碳化硅RSD器件关键工艺探索

摘要

碳化硅(SiC)是新型宽禁带半导体材料，具有宽带隙、高热导率、高电子饱和速度、高临界击穿场强等优点。用SiC材料制作功率半导体器件相对于传统Si基器件具有更高的耐压、更低的导通电阻和功率损耗、更强的散热能力等优势。在SiC材料的各种结构中，4H-SiC具有更高的载流子迁移率和更低的各向异性，应用更为广泛。
　　反向开关晶体管RSD（Reversely Switched Dynistor）是专门应用于脉冲功率领域的半导体开关，相对其他脉冲功率领域的开关器件具有通流能力强、di/dt耐量高、开通速度快和易于串联等优点。采用SiC材料制作RSD器件可望进一步提高器件的阻断电压和电流密度，减小高耐压情况下的导通损耗，更有利于高压和重复频率应用。
　　目前，在SiC功率器件的工艺制作领域仍然存在诸多难点，例如刻蚀技术、离子注入、P型欧姆接触制作的问题。本文主要研究4H-SiC RSD器件的制作工艺，并对SiC材料的工艺难点进行了探索。
　　重点研究了4H-SiC材料的关键加工工艺之一—刻蚀工艺。采用感应耦合等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma，ICP)方法，CF4/O2混合气体作为刻蚀气体，用正交实验的方法系统研究了ICP功率、RF功率、CF4流量、O2流量等工艺参数对4H-SiC材料刻蚀速率的影响，结果表明刻蚀速率随ICP功率和RF功率的增大而增大，随CF4流量先减小后增大，随O2流量先增大后减小。获得了最大的刻蚀速率213.47nm/min并测得其表面均方根粗糙度（RMS）为0.724nm，保证了较好的表面质量。
　　设计并初步探索了4H-SiC RSD器件的全套工艺流程。实验前期进行了外延片结构设计、工艺流程设计和光刻版制定；然后在外延片基础上，进行了光刻、磁控溅射、金属剥离、ICP刻蚀、离子注入及退火、欧姆接触制作等一系列工艺步骤，对关键参数如曝光时间、显影时间、磁控溅射条件、剥离时间、离子注入能量及剂量、退火条件等进行了探索。最后提出了台面正斜角工艺以改善器件阻断特性，初步制得正向阻断电压约为600V的器件，为器件工艺的进一步完善和优化打下了基础。

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1 绪论

1.1 SiC材料的特性和优势

1.2 SiC功率器件研究现状

1.3 SiC材料工艺发展现状

1.4 RSD器件简介

1.5 本文主要工作

2 SiC材料加工工艺相关理论

2.1 引言

2.2 ICP刻蚀机理

2.3 离子注入及退火理论

2.4 欧姆接触理论

2.5 本章小结

3 SiC RSD器件刻蚀工艺研究

3.1 引言

3.2 ICP刻蚀实验

3.3 实验结果及ICP刻蚀机理探讨

3.4 本章小结

4 SiC RSD器件制作

4.1 引言

4.2 SiC RSD器件设计

4.3 器件工艺流程

4.4 结终端造型与阻断特性测试

4.5 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献