碳化硅器件制作关键技术与工艺集成

碳化硅器件制作关键技术与工艺集成

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摘要：碳化硅(Silicon Carbide, 简称SiC)作为一种宽禁带半导体材料，不但击穿电场强度高、热稳定性好、还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，在高温、高频、大功率器件和集成电路制造领域有着广阔的应用前景。本文综述了SiC器件制作过程中关键工艺研究的最新进展，如掺杂、刻蚀、氧化以及欧姆接触，介绍了器件中结终端技术的应用与发展，最后从工艺集成的角度分析了器件制作过程中热学兼容性、力学兼容性以及异质兼容等问题。

关键词：碳化硅；器件工艺；结终端技术；工艺集成

Abstract: Silicon Carbide (SiC) has outstanding properties such as high saturated electron drift velocity, high electric breakdown field and high thermal conductivity, and is a very promising wide band gap semiconductor material to fabricate high temperature, high power and high frequency semiconductor devices.In this paper, research and development of SiC processes are reviewed, such as doping, etching, oxidation and ohmic contact formation. Application and development of junction termination extension is introduced. Finally, for the process integration, the thermal compatibility, mechanical compatibility andheterogeneouscompatibility issueare discussed.

Keywords: Silicon Carbide; process; Junction Termination Extension; Process Integration

1.     引言

在众多的半导体材料中，碳化硅(Silicon Carbide, 简称SiC)以其良好的物理和电学性能成为继承锗、硅、砷化镓之后新一代微电子器件和电路的半导体材料。表1列出了几种重要半导体材料的基本特性比较，从中我们可以看出SiC与传统的半导体材料相比所具有的优越性。

表1 室温下几种半导体材料特性的比较^[1-10]

SiC材料的宽禁带使得其器件能在相当高的温度下工作以及具有发射蓝光的能力；高临界击穿电场决定了器件的高压、大功率性能；高的饱和电子漂移速度和低介电常数决定了器件的高频、高速工作性能；高热导率意味着其导热性能好，可以大大提高电路的集成度，减少冷却散热系统，从而大大减少整机的体积。此外SiC具有很高的临界移位能，这使它具有高的抗电磁波冲击和抗辐射能力，SiC器件的抗中子能力至少是Si器件的4倍。

图1 SiC器件的广泛应用

       如图1所示，SiC的这些优良的特性使其在高温、高频、大功率、抗辐射半导体器件等方面的应用倍受青睐，是实现高温与高功率、高频及抗辐射相结合的理想材料，并成为最具潜力的第三代宽禁带半导体材料之一^[11-12]。

2.     SiC器件的研究进展

鉴于SiC器件广阔的应用前景，国内外开展了广泛的研究工作。在众多因素中，高质量的SiC厚外延层以及大尺寸的SiC晶圆成为制约SiC器件发展的主要因素，而这些都可以部分归结于SiC中存在着的大量缺陷。随着SiC材料生长工艺的进展，在近年来SiC技术在减少缺陷密度上取得中长足的进步。图2显示了SiC在材料质量以及晶圆尺寸上取得的成果^[13]。其中微管缺陷密度上看，从上个世纪90年代发展到2005年，已经从>10 cm