Pd對Ni基n型SiC器件的歐姆接觸特性影響

張　奎, 崔海花

(1．周口科技職業(yè)學(xué)院 信息與電子工程系，河南 周口 466001；2．周口科技職業(yè)學(xué)院 機械工程系，河南 周口 466001)

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Pd對Ni基n型SiC器件的歐姆接觸特性影響

張奎1, 崔?；?

(1．周口科技職業(yè)學(xué)院 信息與電子工程系，河南 周口 466001；2．周口科技職業(yè)學(xué)院 機械工程系，河南 周口 466001)

采用電子束蒸發(fā)法沉積Ni膜，對Ni膜進行650～1 150 ℃的熱處理，研究了不同Ni層處理溫度對歐姆接觸的影響，再經(jīng)過900～1 050 ℃熱處理，歐姆接觸比電阻率能夠達到10-6，驗證了Ni2Si化合物促進了歐姆接觸的形成；采用磁控濺射法沉積Pd和Au層，對比了Au/Pd/Ni電極和Au/Ni電極結(jié)構(gòu)的歐姆接觸特性，Au/Pd/Ni結(jié)構(gòu)電極的歐姆接觸特性比Au/Ni結(jié)構(gòu)電極穩(wěn)定，接觸勢壘低．

勢壘；比接觸電阻；歐姆接觸

近年來，在航空航天、汽車、通信等領(lǐng)域?qū)Ω邷囟?、高頻率、高功率等極端條件下工作的電子器件需求逐漸增大，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料已經(jīng)遠遠不能滿足需要，具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高飽和電子速度的SiC材料彌補了傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料器件短板．但是，對實際應(yīng)用的SiC器件來說，電極的歐姆接觸的穩(wěn)定性和重復(fù)性，直接影響著器件的最大功率、最大電流及允許頻率等性能，同時也直接影響著制造成本[1-2]．特別是在高溫大功率應(yīng)用的場合，低的歐姆接觸電阻率和歐姆接觸的穩(wěn)定性成為決定器件性能的決定性因素，因此無論什么器件，金屬與半導(dǎo)體的歐姆接觸研究一直備受關(guān)注．

目前，n-SiC歐姆接觸常采用Ni基金屬，再蒸發(fā)Au來實現(xiàn)，主要是為了減小接觸勢壘高度，增大多數(shù)載流子隧穿幾率．由于Au容易擴散到SiC內(nèi)部晶格，增大接觸勢壘高度影響歐姆接觸性能[3-4]，比電阻率參差不齊，且穩(wěn)定性重復(fù)性較差，因此筆者采用熱電子發(fā)射模型對Au/Ni和Au/Pd/Ni分別作為SiC器件電極的歐姆接觸特性進行了對比研究，揭示了Pd層降低Ni基n-SiC歐姆接觸的接觸勢壘，通過對Ni層單獨熱處理研究，減小了Ni基n-SiC歐姆接觸的比接觸電阻，通過對歐姆接觸制備工藝的改進，實現(xiàn)了n-SiC歐姆接觸低電阻率和穩(wěn)定性．

1　實驗

實驗采用EPIGRESS公司的VP508GFR設(shè)備進行4H-SiC外延生長，Si面外延層厚度為0.25 μm，在550 ℃用熱離子注入法，注入濃度為3×1019cm-3的N+，在1 050 ℃完成退火，形成SiC的重摻雜．樣品先依次電子束蒸發(fā)沉積100 nm的Ni，經(jīng)過650～1 100 ℃不同溫度熱處理，用HF∶HNO3為(1∶3)溶液腐蝕掉金屬層，再分別濺射5 nm的Ni，10 nm的Pd和50 nm的Au. 用于測試歐姆接觸的TLM圖形工藝：光刻隔離，去膠清洗，光刻歐姆接觸層，表面處理，金屬化，剝離清洗，金屬化，測試．歐姆接觸圖形完成后，經(jīng)過快速退火工藝后，用Agilent 4155型 CVIV測試儀，多次測量金屬-半導(dǎo)體的I-V關(guān)系，用KEITHLEY 2400半導(dǎo)體特性測試儀測量TLM圖形的I-V關(guān)系，通過估算判定歐姆接觸特性，研究對Ni層不同合金化溫度對比接觸電阻的影響；最后研究了兩種樣品在400 ℃，N2氣氛下經(jīng)過4 h、6 h、12 h、24 h、36 h和48 h老化試驗，研究了兩種樣品的穩(wěn)定性．

2　結(jié)果與討論

2.1接觸勢壘

采用Agilent4155型CVIV測試儀，測量Au/Ni和Au/Pd/Ni兩種復(fù)合金屬電極在0～1 V偏壓范圍內(nèi)的I-V特性．測試結(jié)構(gòu)如圖1所示， 金屬-半導(dǎo)體加正向偏壓正電極為平板式接觸歐姆接觸金屬電極，另一點是探針接觸在距離金屬電極邊緣1.5 mm的半導(dǎo)體表面處.測試的結(jié)果I-V特性曲線如圖2所示，此種測試雖然不能夠定量地反應(yīng)歐姆接觸勢壘的絕對高度，但能夠定性地對比兩種樣品勢壘的大?。?/p>

圖1　CVIV測試電極和SiC結(jié)構(gòu)圖

圖2　Ni層950 ℃處理兩種電極的單向I-V特性曲線圖

根據(jù)熱電子發(fā)射理論，單方向電流密度和電場的關(guān)系如式(1)表示[5-6]：

(1)

M-S結(jié)處單方向電流與電場的關(guān)系可由式(2)表示[5-6]：

(2)

其中I為漏電流；S是有效電極接觸面積；T為測試熱力學(xué)溫度(300 K)；A為有效理查德常數(shù)(約為120 A/(cm2·K2))；q為電子電量；k0為波爾茲曼常數(shù)；φns為金半勢壘高度(不隨外加電壓的變化而變化).

當(dāng)外加電壓為0 V時整理得

(3)

其中Ist為0偏壓下由接觸電勢引起的微電流，由于φns為常數(shù)，根據(jù)式(2)可知LnI與V成線性關(guān)系，如圖3所示．

圖3　不同電極的LnI-V的關(guān)系曲線圖表1　樣品的電極面積

電極Au/NiAu/Pd/Ni電極面積0.1440.176

根據(jù)表1中電極的面積和式(3)，經(jīng)估算可得：Au/Pd/Ni電極的勢壘高度低于Au/Ni電極勢壘高度0.15 eV，表明Pd金屬層促進了SiC歐姆接觸的形成，主要是由于在合金化處理過程中Pd大直徑原子阻擋了Au原子向SiC內(nèi)部擴散，破壞Ni與SiC的歐姆接觸．

2.2比接觸電阻計算

圖4　TLM測試電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖5　TLM測試數(shù)據(jù)擬合示意圖

根據(jù)接觸電阻的定義，可知[5]：

(4)

通過傳輸線法(TLM 法)對兩組樣品進行電阻阻值與電極間距關(guān)系進行測試，測試擬合結(jié)果如圖5所示．

根據(jù)TLM測試法得[6]：

(5)

其中：Rf=Rs·LT/W，Rs為體材料薄層電阻，LT=(ρc/Rs)1/2，稱為傳輸長度；Ln為接觸塊之間距離，W為接觸塊的寬度．因此，通過測量不同接觸塊之間距離Ln的阻值Rn，作Ln-Rn的曲線，與Y軸截距為2Rf，與X軸截距為2LT，根據(jù)比接觸電阻公式：ρc=Rf·LT·W可以得到比接觸電阻率．

圖6　測量Au/Ni結(jié)構(gòu)樣品總電阻隨間距的變化曲線圖

圖7　測量Au/pd/Ni結(jié)構(gòu)樣品總電阻隨間距的變化曲線圖

2.3Ni層不同溫度熱處理的歐姆接觸特性

經(jīng)過650 ℃、750 ℃、850 ℃、950 ℃、1 050 ℃、1 150 ℃等不同溫度熱處理5 min的樣品的歐姆特性如表2所示，從測量結(jié)果可以看出，從650 ℃到1 050 ℃溫度段兩種樣品的歐姆接觸特性逐漸提高，到1 150 ℃時又開始退化，主要是由于Ni層與SiC經(jīng)過900 ℃以上接觸熱處理，促進Ni與SiC反應(yīng)形成Ni2Si化合物有利于歐姆接觸的形成，但同時析出第二相C．當(dāng)溫度超過1 050 ℃時，Ni和SiC反應(yīng)過渡，第二相C析出過多，惡化了歐姆接觸特性[7]．

2.4歐姆接觸穩(wěn)定性

圖8為將Au/Pd/Ni結(jié)構(gòu)和Au/Ni結(jié)構(gòu)樣品

在400℃的溫度下，N2爐中分別進行4 h、6 h、12 h、24 h、36 h、48 h進行老化處理后比電阻曲線，從測量結(jié)果可以看出，Au/Pd/Ni電極樣品的歐姆接觸特性與Au/Ni電極樣品的歐姆接觸特性相比，可能由于Au/Pd/Ni電極樣品的Pd層的阻擋，Au滲透進Ni-SiC的量較小，對Ni的歐姆接觸影響較小，歐姆接觸特性較為穩(wěn)定．Au/Ni結(jié)構(gòu)樣品由于Au的擴散，一定程度上破壞了Ni-Si的歐姆接觸，顯示一定的分散性．兩種樣品在初始老化時，歐姆接觸特性都有一定的退化，這主要是由于樣品離子注入在深度方向上的不均勻和Ni與SiC繼續(xù)融合引起．

圖8　比接觸電阻隨老化時間的變化曲線圖

3　總結(jié)

利用熱電子發(fā)射理論分析了Au/Pd/Ni歐姆接觸電極和Au/Ni歐姆接觸電極的特性，結(jié)果表明Au/Pd/Ni 與SiC的接觸勢壘比Au/Ni與SiC的接觸勢壘低，分析認為Pd層阻擋了Au向半導(dǎo)體內(nèi)部擴散，阻止了Au對Ni2Si化合物的歐姆接觸的破壞．通過TLM法測試結(jié)果為Au/Pd/Ni樣品的歐姆接觸特性比Au/Ni歐姆接觸特性更優(yōu)越，Pd層有助于歐姆接觸的穩(wěn)定．通過對Ni層的單獨熱處理，在溫度為900～1 050 ℃之間有助于歐姆接觸的形成，Ni基n-SiC有較好的歐姆接觸，主要是Ni2Si的作用得到了進一步驗證，對歐姆接觸電極制備工藝的改進提供了有力的依據(jù)．

表2　不同工藝條件下特征接觸電阻率的比較

[1]張娟，柴常春，楊銀堂，等.n-SiC歐姆接觸的研究進展[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(6)：246-249 .

[2]郭輝，張義門，張玉明，等.Ni基n型SiC材料的歐姆接觸機理及模型研究[J].固體電子學(xué)研究與進展，2008，28(1)：42-45.

[3]王平，楊銀堂.SiC歐姆接觸特性[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報，2011，38(4)：38-41.

[4]陳剛，柏松.4H-SiC歐姆接觸與測試方法研究[J].固體電子學(xué)研究與進展，2008，26(1):38-41.

[5]劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].7版.北京：電子工業(yè)出版社，2003：183-200.

[6]Gerrish V M.Electronic characterization of mercuric iodode gamma ray spectrometers[C].Materials Research Siciety,Spring Meeting,San Francisco,CA(United States),1993.

[7]郭輝.SiC器件歐姆接觸理論與實驗研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007：44-49.

Influences of Pd film on Ni-based ohmic contacts to n-type SiC

ZHANG Kui1,CUI Haihua2

(1.Information and Electronic Deparment of Zhoukou Sicence and Technology Vocation College,Zhoukou 466000,China;2.Mechanical Deparment of Zhoukou Sicence and Technology Vocation College, Zhoukou 466000,China)

Ni film is formed using electron beam evaporation method.The sample with Ni film is heated from 650 ℃ to 1 150 ℃,different is studied.The result indicate ρc the sample heated with 900 ℃～1 050 ℃ dropped to 10-6degree.This confirm Ni2Si improved the forming of ohmic contracts.Pd film and Au film is formed by magnetron sputtering method.Comparing the Au/Pd/Ni sample with the Au/Ni sample,it is found ohmic contracts of the Au/Pd/Ni sample is more stable than ohmic contracts of the Au/Ni sample and the barrier of the Au/Pd/Ni sample is lower than the barrier of the Au/Ni sample.

barrier;contract resistence;ohmic contracts

2016-03-26;

2016-05-28

張奎(1975- )，男，河南信陽人，講師，碩士，主要從事固體微電子研究.E-mail:1249686926@qq.com

TN305

A

1671-9476(2016)05-0078-04

10.13450/j.cnki.jzknu.2016.05.020