4H-SiC BJT功率器件特性与工艺研究

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碳化硅(Silicon Carbide,SiC)具有高的临界电场、宽的禁带宽度和高的热导率等性能,这些优越的性能使其有望取代硅成为制造下一代功率半导体器件的材料。与其他功率开关相比,双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT)具有非常低的正向压降、高的电流能力和快的开关速度。然而,为了适应市场的需求,必须要有非常高的电流增益和接近理想的击穿电压。此外,还必须解决在长时间工作过程中BJT电流增益(β)和正向饱和压降(VCESAT)等器件性能退化的问题。本文基于中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心(ICAC)的工艺平台进行1200V 4H-SiC BJT的器件制作,论文对实际流片过程中发射极台面刻蚀、基极台面刻蚀和台面终端刻蚀进行了详细的介绍;也对实际流片过程中的发射极和基极金属退火工艺进行了介绍,同时对退火过程中遇到的问题进行了分析。本文首先研究了SiC干法刻蚀工艺,进行了刻蚀单步工艺的开发。通过实验对比分析了金属掩膜和SiO2掩膜对刻蚀形貌的影响,最终选择了SiO2作为SiC刻蚀的掩膜;随后分别用氯基刻蚀气体和氟基刻蚀气体对SiC进行刻蚀,得出了氟基刻蚀气体性能更优的结论。其次,论文对N/P型SiC的欧姆接触进行了单步工艺开发,分别选择金属Ni和合金Ni/Ti/Al/Ni作为N型和P型欧姆接触金属,通过实验不断优化金属厚度和退火条件,得到了满足器件设计要求的发射极和基极比接触电阻;同时开发了BJT金属剥离工艺,通过调整涂胶转速、泛曝时间等工艺条件得到了易于金属剥离的倒梯形结构。然后,根据前期实验的结果设计了4H-SiC BJT的器件版图,接着对整体的工艺流程进行整合并进行了1200V 4H-SiC BJT的器件制作。最后,对4H-SiC BJT器件的静态特性进行了测试。基极-发射极二极管的正向开启电压为2.8V,反向漏电58pA@-4V,常规BJT器件的电流增益(β)最大值为33.75@JC=90A/cm2,正向饱和压降(VCESAT)为0.5V@JC≈100A/cm2,比导通电阻为3.7mΩ·cm2,常规BJT器件的性能基本达到了设计要求。
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