Ni膜厚度對4H-SiC歐姆接觸特性的影響

王 博，程 萍

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 微納電子學系，上海 200240)

0 引 言

隨著人類社會的不斷進步，越來越多的設備需要在高溫、高壓、高輻射等極端環(huán)境下工作，這樣的工作環(huán)境對設備器件提出了嚴峻的考驗。通常，硅(Si)材料器件的工作溫度不能超過200 ℃[1]，一旦溫度超標，便會導致器件結溫升高，泄漏電流增大，從而使得器件的特性發(fā)生嚴重漂移。作為第三代半導體材料，碳化硅(SiC)具有諸多優(yōu)良性能，寬禁帶、高臨界場強、高熱導率、耐高溫耐腐蝕，這些特性也使得SiC材料可以輕松突破Si器件的極限，在大功率、高溫、高壓、高輻射等極端環(huán)境下依舊保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

1 Si與不同SiC性能對比

Si與幾種不同晶型的SiC材料的性能對比如表1所示。

表1 Si與幾種不同晶型的SiC材料的性能對比

歐姆接觸的制備是SiC半導體器件的制作中必不可少的步驟，形成穩(wěn)定、可重復性好、比接觸電阻小的歐姆接觸，對于SiC半導體器件的廣泛應用至關重要。Ni目前被認為是形成N型4H-SiC歐姆接觸質量較好的材料[2，3]，因此,本文采用Ni膜作為SiC歐姆接觸的研究對象。

2 實驗過程

本文實驗采用的N型4H-SiC片采購自山東天岳先進材料科技有限公司。實驗前，將4 in(1 in=2.54 cm)的4H-SiC用砂輪切割成2 cm×2 cm的小方片，洗凈并烘干。潔凈的SiC片表面使用正性光刻膠形成3 μm厚的光刻膠涂層，隨后進行光刻圖形化。本次實驗使用的測量方法為圓點傳輸線法(circular transmission line method,CTLM)。相比于傳輸線模型(transmission line model,TLM)法[4]，圓點傳輸線法具有不必腐蝕臺面，免除圖形與邊緣間隙引起的寄生電阻等優(yōu)點，計算方法會在后文中詳細介紹，原點傳輸線圖形如圖1所示。圖形以8個圓環(huán)為一個測試單元，共有45個相同的測試單元，每個單元的圖形完全一致，主要是為了對數(shù)據(jù)多次取值后計算平均值，使實驗數(shù)據(jù)更加準確。其中，8個圓環(huán)的內圓半徑相等，均為150 μm，圓環(huán)寬度依次遞增，分別為10，20，30，40，50，60，70，80 μm。采用磁控濺射工藝在SiC表面沉積金屬Ni膜，在相同的濺射工藝參數(shù)下，通過濺射不同的時間來控制薄膜厚度，濺射時間與Ni膜厚度的關系如表2所示。濺射后的樣品去膠處理后，用氮氣吹干，進行退火實驗。退火實驗采用快速熱退火(rapid thermal annealing,RTA)的方法，50 s升溫至1 000 ℃，保溫120 s，待爐體自然降溫后，將樣片取出，等待檢測使用。

圖1 光刻顯影后的圖形

表2 濺射時間與Ni膜厚度的關系

3 實驗結果分析與討論

比接觸電阻是描述歐姆接觸質量的最佳參數(shù)，比接觸電阻越小，則接觸位置功耗越低，發(fā)熱越小，整體性能也更佳[5]。圖2(a)為退火后樣品的伏安特性曲線。由圖可以看出，所有樣品在退火后均形成了良好的歐姆接觸。通過曲線的斜率變化，可以看出樣品的電阻率是呈規(guī)律性變化的。為了更加直觀地觀測到歐姆接觸比接觸電阻的變化規(guī)律，將每個樣品均通以2 V的正向電壓，測得的電流數(shù)值如圖2(b)所示。結合兩圖形可以看出，濺射1.5 min的Ni膜形成的歐姆接觸的質量最差，濺射9 min的Ni膜形成的歐姆接觸的質量最佳。在1.5～5 min之間的樣品，歐姆接觸的接觸電阻呈較為明顯的下降趨勢，這是由于Ni膜厚度較薄，參與反應的金屬量明顯不足，因此,隨著Ni膜厚度的增加，比接觸電阻也會逐漸降低。當Ni膜厚度達到了78.06 nm(6 min樣品)之后，歐姆接觸的接觸電阻不再明顯下降，而是達到一個較為穩(wěn)定的數(shù)值，并有緩慢的下降趨勢，此時Ni膜的厚度已經(jīng)足夠形成良好穩(wěn)定的歐姆接觸。但當厚度由113.19 nm(9 min樣品)增加到169.13 nm(13 min樣品)時，歐姆接觸的接觸電阻會略有上升，此時Ni薄膜過厚，反應物較多，表面的合金化反應劇烈，造成薄膜表面開裂，這對于歐姆接觸的形成是非常不利的。

圖2 不同樣品的實驗結果

由圖2可知，歐姆接觸性能最好的樣品為9 min樣品。圖3(a)為該樣品的不同寬度的圓環(huán)兩側的伏安特性曲線，根據(jù)曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著圓環(huán)寬度的增加，圓環(huán)之間的電阻在不斷增大。圓環(huán)形圖案與電阻之間的關系可用公式

(1)

圖3 不同寬度圓環(huán)測試實驗結果

對實驗獲得的9 min樣品進行了X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)的測試，測試結果如圖4所示，根據(jù)圖形可以發(fā)現(xiàn)，樣品的峰與Ni2Si的標準圖譜匹配程度非常高，表明高溫退火后的樣品表面的主要生成物質為Ni2Si。因此，本文中Ni/SiC歐姆接觸形成過程中的主要生成物為鎳硅化合物Ni2Si，這與Roccaforte F等人[7]的實驗結果相一致。

圖4 濺射9 min樣品的XRD測試

為了表征反應過后樣品的表面形貌，本文對樣品進行了原子力顯微鏡(AFM)測試，用以觀察不同厚度的金屬薄膜反應后的表面形貌規(guī)律，如圖5所示。通過AFM測試獲得的圖像可以發(fā)現(xiàn)，1.5，5，9 min三種樣品的表面粗糙度是沒有太大差別的，甚至退火后的表面粗糙度還隨著薄膜厚度的增加而略有降低。但13 min的樣品由于表面金屬薄膜較厚，反應物較多，表面的合金化反應十分劇烈，樣品的表面已經(jīng)形成明顯的塊狀結構或凸起。

圖5 在SiC表面濺射不同時間Ni膜熱處理后的樣品表面2D與3D形貌圖

為了進一步探究樣品的界面處的反應情況，本文對退火后的13 min樣品進行了聚焦離子束(focused ion beam,FIB)切割，并觀測切割后的截面，如圖6所示。從圖中首先可以看出，金屬Ni在高溫處理后表面已經(jīng)不再連續(xù)，取而代之會出現(xiàn)許多溝壑，這與AFM獲得的表面形貌狀況吻合。此外，也可以清楚地看到Ni在高溫的作用下向SiC基底發(fā)生了擴散，結合XRD對樣品的檢測可以進一步推測出在擴散的同時，兩種物質發(fā)生了合金化反應，生成了Ni2Si這一新物質。

圖6 FIB切割后樣品截面

4 結 論

本文通過控制磁控濺射的時間，在4H-SiC表面沉積不同厚度的Ni金屬薄膜，在真空1 000 ℃的環(huán)境下退火2 min，所有樣品均獲得了穩(wěn)定的歐姆接觸特性。通過不同樣品的伏安特性曲線，發(fā)現(xiàn)當Ni薄膜很薄時，樣品的歐姆接觸特性較差。隨著薄膜厚度的不斷增加，樣品的接觸電阻逐漸下降。當薄膜厚度增加到一定程度時，接觸電阻會略微升高。通過比接觸電阻的計算可知，濺射9 min樣品的比接觸電阻為1.976×10-3Ω·cm2，相比于1.5 min樣品的比接觸電阻有了十分明顯的提升。通過XRD分析可知，退火后的主要生成物為Ni2Si。通過AFM測試可以看到，1.5,5,9 min三種樣品的表面粗糙度沒有太大的差異，甚至隨著薄膜厚度的增加表面粗糙度還略有降低，13 min樣品的表面金屬已經(jīng)呈連片的塊狀結構，由此可見其化學反應是十分劇烈的。通過FIB切割13 min樣品，可以清晰地看到表面的金屬Ni已經(jīng)與SiC基底發(fā)生融合，結合XRD分析，可以得出結論，Ni/SiC體系在高溫下發(fā)生了合金化反應，主要生成物質為鎳硅化合物Ni2Si。