SiC欧姆接触的热稳定性

  尽管Ni₂Si或Al/Ti在n型和p型SiC上形成的欧姆接触具有低阻特性,但是高温下暴露在空气中易于氧化。而且,器件最上层的金属层,即压焊点(Al,Au),在高温的非惰性气体中不稳定(氧化或扩散)。所有这些因素都将使接触性能退化,比接触电阻增大,并最终导致器件导通电阻增大。
 
  器件制造过程中的边缘终端和封装等技术所需的氧化、钝化和电激活,使得接触具有额外的热积存。但是,对于器件和探测装置,形成热稳定的欧姆接触是关键,而且高温下(不止在真空中,还要在破坏性氛围中)对接触的长期可靠性测试是重要的物理和工艺问题。
 
  已有报道指出,n型SiC上形成的具有低比接触电阻的Ni₂Si接触在650℃的真空中经过较长时间(几百小时)仍稳定。最近,已经证实即使在高达1000℃的N₂中退火一个小时,Ni₂Si接触的比接触电阻基本保持不变(如图1所示),这说明制作在n型6H-SiC上的Ni₂Si比接触电阻的变化相对于初始值ϱc0(3.9×10^-5cm²)可以看作是退火温度的函数。

 
  Tanimoto等人已经证实,无论是n型还是p型重掺杂SiC材料上的 MOSFET器件,形成的Ni₂Si接触在500℃N₂中退火1000小时仍保持长期热稳定性。如图2所示,这些接触的比接触电阻可以看作是退火时间的函数。n型材料上的接触电阻在整个退火过程的初始阶段有微弱下降,这一点现在还无法解释。  
  在空气中退火时,除了吸入氧气外,其他引起接触性能退化的因素可能是高温下金属层间的扩散和反应。因此,为了更好的金属化,如同扩散势垒所需的金属一样,需要使用如Au,Pt等贵金属作保护层。
 
  Baeri等人研究了在真空和氧气中退火后,形成的基于Au/TiW/ Ni₂Si/6H-SiC多层金属化的TiW扩散势垒。当退火时间较短时(约3小时),高达575℃的O₂中退火形成的金属化表现了电学稳定性,但超过这个温度后,接触性能退化。真空环境下,600℃的热循环中比接触电阻基本保持不变。另外,在O₂中对接触进行长达100小时的长期稳定性测试表明,当温度未超过450℃之前,比接触电阻保持不变。
 
  利用XPS对多层材料进行化学分析可知,Ti扩散过程是晶界扩散和体扩散的综合,体扩散温度高于400℃时发生。315℃时在Au中没有发现Ti,因此,Ti外扩散穿过Au晶界,到达样品表面,在表面处可以测量到TiOx。当温度超过400℃时,Ti扩散就变成了穿越Au层的体扩散。实际上,除了表面的氧化钛,Au层中还发现了大量的Ti(500℃退火后可能高达30%)。
 
  其他的扩散势垒(如TaSi₂或TaC)也被用于研究制作高温(~600℃)、长期(几百小时)稳定的接触。
 
  Okojie等人在n型6H和4H-SiC上,按Pt/TaSi₂/Ti/SiC顺序堆叠淀积后,在600℃的N₂中退火,形成了热稳定的Ti基欧姆接触。这样热处理后,在界面形成了Ti₅Si₃,并导致了TaSi₂的分解,最上层形成硅化铂层。当掺杂浓度为(0.7~2)×10¹⁹cm^-3时,如图3所示在N₂中退火30分钟可以获得比接触电阻为(1~5)×10^-4Ωcm²,600℃的空气中退火100小时可以将比接触电阻降低到(1~6)×10^-5Ωcm²。最初的100小日时退火得到的比接触电阻较高是因为预烧阶段需要完成主要的反应。这些接触能在600℃的空气中坚持1000小时,因为生成的硅化铂能起到保护作用以抵制氧扩散。  
  Jang等人报道的具有W/WC/TaC/SiC堆叠层的TaC接触比接触电阻3×10^-5Ωcm²，且1000℃的直空中维持600小时并表现出非常好的热稳定性,如图4所示,当1000℃时,比接触电阻是退火时间的函数。1000℃退火600小时只能导致很小的变化,这主要是由于接触内氧的参与,但是退火时间超过800小时后,治金反应(W₂C,TaOx, TaCxOy)以及接触的氧化将导致接触性能退化。


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