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快速热处理RTP的合金化在3C-SiC-PiN中的应用

  • 分类: 行业知识
  • 作者:周酉林
  • 来源:本站
  • 发布时间:2024-05-17
  • 访问量: 74

【概要描述】碳化硅(SiC)是一种优异的第三代半导体材料。其中,3C-SiC(立方相碳化硅)相对于其他SiC晶型···

快速热处理RTP的合金化在3C-SiC-PiN中的应用

【概要描述】碳化硅(SiC)是一种优异的第三代半导体材料。其中,3C-SiC(立方相碳化硅)相对于其他SiC晶型···

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碳化硅(SiC)是一种优异的第三代半导体材料。其中,3C-SiC(立方相碳化硅)相对于其他SiC晶型(如4H-SiC6H-SiC)具有一些优点[1],如与硅技术集成性好、较低的晶格失配、较高的载流子迁移率、成本相对较低,在以下领域有独特的用途,如低功耗、低频率的功率器件,如低压功率开关、低功耗传感器等;具有集成电路需求的应用,包括模拟集成电路、RF集成电路等;对成本要求较高、且需要SiC材料特性的应用,比如电力电子、光电子器件等。

一个较低的p-n内置电位(1.75 V)使3C-SiC成为中压双极或电荷平衡器件的一个有吸引力的选择。直到最近,大多数3C-SiC都是在Si上生长的,因此,功率器件的制造受到了高缺陷密度和有限的加工温度等问题的阻碍,而器件必然局限于横向结构。Li[2]提出了一个制造和表征的垂直管元二极管使用体积3C-SiC材料。在Al植入区获得p型欧姆接触,其特定接触电阻为103 X cm2。所制作的PiN二极管在1000 A/cm2时具有较低的正向压降2.7 V,在63 V时的开关比高达109。理想因子为1.83-1.99,采用单区结终止设计观察到阻塞电压为110 V

PIN二极管的制备流程起始于Al掺杂步骤,此步骤会形成高掺杂的p+阳极区域和低掺杂的单区结终端扩展区域(SZ-JTE)。掺杂完成后,离子注入过程需在Ar气氛中、1700℃条件下进行2小时退火处理。随后,经过氧化、光刻、沉积等工艺步骤,在n+衬底上蒸发沉积Ti/Ni(30/100nm)双层合金,并在Ar气氛中、1000℃条件下退火1分钟,形成欧姆接触的阴极(RTP1000@1minAr)。对于p+区域,需要沉积Ti/Al/Ni(30/100/50nm)金属堆叠,并在Ar气氛中、1100℃条件下进行快速热处理2分钟,以形成欧姆接触的阳极(RTP1100@2minAr)。最终,器件的横截面图呈现出圆形结构,如图1所示。

快速热处理RTP的合金化在3C-SiC-PiN中的应用 图1.png 

1 3C-SiC PiN二极管的横截面示意图

p型注入区域,我们制备了传输线方法(TLM)结构,并测试了其室温I-V特性,如图2所示。从结果中观察到欧姆行为,且最低的特定接触电阻达到10^4 X cm^2,这在近期报道的p3C-SiC中属于较低水平。这一优异的接触电阻主要得益于生长条件、抛光方法的优化以及快速热处理(RTP)技术的卓越性能和精确工艺控制。

快速热处理RTP的合金化在3C-SiC-PiN中的应用 图2.png 

2 .p型欧姆接触TLM的室温I-V表征和总电阻的拟合

 

此外,PiN肖特基二极管在室温下展现出典型的正向J-V特性,如图3a。尽管其内建电势略高于理论值,但仍低于典型的4H-SiC PiN二极管,显示出卓越的性能,有助于降低功耗和提高效率。在2.7V的正向偏压下,电流密度超过1000A/cm2,证明了其出色的导电能力和承受高功率应用的能力。然而,高电流密度下器件的自发热现象仍是一个挑战,需要进一步研究以优化。此外,在±3V时的开关比大于109,如图3b所示,显示出良好的开关特性,适用于高速开关应用。

快速热处理RTP的合金化在3C-SiC-PiN中的应用 图3.png



3 室温下二极管典型的(a)0-5V正向J-V特性、(b) ±3 V开关性能以及

(c)二极管在300-500K下对数尺度下的正向J-V特性

 

在高温(300-500K)条件下,正向电流密度增加,内建电位降低,这是由于本征载流子数量的增加。如图3(c)所示,在较低电流密度下,正向J-V曲线呈现平行趋势,表明温度对两电阻差的影响较小。这一行为在4H-SiC PiN二极管中已有报道,是载流子寿命增加和迁移率及扩散系数下降相互补偿的结果。随着温度升高,低电压泄漏电流密度增加。泄漏电流主要由缺陷辅助隧道构成,隧穿对载流子运输的影响显著,导致激活能低于预期值。

快速热处理RTP的合金化在3C-SiC-PiN中的应用 图4.png 

4 Si3C-SiC4H-SiC的功率器件参数对比图

 

4展示了Si3C-SiC4H-SiC在功率器件应用中的性能指标图,并提供了相关文献中3C-SiC器件的参数[3]。通过对比分析,该文所制作的PiN二极管在性能指标上优于Si单极和超级结极限,同时对3C-SiC MOSFETs和肖特基势垒二极管进行了改进。此外,文章还指出,通过减小漂移层厚度和掺杂度,可以进一步降低开启电阻,从而提高器件性能。

 

高稳定性和高电流密度的3C-SiC二极管器件具有的低正向偏置电压和反向漏电流密度源于RTP快速退火炉的良好表现,RTP系列产品是武汉嘉仪通科技有限公司的核心产品具有最高温度可达1200℃,最高升温速率可达150/s,最快降温速率达1200/min等高性能参数,在薄膜材料制备及热处理方面展现出诸多优势,形成鲜明的行业竞争力,高质量薄膜材料提供了快速升降温、精准控温的高均匀性的高温场和气氛保护,具体表现在

  快速升温的高温场能够促进金属层/SiC层的热扩散,获得更低的接触电阻,形成欧姆接触;

  高温条件下的快速热处理有助于降低金属层的热扩散深度,降低对SiC层的影响,从而提高二极管特性;

  保护气氛有助于避免金属电极或SiC材料的高温氧化,降低表面电阻率,避免出现杂相或者副反应。

 

此外,嘉仪通快速退火炉(RTPRapid Thermal Processing)产品,采用红外辐射加热及冷壁技术,可实现对薄膜材料的快速升温和降温,同时搭配超高精度的温度控制系统,可达到极佳的温场均匀性和稳定性。

嘉仪通(JouleYacht)快速退火炉系列可处理1-12样品,对材料的金属合金化快速热处理、快速热退火、快速热氧化及快速热氮化等研究和生产起到重要作用。

 

参考文献:

[1] Arvanitopoulos A E, Antoniou M, Perkins S, et al. On the suitability of 3C-Silicon Carbide as an alternative to 4H-Silicon Carbide for power diodes[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, 55(4): 4080-4090.

[2] Li F, Renz A B, Pérez-Tomás A, et al. A study on free-standing 3C-SiC bipolar power diodes[J]. Applied Physics Letters, 2021, 118(24).

[3] Abe M, Nagasawa H, Ericsson P, et al. High current capability of 3C-SiC vertical DMOSFETs[J]. Microelectronic engineering, 2006, 83(1): 24-26.  


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