摘要：SiC欧姆接触技术和MOS界面钝化技术是制作SiC MOS器件的关键技术。针对低电阻高稳定的SiC欧姆接触难于形成的问题，采用电子回旋共振(ECR)微波氢等离子体对SiC表面进行预处理，研究了低温退火条件下Ti／4H—SiC欧姆接触特性。I—V电学测试结果表明，经氢等离子体处理(HPT)后的样品无需退火即可形成欧姆接触，利用圆形传输线模型测得比接触电阻率为2.25x10-3Ω·cm2，随着退火温度的升高。其欧姆特性逐渐增强，400℃退火后获得最小的比接触电阻率2.07x10-4Ω·cm2。针对SiC MOS界面态密度过高的问题，采用ECR微波氮氢混合等离子体对SiC MOS界面进行退火处理，I—v和C．V电学测试结果显示，氮氢混合等离子体处理可在不破坏氧化膜质量的前提下，使费米能级附近的界面态密度降至1.14x1012 cm-2·eV-1。
关键词：金属氧化层半导体界面；欧姆接触；电子回旋共振微波等离子体
1 引言
新一代半导体SiC是一种物理化学特性极其优异的半导体材料，基于SiC的电力电子器件性能优越，使用该新型器件的电力系统可节能降耗70%。由于其在节能环保等领域的卓越价值，SiC电力电子器件甚至被誉为“拯救地球”的新器件。
SiC MOS是一类重要的功率控制器件，也是未来SiCIGBT器件的重要组成部分。但实际制作的SiCMOS沟道迁移率低(低于10cm2.V-1.s-1)[1]可靠性差，无法满足实际应用需求。其原因主要有两点：①SiC欧姆接触比接触电阻率较大，在高电流密度的工作状态下器件功率损耗大，另外其稳定性差，在高温条件下工作器件的性能容易退化；②SiC MOS界面态密度过高，对反型沟道中载流子的俘获和散射作用较强，最终导致MOSFETs沟道迁移率严重下降。因此，改善SiC欧姆接触特性、降低 SiC MOS界面态密度是实现 SiC MOS器件制作的关键技术，也是国际上研究的焦点。
ECR微波等离子体系统能产生高密度、低能(小于2eV)、高反应活性的等离子体[2]，可在对样品低损伤的情况下有效地进行表面和界面钝化处理。基于以上优点，在此尝试利用ECR微波等离子体对SiC欧姆接触和SiO,/SiC界面进行处理，并研究其处理效果。
2 实 验
2.1 ECR氢等离子体处理Ti／SiC 欧姆接触
实验样品为ll型4H．SiC(0001)外延材料，掺杂浓度为1xl018 cm-3。晶向为[0001]偏向【1120]4°。在金属淀积之前，将两组实验样品(#l，#2)进行RCA清洗后，把#1转移到ECR微波等离子体装置中，固定微波功率650W，处理温度400℃，氢气流量60 sccm．对其处理3 min。利用原位高能电子衍射检测其处理后为清洁、非重构的SiC表面[3]。随后两组样品均利用标准的光刻、剥离工艺形成Ti(厚度约为200 nm)的圆形传输线电极图形，其中内圆直径为300um，内、外圆间距为30～100 m。最后在N2气氛中分别于200℃，400℃，600℃下退火5 min。
采用Keithley 4200半导体参数测试系统对样品进行I-V测试。I-V测试电压扫描范围为一1～1 V，步长为0.05V／s。
2．2 ECR氮氢等离子体处理siC MoS界面
实验样品为n型4H．SiC(0001)外延材料，掺杂浓度为5 xl015cm-3。晶向为[0001】偏向[1120]4°。将4组SiC样品(#1~#4)进行RCA清洗后。在1180℃温度下干氧氧化105 min，随后保持氧化温度N 退火30 min。将#2，#3，#4转移到ECR微波等离子体装置中，固定微波功率650 W，处理温度600 oC，氮气和氢气流量70 sccm，使用氮氢混合等离子体分别对#2，#3，#4处理5 min，10 min和15 min。最后将4组样品热蒸发Al电极制作成MOS电容，并在N 中合金化处理。
采用Keithley 4200半导体参数测试系统对SiC MOS电容进行测试。I—V测试电压扫描范围为0—38 V。步长0.05V／s；C-V测试电压扫描范围为一10~10 V，步长0.02 V／s，保持时间100 ms。
3 结果与讨论
3.1 ECR氢等离子体处理的改善效果
图1示出经ECR HPT前后Ti／4H—SiC接触的I．V特性曲线。由图可见，样品在HPT前呈整流特性。处理后，I—V曲线由非线性变为线性，说明HPT显著地改善了Ti／SiC接触的欧姆特性．无需退火就形成了欧姆接触。其原因可能是在氢处理过程中，氢等离子体有效钝化了SiC表面。去除了表面碳、氧等污染物，使Ti／SiC接触的界面态密度显著降低，费米能级钉扎效应被消除，界面处形成的势垒高度降低，从而有利于形成欧姆接触。
图2a示出经氢处理的样品(#1)在退火前及退火200℃，400℃和600℃后的I．V特性曲线。由图可知，样品在退火前就形成了欧姆接触，且I—V曲线的斜率在退火400℃前随着退火温度的升高而增大，表明Ti／SiC接触的欧姆特性增强。相应的比接触电阻率如图2b所示，退火前其比接触电阻率低至2.25X10-3Ω·cm²。随着退火温度的升高，比接触电阻率逐渐降低，到400℃时达到最低为2.07x10-4Ω·cm2。这说明经过HPT后能在低温下形成低电阻的Ti／SiC欧姆接触。这与传统在高温(大于700℃)下退火形成SiC欧姆接触的方法相比[4]，降低了工艺难度．避免了电极材料的高温劣化，提高了欧姆接触的稳定性。
然而，当退火温度继续升高，比接触电阻率随之增大，这说明样品的欧姆接触特性变差，究其原因，可能是在退火温度超过400℃时，表面的氢发生了解吸附过程[5]。且Ti／SiC接触界面在此高温条件下极易被氧化[6]，使得界面态密度重新增大．费米能级又被高的界面态密度钉扎。接触势垒升高，从而导致欧姆接触性能退化。
3.2 ECR氮氢等离子体处理的改善效果
3.2.1 对氧化膜质量的影响
图3为氮氢等离子体处理不同时间样品 E曲线。可见，#1~#4 的击穿场强分别为9.62 MV·cm-1，9.95 MV·cm-1，9.92 MV·cm-1和9.92 MV·cm-1。根据FN隧穿模型[7]可以计算得到的势垒高度分别为2.69 eV，2.70 eV，2.71 eV和1.96 eV。由此可见，所有样品击穿场强均超过9.5MV·cm-1，可满足MOS器件可靠性要求。#1，#2，#3的势垒高度也都非常接近SiO2／SiC界面理论势垒高度2.7 ev。然而，处理15min的#4。尽管其击穿场强可达9.92 MV／cm，但势垒高度却只有1.96 eV。究其原因，可能是由于氮氢等离子体处理时间过长导致的氧化膜损伤所致。
3.2.2 对界面态密度的影响
为进一步评价氮氢等离子体处理对SiC MOS器件的影响，采用hi—lo法对样品的高、低频C—V测试数据进行分析，以给出SiC导带(E。)下0.2～0.6 eV范围内的界面态密度分布情况．如图4所示。由图可见，氮氢混合等离子体处理后，SiO2／SiC界面的界面态密度明显降低。尤其是处理时间为10 min时。其界面态密度最低．在费米能级附近(Ec=E=0.23 eV)达1.14x1012cm²·eV～。比传统热氧化界面(6.85x1012 cm-2 ·eV-1 )降低了半个数量级。
综合I-V和C—V特性分析结果可见，在600℃条件下，ECR氮氢等离子体处理10 min可保证SiC MOS结构同时具有优良的氧化膜可靠性和低的界面态密度。
氮氢混合等离子体处理之所以能降低SiC MOS界面的界面态密度，可能是由于高反应活性的N和H进入界面，与SiOxCy，C—clusters等界面缺陷反应，减少或钝化了这些缺陷，进而达到了降低界面态密度的效果。
4 结 论
针对SiC MOS器件制作过程中的关键技术问题，采用ECR微波等离子体对SiC欧姆接触和SiC MOS界面分别进行了改性处理。在SiC欧姆接触特性改性方面，实验结果表明，ECR微波氢等离子体预处理SiC表面能有效改善Ti／SiC欧姆特性，Ti电极无需退火就可形成欧姆接触。并且其欧姆特性在经过400℃退火后得到优化．比接触电阻率最低达到2.07x10-4Ω·cm2。在SiC MOS界面改性方面，I—V和C．V特性分析表明。ECR微波氮氢等离子体退火可在不破坏氧化膜质量的前提下，有效降低界面态密度。处理10 min时，SiO 击穿场强为9.92 MV·cm-1，势垒高度为2.71 eV，SiC费米能级附近的界面态密度由热氧化时的6.85X1012cm-2·eV-1降至1.14X1012cm-2·eV-1。这说明ECR微波等离子体工艺可同时有效改善SiC欧姆接触和SiC MOS界面特性，为SiC MOS器件的实际制作奠定基础。
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