Au肖特基接触稳定性的研究

Au肖特基接触稳定性的研究 技术专栏TechnologyColumn SiCMESFET中Ti/Pt/Au肖特基接触稳定性的研究 崔晓英,黄云,恩云飞,陈刚2,柏松2 (1.信息产业部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室, 广州510610;2.南京电子器件研究所单片集成电路和模块国家级重点实验室,南京210016) 摘要:SiC是一种在高功率和高温应用中涌现的非常重要的半导体材料.研究了一种国产 SiCMESFET器件在300?温度应力下,存储1000hTi/Pt/Au栅肖特基势垒接触的稳定性以及 器 件电学特性的变化.实验结果明在300?温度应力下,器件的最大饱和漏电流,势垒高度,阅 值电压和跨导等参数均呈现明显的下降趋势,在实验前期一段时间内退化较快,而在应力后 期某 段时间内为渐变并趋于稳定. 关键词:碳化硅金属肖特基场效应晶体管;肖特基结;栅退化;稳定性 中图分类号:TN386文献标识码:A文章编号:1003.353X(2008)10.0859.03 StabifityofSchottkyContactinTi/Pt/AuofSiCMESFET CuiXiaoying,HuangYun,EnYunfei,ChenGang2, BaiSong2 (1.The5ResearchInstituteofMII,NationalKeyLaboratoryforReliabilityPhysicsandApplication TechnologyofElectronicProdf,Guangzhou510610,China;2.NationalKeyLaboratoryofMonolithic IntegratedCircuitsandModules,NanjingElectronicDevicesInstitute,Nanjing21~16,China) Abstract:SiCisanimportantemergingsemiconductortechnologyforhighpowerandhightemperature applications.ThedevicecharacteristicandTi/Pt/AuSchottkycontactstabilityofadomesticSiCMESFETwas studied,whichsubjectedtotherma]stressat300ccfor1000h.Itturnsoutthatthesaturationleakage current,barrierheight,pinchoffvoltageandtransconductancearealldegradedobviously,andthe degradationisfastintheforeheadofthetimeandslowintherear. Keywords:SiCMESFET;Schottkycontact;gatedegradation;stability EEACC:2560S 0引言 SiC材料由于具有宽带隙,高临界击穿电场, 高热导率,高载流子饱和漂移速度等优点,在高 温,高频,抗辐射相结合器件等方面具有巨大的应 用潜力,成为最有前景的第三代宽带隙半导体材料 之一.随着6H,4H.SiC体材料相继商品化,SiC器 件,如氧化,掺杂,刻蚀及金属.半导体接触, 都日渐成熟,这些为SiC器件的研制及应用奠定了 基金项目:国家重点实验室基金资助项目(9140蝴o7DZ15) Octoher2098 基础,很多器件如Schottky势垒二极管,MOSFET 和MESFETl.等器件成为人们广为研究的对象. 这些基于肖特基接触的电子器件的性能强烈依 赖于肖特基势垒高度,而栅肖特基势垒接触的稳定 性直接影响了其可靠性.所以,对金属/SiC肖特 基接触的研究就尤为重要,因为SiC在许多苛刻的 环境条件下仍具有非常好的性能,在自动化,航 天,核能等大多数应用中,都需要器件或者电路在 高温下工作数千个小时甚至几年,本文研究的是 Ti/Pt/Au栅SiCMESFET在300oC温度应力下肖特 基势垒接触的稳定性以及器件特性的变化. SemiconductorTechnologyVo1.33No.10859 崔晓英等:SiCMESFET中Ti/Pt/Au肖特基接触稳定性的研究 1实验样品及实验条件 SiCMESFET属于横向(水平)器件,器件结 构如图1所示.其源和漏接触位于晶片顶层,典型 的源,漏欧姆接触位于n外延层上以减少接触电 阻,轻掺杂11型沟道区将其分开位于栅极两侧.沟 道中多数载流子从源流向漏,并受控于加负偏置的 栅电极.典型的器件隔离方法是在导电衬底上实现 P型缓冲层,该SiCMOSFET是使用半绝缘衬底上 的国产4H.SiC做外延材料. n型沟道 P型缓冲层 4H-SiC衬底 图1典型的SiCMESFET器件的结构剖面图 Fig.1CrosssectionoftypicalSiCMESFET Ti/Pt/Au栅是当今军用和民用中使用最广泛的 n-SiCMESFET栅金属结构.由于实验样品较为昂 贵,针对Ti/Pt/Au这种栅结构的5只n.SiC MESFET,设计了300?下高温存储1000h的实验 (HTS),来模拟SiCMESFET器件在高温工作环境 下特性的变化和栅肖特基势垒接触的稳定性.5只 样品的退化程度基本一致,以下为某样品的典型实 验结果. 2实验及结果 实验样品在300?的高温环境下进行1000h高 温存储实验后,SiCMESFET的直流特性和最大饱 和漏电流,势垒高度,阈值电压和跨导等参数均呈 现明显的下降趋势.与肖特基势垒栅退化有关的典 型实验结果如图2—5所示. 0I35 0.30 0.25 l曰0=20 O.0o - 0.O5 ,,r 图2,D簟与漏压()在不同存储时间后的实验曲线(I-ITS) Fig.2Profileof,DBB—VDafter1000hHTS 860半导体技术第33卷第10期 i - 22-20-18-16-14-12-10-8—6-4 V 图3G与s在不同存储时间的实验曲线(HTS) Fig.3ProfileofG一Vgsafter1000hHTS — l3 — 14 之一15 一 l6 — 17 - 18 图4阈值电压(Vp)与时间(t)的实验曲线(HTS) Fig.4ThresholdvoltageVp—tin1000hHTS l昌一一 : 一 图5VD=20V不同栅压时的,c—t关系曲线 Fig.5Gatecurrent,G—tin1000hHTS(VD=20V) 以下方程给出了在均匀掺杂沟道中,各项电学 参数与器件的物理尺寸,掺杂浓度,载流子迁移率 等之间的关系_4J,即 V:_qa - 2N — D po(1),’… G=q()【1_(门 qNDntz(a0) 1Ds8—一’—. [1_3+2】? 方程(2)和(3)是在零栅压时的表达式,式中: q是电子电量;是电子迁移率;凡是沟道载流子 浓度;ND是掺杂浓度;e为半导体介电常数 (4H.SiC约为l0e0);a,L和分别为沟道深度, 沟道长度和宽度. 在高温存储实验中,由于Au的穿透内扩散及 栅的”沉陷”将引起势垒高度的增大和栅下有源区 有效沟道厚度减小[,而理论表明,D..与口 2008年1O月 42O864202呲懈薹}咖耋} OO00OOO0O 崔晓英等:SiCMESFET中~/PCAu肖特基接触稳定性的研究 成正比,阈值电压与成正比,n的减小显然 对,和.造成了不良影响. 由图3可以看到,随着应力施加时间的增加, 跨导逐渐变小这是由于在高温存储实验后,栅肖 特基势垒接触和源漏欧姆接触都产生了退化,考虑 到栅退化,特别是在栅源问存在一个电通路,将对 跨导产生极大的影响,栅的退化在实验前期一段时’ 间变化较快,而在应力后期某段时间为渐变. 图4所示为高温存储实验(HTS)在进行了 1oooh后,器件的阈值电压的变化过程.阈值电压 与a成正比,随着高温存储时间的增加,栅肖 特基结的退化使栅下有源区有效沟道厚度减小,因 而阈值电压呈现下降的趋势.虽然Ti金属与SiC之 间的互相渗透在足够高的温度下才会出现,但是栅 极金属Au扩散到SiC的速度是一个栅极金属扩散 率,温度和金属密度梯度的.在1000h的实验 后,尽管Pt层被用作Au扩散到SiC的势垒,但势 垒层上的漏边界仍可能允许Au有扩散途径,因此 可能导致器件的退化.势垒薄膜上含氧和氮也会有 助于Au向薄膜扩散.对于国产SiCMESFET器件而 言,由于不够完美的制造过程或者材料质量等问题 也可能会促使边界层失去作用. 图5所示为栅电流,随时间的退化曲线,由 图中可以看出,栅电流随着I-ITS实验时间的增加 逐渐减小,也能反应出SiCMESFET器件的栅肖特 基势垒高度的变化. 2.1栅肖特基结正向特性的变化 实验前后,对SiCMESFET器件的栅肖特基结 特性进行了测试,实验前后栅肖特基结低压正向漏 电流曲线如图6所示. 一 2 — 4 一一6 卜 一 8 — 10 — 12 一 o.2o.oo.2o.4o.6o.81.o1.21.41.61.82.O ,v 图6实验后栅肖特基结低压正向漏电流增大 Fig.6LowvoltageforwardcurrentofgateSehottkycontact increaseafterHIS 从图6可见,经过高温存储实验,SiCMESFET 器件的栅肖特基结低压正向漏电流增大.在高电压 October2D08 下,正向电流较大,正向漏电流与正向电流相比可 忽略.而在低电压下,正向电流较小,正向漏电流 与正向电流相比不可忽略,因而引起非线性.正向 漏电流是由电子.空穴对经过复合.产生中心复合引 起,高温下会引起栅金属的下沉和扩散,从而造成 了漏电流的变化. 2.2栅肖特基结反向特性的变化 实验中测得的典型肖特基势垒反向川/特性见 图7.反向击穿电压随着时间的增加其绝对值逐渐 变大,漏电流增大.图8所示为HTS实验后,SiC MESFET器件的反向小电流特性. O 一 2 — 4 一 6 一 8 一 l0 — 12一l0—8—6—4—20 ,,, 图7栅肖特基结反向,.特性与时间(t)的实验曲线 (HTS) Fig.7Reverse,一VcharacteristicofgateSehottkycontactVS tafterHTS 图8栅肖特基结小电流反向,_特性与时间(t)的实 验曲线(HTS) Fig.8LowcurrentreversecharacteristicofgateSehottky contactVStafterHTS 实验前后SiCMESFET有源区复合.产生中心效 应的变化是漏电流退化的主要影响因素.反向漏电 流是由复合.产生中心产生电子空穴对引起,与复 合.产生中心浓度,能及位置和俘获截面有关.复 合一产生中心简称复合中心,它们来源于半导体材 料微量重金属杂质或缺陷,高温实验往往会引起栅 金属下沉和栅金属扩散,引起肖特基势垒接触的有 源区的微量重金属杂质和缺陷浓度的变化,因而造 成漏电流的变化.另外,漏电流的退化也与界面态 的影响,栅金属和接触界面的化学特性相关. (下转第916页) SemiconductorTechnologyVo1.33No.10861 黄苒等:基于CPLD的si基液晶芯片显示驱动 一一(a)字符显示(b)l6方格明暗两级灰度图像 图6LCOS芯片显示”IMECAS”字符与16方格图像 Fig.6LcoSchipdisplay”IMECAS”textand16squaregraphics 5结语 本文以MAXI1EPM1270CPLD为核心控制单 元,搭建了LCOS芯片驱动系统,通过对CPLD编 程,采用通过行列坐标控制显示数据的方法产生模 拟的显示信号数据,驱动LCOS芯片,对其进行测 试与图像显示,得到正确的测试波形与测试图像, 验证了LCOS芯片的功能. 参考文献: [1]KWOKHs,HUANGHC.Liquidcrystalonsiliconmicrodisplays [C]?Solid-StateandIntegratedCircuitsTechnologyInternational Conference.Beijing,China,2~0411987—1990. [2]王伟,石家纬.微显示[J].液晶与显示,2005,20(5):430. 433. [3]耿卫东,张永利,代永平,等.基于LCOS芯片的微型电视 系统设计与实现[J].液晶与显示,2004,19(6):458.461. [4]杨基南.TFI’-LCD的基本结构和Trr制造技术[J].微细 加工技术,1994(1):3-9. [5]VERILOGHDL.硬件描述语言[M].徐振林,译.第二版. 北京:机械工业出版社,2000:59.80. (收稿日期:2008.05.21) 作者简介: 黄苒(1982一),男,山东菏泽人,博士,研究 方向为si器件与集成技术,集成电路工艺与设 计和LCOS微显示驱动技术研究; 杜寰(1963一),男,副研究员,1999.12—2002.9在英国作博士后, 硕士生导师,目前主要从事磁随机存储器驱动电路,平板显示驱动电 路,半导体功率器件等方面的研究工作; 韩郑生(1962一),男,研究员,教授,博士生导师,研究方向为微 电子学与固体电子学. (上接第861页) 3结语 SiC是一种在大功率和高温应用中涌现出来的 非常重要的半导体材料.SiCMESFET是依靠栅的 肖特基势垒接触来控制沟道区,因而SiCMESFET的 可靠性与稳定性很大程度上取决于肖特基势垒栅的 特性及其可靠性.本文主要研究了SiCMESFET器 件在300cI=温度应力下,存储1000hTi/Pt/Au栅肖 特基势垒接触的稳定性以及器件电学特性的变化. 通过对实验数据的分析表明:在300oC温度应力下, 器件的最大饱和漏电流,势垒高度,阈值电压和跨导 等参数均呈现明显的下降趋势,在实验前期一段时 间退化较快,而在应力后期某段时间为渐变并趋于 稳定. 参考文献: [1]郝跃,彭军,杨银堂.碳化硅宽带隙半导体技术[M].北 京:科学出版社,2000:1-14. 916半导体技术第33卷第1O期 [2]RAGHUNATHANR,ALOKD,BAHGABJ.Hishvoltage4H— SiCschottkybarrierdiodes[J].IEEEEDL,1995,16(6):226. 232. [3]ITOHA,KIMOTOT,MATSUNAMIH.HJighperformanceof high-voltage4H—SiCSehottkybarrierdiodes[JJ.IEEEEDL, 1995,16(6):280.282. [4]DONALDAN.Semiconductorphysicsanddevices:basic principles,thirdedition[M].Beijing:PublishingHouseof ElectronicsIndustry,2005:408—413. [5]李志国,赵瑞东,孙英华,等.n—GaAsTi/Mo/Ti/Au肖特基 势垒接触失效机理的研究[J].电子产品可靠性与环境 试验,1995(3):23—29. (收稿日期:2oo8—05—13) 作者简介: 崔晓英(198l一),女,西安人,硕士,微电子 专业,助理工程师,现进行G山,SiC等微波器 件的可靠性研究. 2008年10月