碳化硅壓力傳感器歐姆接觸電阻率的測量方法*

任向陽，張治國，劉宏偉，李永清，李 穎，賈文博，祝永峰，王卉如，錢薪竹

（沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司，沈陽 110043）

1 引言

作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，碳化硅具有禁帶寬度大（2.4～3.0eV）、抗氧化性強(qiáng)、高擊穿電場（4×106V/cm）、高熱傳導(dǎo)系數(shù)（5 W/(m2·K)）等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于高溫、高頻、大功率器件等領(lǐng)域[1-2]。然而，由于碳化硅材料同時(shí)具有硬度大（僅次于金剛石）、耐腐蝕性強(qiáng)等特點(diǎn)，導(dǎo)致加工工藝受限，限制了碳化硅器件的發(fā)展。隨著加工工藝的不斷提升和改進(jìn)，目前已經(jīng)出現(xiàn)多種碳化硅加工手段，如RIE 刻蝕、ICP刻蝕[3]、機(jī)械精密加工[4]、超聲加工[5]、激光加工[6-7]等，也推動著碳化硅晶圓質(zhì)量的不斷提升，使碳化硅產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展的趨勢。由于碳化硅離子擴(kuò)散系數(shù)低、雜質(zhì)離化能高，對于碳化硅器件，要形成耐高溫、高可靠性的歐姆接觸，通常需要采用復(fù)合電極形式，而且合金溫度需要在900℃以上，條件較為苛刻。鑒于此，有必要對電極歐姆接觸進(jìn)行合理的準(zhǔn)確的驗(yàn)證。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

碳化硅壓阻式壓力傳感器，按照材料不同，可分為三種，即：3C-SiC、4H-SiC 和6H-SiC。

3C-SiC 壓力傳感器是在硅上異質(zhì)外延生長的一薄層碳化硅。碳化硅作為器件層，具有與硅MEMS工藝兼容性好、加工難度小的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是硅與3C-SiC 器件層的晶格失配度高達(dá)20%，界面缺陷較多，影響器件性能。另外，在使用溫度上，由于受體硅材料的影響，溫度提升空間較小[8-9]。

4H-SiC 和6H-SiC 壓力傳感器屬于全碳化硅壓力傳感器。前期的研究以6H-SiC 為主，近幾年隨著4H-SiC 相關(guān)工藝的開發(fā)與完善，4H-SiC 逐漸成為全碳化硅壓力傳感器的主流[10-12]。

由于N 型碳化硅的壓阻系數(shù)相比之下高于P型，因此碳化硅壓力傳感器的材料多選用N 型。而對于N 型碳化硅，形成歐姆接觸的金屬主要有Ti 基和Ni 基復(fù)合金屬系統(tǒng)。通常以Au 作為頂層壓焊層，為了抑制半導(dǎo)體與金屬原子間擴(kuò)散，中間再加以擴(kuò)散阻擋層，如Pt、Cr、W 等貴金屬。2015 年，有研究團(tuán)隊(duì)采用Ti/Ni/Au（50/300/20 nm）電極，經(jīng)1000 ℃、90 s 快速熱退火，形成電阻率低至(4～5)×10-6Ω·cm的歐姆接觸[13]。2006 年，楊銀堂教授[14]采用Ti/Ni/Au（30/250/200nm）電極，在900℃Ar氛圍下合金30 min，形成的接觸電阻為1.4×10-5Ω·cm2。2009 年，國外團(tuán)隊(duì)研究了在950℃高溫退火后，N 型4H-SiC 表面Ni和Ni/Ti 基金屬化的微觀結(jié)構(gòu)[15]。對于Ni/SiC，在退火過程中形成了Ni2Si 和NiSi 相的混合物，另有大量碳原子游離到表面層；對于Ni/Ti/SiC，Ni2Si 是唯一形成的相，同樣測得碳在表面富集，對深入分析碳化硅合金機(jī)理起到了指導(dǎo)作用。

3 實(shí)驗(yàn)原理

對于接觸電阻率ρ，雖然目前測試接觸電阻率的方法有很多，但是最常用的是線性傳輸線模型LTLM（Linear Transmission Line Model）。

L-TLM 由Shockley 于1964 年提出，后經(jīng)他人多次改進(jìn)[16-19]。此法由于制作和測試簡單，獲得的結(jié)果較為準(zhǔn)確，現(xiàn)在已成為測試歐姆接觸電阻率的主要方法。L-TLM 測試圖形正面如圖1 所示。

圖1 L-TLM 測試圖形

兩個(gè)相鄰電極之間的總電阻由接觸電阻和體電阻組成?？傠娮栌肦T表示，公式為：

由于電流在半導(dǎo)體內(nèi)的分布是不均勻的，而電流進(jìn)入半導(dǎo)體處的電流密度最大，式中Rf稱為“前沿”接觸電阻。LT是傳輸長度，其定義為從金屬電極邊緣的電流密度降至1/e 時(shí)位置的距離。RSH為碳化硅的薄層電阻；RSK為接觸合金下碳化硅薄層貢獻(xiàn)的電阻。為方便計(jì)算，可近似認(rèn)為RSH=RSK。W 為金屬電極的寬度，l 為不同金屬電極間的距離，可根據(jù)實(shí)際工藝情況做適當(dāng)調(diào)整。

如果金屬-半導(dǎo)體接觸（M-S 接觸或金-半接觸）界面沒有勢壘，I-V 特性曲線理論上應(yīng)該呈現(xiàn)良好的線性對稱關(guān)系。測試時(shí)，在樣品上的不同距離為Ln的金屬電極間通恒定電流I，同時(shí)測出兩電極間的電壓值V，即可求出總電阻值RT。通過測試多對電極之間的電阻值，做出對應(yīng)的RT～l 的擬合曲線。該曲線與X 軸和Y 軸的截距分別為2LT和2Rf。此法即為圖解法，如圖2 所示。

圖2 L-TLM 圖解法測試接觸電阻率

根據(jù)圖解法求出直線斜率，根據(jù)已設(shè)定的W 值進(jìn)而求出RSH，再由圖解法求出LT值，結(jié)合下式，即可計(jì)算出接觸電阻率的數(shù)值：

4 設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

在碳化硅材料的參數(shù)選擇上，由于碳化硅離子注入后雜質(zhì)激活率較低、晶格缺陷濃度高，而且需要高溫高能量的離子注入條件，另外為了與金屬電極形成良好的歐姆接觸，碳化硅器件層摻雜濃度需要做到很高，因此，制備時(shí)采用外延摻雜的方式實(shí)現(xiàn)碳化硅器件層的高摻雜。

在碳化硅外延片的結(jié)構(gòu)上，考慮到N 型碳化硅的壓阻系數(shù)相對高于P 型，為了使傳感器具有更高的靈敏度輸出，采用NPN 型碳化硅外延片結(jié)構(gòu)，即在N 型碳化硅襯底上先外延一層低摻雜P 型碳化硅外延隔離層（厚度5μm，摻雜濃度1×1017cm-3），再外延一層N 型重?fù)诫s碳化硅外延器件層（厚度2μm，摻雜濃度1×1019cm-3）。

在T-LTM 的制備上，共需要制備兩塊光刻掩膜版。其中一塊為碳化硅器件層刻蝕光刻版，用來圖形化碳化硅器件層；另一塊為復(fù)合金屬電極光刻版，在碳化硅器件層區(qū)域形成電極圖形。經(jīng)半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)工序制備的L-TLM 碳化硅樣品的正面測試圖形參見圖1。版圖中邊框線部分的碳化硅被刻蝕掉，只保留中部區(qū)域的碳化硅，形成圖形化的復(fù)合電極。為了提高試驗(yàn)測試的準(zhǔn)確性，可適當(dāng)改變測試圖形的參數(shù)，設(shè)計(jì)成多種不同參數(shù)的試驗(yàn)方案，如表1 所示。此外，為了減少寄生電阻，電極與邊緣的距離δ 應(yīng)盡可能的小。

表1 不同參數(shù)下L-TLM 樣品幾何尺寸單位：μm

T-LTM 碳化硅測試樣品制備流程如圖3 所示。具體為：

圖3 碳化硅L-TLM 樣品制備流程示意圖

1）旋涂光刻膠，烘干后曝光；

2）顯影，將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移至光刻膠掩膜；

3）RIE 刻蝕頂層碳化硅，將光刻膠掩膜上的圖形轉(zhuǎn)移至碳化硅器件層，去除光刻膠；

4）濺射復(fù)合金屬電極，在碳化硅器件層上濺射復(fù)合金屬電極層；

5）經(jīng)過涂膠、光刻、腐蝕金屬、去膠等工藝后將第二塊掩膜版圖形轉(zhuǎn)移至復(fù)合金屬電極，再經(jīng)過高溫合金后形成L-TLM 碳化硅測試樣品。

采用Ni/Au（100/200nm）復(fù)合電極，分別在氮?dú)夥諊Ｗo(hù)下進(jìn)行700℃和1000℃合金試驗(yàn)，合金時(shí)間均為1min。合金前后I-V 曲線如圖4 所示。

圖4 合金溫度試驗(yàn)I-V 曲線。

可見，合金前呈現(xiàn)明顯的肖特基接觸，700℃合金后，I-V 曲線仍呈非線性，為肖特基接觸；1000℃合金后，I-V 曲線呈現(xiàn)出線性關(guān)系，經(jīng)T-LTM 測試，接觸電阻率約為0.88×10-4Ω·cm2，達(dá)到了良好的歐姆接觸效果。

5 結(jié)束語

I-V 特性曲線和接觸電阻率共同決定著金屬-半導(dǎo)體歐姆接觸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。碳化硅壓力傳感器應(yīng)用溫度一般超過400℃，因此以極高要求實(shí)現(xiàn)歐姆接觸電極系統(tǒng)，才能滿足長時(shí)間高溫穩(wěn)定性需求。結(jié)合L-TLM 測試方法，對Ni/Au 電極與N 型碳化硅在不同溫度下的合金工藝進(jìn)行研究，最終得到實(shí)現(xiàn)碳化硅工藝低歐姆接觸率的合金方案，為碳化硅高溫壓力傳感器的開發(fā)提供了技術(shù)參考。