歐姆接觸壓降為1V，在雙極型SiC高壓器件總的正向壓降中，這應(yīng)該是一個可以接受的數(shù)值。另有報道采用Ni/Ti/Al多層金屬組合，950℃退火5分鐘，分別在p型和n型4H-SiC上獲得比接觸電阻4.2×10-5Ω·cm2和7.8×10-5Ω·cm2[27]。參考以上方案，目前采用含Ni金屬配合快速退火完成SiC RSD歐姆電極制備，已獲得合理的兼顧P、N的比接觸電阻值。

5 臺面結(jié)終端造型

SiC RSD基于反向可控等離子層控制開通，施加反向電壓觸發(fā)，不需要具備反向阻斷能力。結(jié)終端結(jié)構(gòu)的制作主要為提高正向阻斷電壓，使其接近理論值。由于承擔(dān)正向阻斷電壓的是低摻雜的N型漂移區(qū)和P基區(qū)組成的集電結(jié)，相對正面而言這是一個深結(jié)，如場限環(huán)一類的平面結(jié)終端不再適用，須通過形成臺面得到合適的斜角，以延長電場線在表面的展寬，降低表面電場，提高擊穿電壓。由于SiC材料的高硬度，Si中常用的噴砂或磨角形成臺面終端的方法都不再適用。有文獻(xiàn)報道通過刻蝕的方法形成臺面，但對于這類較深和較寬的斜角制備，實(shí)用性不強(qiáng)且不易控制。最近由美國北卡羅萊納州立大學(xué)提出的一種機(jī)械切割形成斜角的方法頗具吸引力[28]，該方法與SiC晶圓裂片工藝高度兼容，只需替換帶有角度的刀片即可實(shí)現(xiàn)，工藝的關(guān)鍵在于控制切割深度、速度，以及切割后的刻蝕。由于機(jī)械切割的方法會對SiC表面造成損傷，所以后期的刻蝕處理是必需的。約幾百nm的刻蝕可顯著提升阻斷能力和減小漏電流?？涛g之后還需及時對新鮮的臺面進(jìn)行保護(hù)。圖3為SiC RSD芯片經(jīng)45度斜角造型后的照片, 其中圖3(c)為斜角部分的SEM照片，可以證明相交正交直角處的電場比斜角臺面處更小，擊穿電壓不受這個交叉角的影響[28]。圖4為造型后器件正向和反向的阻斷電壓，此為刻蝕和保護(hù)工序進(jìn)行之前的結(jié)果，在氟油中進(jìn)行測試。正、反向電壓與設(shè)計值均較為吻合。

6 結(jié)論

采用4H-SiC材料制備脈沖功率開關(guān)RSD是一項(xiàng)全新的嘗試，SiC基RSD除繼承了Si基RSD基于可控等離子層的開通原理，從器件模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計到制備工藝與Si基RSD都有很大區(qū)別。本文重點(diǎn)概述了包括選擇性刻蝕、選擇性摻雜、歐姆電極制備以及臺面結(jié)終端造型在內(nèi)的關(guān)鍵工藝技術(shù)，初步獲得了器件的阻斷特性。針對每步工藝的具體研究將在其他論文中獨(dú)立報道，開關(guān)特性須在完成最終裂片以及封裝工序后測試。

圖3 SiC RSD的斜角結(jié)終端Fig.3 Bevel edge termination for SiC RSD

圖4 阻斷特性測試結(jié)果Fig.4 Measurement results for blocking characteristics

致謝:感謝浙江大學(xué)蘇州工業(yè)技術(shù)研究院、美國北卡羅萊納州立大學(xué)NNF實(shí)驗(yàn)室(Nanofabrication Facility，NCSU)、武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室(籌)提供加工及測試平臺。

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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

國家自然科學(xué)基金(51377069)、 臺達(dá)環(huán)境與教育基金會《電力電子科教發(fā)展計劃》(DREG2013004)、 中國工程物理研究院脈沖功率科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(PPLF2013PZ02)、 中國國家留學(xué)基金委 (201308420123) 資助項(xiàng)目

梁 琳(1981-)， 女， 湖北籍， 副教授， 博士， 主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮悠骷胺庋b、 脈沖功率器件及其應(yīng)用、 寬禁帶功率半導(dǎo)體。 吳文杰(1992-)， 男， 湖北籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)樘蓟韫β拾雽?dǎo)體器件。

TN335

A

1003-3076(2016)04-0056-05