第27卷 第8期2006年8月
半 导 体 学 报
C HIN ES E J OU RNAL O F S EM ICON
D U C TO RS
Vol.27 No.8
Aug.,2006
3国家自然科学基金(批准号:60376001)，国家重点基础研究发展规划(批准号:2002CB 311904)和国防基础研究计划(批准号:51327020202)
资助项目
通信作者.Email :chwa ng @mail.xidia n.edu 2005212226收到,2006202209定稿
○
c 2006中国电子学会钒注入4H 2SiC 半绝缘特性的研究 3
王 超 张玉明 张义门
(西安电子科技大学微电子学院，宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室，西安 710071)
摘要：研究了2100keV 高能量钒注入4H 2SiC 制备半绝缘层的方法和特性，注入层的浓度分布用蒙特卡罗分析软
件TRIM 进行模拟.采用一种台面结构进行I 2V 测试，发现钒注入层的电阻率与4H 2SiC 层的初始导电类型有很大关系.常温下，钒注入p 型和n 型4H 2SiC 的电阻率分别为116×1010和716×106Ω・cm.测量了不同退火温度下的电阻率，发现高温退火有利于钒的替位激活和提高电阻率，由于钒扩散的影响1700℃退火使得电阻率略有下降.测量了n 型SiC 钒注入层在20～140℃时的电阻率，计算出钒受主能级在4H 2SiC 中的激活能为0178eV.关键词：碳化硅；半绝缘；钒离子注入；退火；激活能PACC :6170T ;7220 中图分类号:TN 30412 文献标识码:A 文章编号:025324177(2006)0821396205
1 引言
由于Si C 材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等优点，因而成为制作高频、高功率、耐高温、抗辐射器件的理想材料.半绝缘材料既可以用于制作大功率器件和微波功率器件，也可以作为器件间的隔离.在具有高阻衬底的外延层上制作Si C M ES F E T ，表现出良好的R F 特性[1].然而Si C 具有很高的硬度和化学稳定性，因此器件的制造工艺相当困难.与传统的反应离子刻蚀台面隔离相比，离子注入实现隔离既可以获得平面化结构，又有利于提高集成度.离子注入是目前唯一适于Si C 的选择性掺杂技术[2].在Si C 中注入H ,Si ,C 离子形成陷阱能级，可以起到俘获载流子、形成高阻层的作用，但是其热稳定性并不好[3,4].钒在Si C 中是两性的深能级杂质，在p 型4H 2Si C 中，钒作为施主杂质，产生一个位于禁带中央附近的深施主能级，大约在导带下116e V 处[5]；在n 型4H 2SiC 中钒是受主杂质，受主能级位于导带下018e V 处[6].它们作为深补偿能级，可以补偿多余的空穴或束缚自由电子，得到常温下近似绝缘的Si C 材料.注钒会形成电阻率极大的半绝缘层，因此在上面很难形成低电阻的欧姆接触[7]，这就给测量带来很大困难，目前这一问题还没有很好的解决方法.适当提高退火温度有利于钒的替位激活，使电阻率增加[8]，但目前还没有得到一个最佳的退火工艺条件.从理论
上研究钒注入对材料的影响，对于选择性地实现半绝缘材料具有重要意义.
本文报道分别在p 型和n 型4H 2Si C 中注入钒离子，得到常温下较为理想的SiC 半绝缘层.借助M onte Ca rlo 软件TR IM 模拟了钒注入SiC 的射程、浓度分布，给出了合适的注入能量和剂量.采用一种台面
测试结构对钒注入样片进行I 2V 测试，得到了常温下钒注入层的电阻率.通过测量不同退火条件下的电阻率值，讨论了退火温度对电阻率的影响.测量了钒注入n 型Si C 电阻率随温度的变化，计算出钒受主能级在4H 2Si C 中的激活能.
2 实验
实验用的是美国C R E E 公司的4H 2SiC 样片,n 型衬底，外延面是Si 面，晶向偏离(0001)方向8°，外
延层厚度为419
μm.p 型外延层的掺杂浓度为110×1016cm -3
，衬底电阻率为310Ω・cm ;n 型外延层
的掺杂浓度为512×1015cm -3
，衬底电阻率为01015Ω・cm.注入在室温下进行，钒离子注入能量为2100keV ，注入剂量为114×1013cm -2.注入后，将样品在氩气氛中，分别进行1450,1550,1650和1700℃的退火，退火时间为30min.然后，将样品处理成台面测试结构，如图1所示.用CF 4和O 2活性离子刻蚀方法(ICP )对样品进行台面刻蚀处理，形
成直径为300
μm 的台面，并在表面淀积SiO 2.在p 型样品上淀积Al Ti/Ti (200nm/200nm )，再淀积
第8期王 超等: 钒注入4H 2SiC 半绝缘特性的研究
TiN (100nm )形成欧姆接触；在n 型样品上淀积Ni
(350nm ).所有样品接触点在氮氢混合气中,1050℃下退火10min.最后，在台面的前面和后面分别淀积Ti/Au (100nm/500nm )
.
图1 钒注入SiC 的台面测试结构
Fig.1 Test structure for V +2implanted 4H 2SiC samples
3 结果与讨论
钒注入SiC 会形成电阻率很大的半绝缘层，因
此，要在上面制作低电阻的欧姆接触非常困难，这就给测试工作带来不便.欧姆接触很难形成的原因是：费米能级被钉扎在钒施主或受主能级，位于禁带中央附近，分别距离导带底116和018eV ，因此载流子至少需要穿过018eV 的势垒高度[7].为了解决这个问题，本文采用2100keV 的高能量钒离子注入，使得较大浓度的钒离子主要集中在材料表面下较深的区域，而表面薄层区域钒离子浓度较低，补偿作用较弱，因此载流子浓度相对较高，易于形成低电阻的欧姆接触.采用Monte Carlo 软件TRIM 模拟得到钒离子在4H 2SiC 中的射程和浓度分布，如图2所示，该分布为近似的高斯分布.模拟时设定Si 原子和C 原子的位移能分别为35和21eV [9]，晶格结合能为2eV [10]
.
图2 高能量钒离子注入4H 2SiC 中的浓度分布
Fig.2 Simulated ion implantation profile for high en 2ergy V +2implanted 4H 2SiC
注入离子在靶中的平均投影射程R p 可以表示为[11]:
〈R p 〉=∫
E
0d E ′NS tr (E ′)exp ∫E ′E d E n λt r NS t r (E n
)(1)式中 S tr
=∫Tcos <d
σ为传输截面;λ
-1tr
=N ∫
(1-
cos <)d
σ为平均传输自由程;N 为靶的原子密度(cm -3),E 为入射粒子的初始能量.如果注入剂量为D (cm -2)，则入射粒子在靶中的浓度分布可以用
R p 和标准偏差ΔR p 表示为[11]
:
N (x )=
D
2
πΔR p exp -
(x -R p )2
2ΔR 2
p
(2)
根据TRIM 分析结果，可以计算出注入层厚度
W =R p +2
ΔR p =113μm ，注入层的平均钒原子浓度约为4×1017cm -3，足够补偿p 型外延层(110×1016cm -3)和n 型外延层(512×1015cm -3)中的杂质.
为了比较钒离子注入对SiC 材料电阻率的影响，常温下，对4H 2SiC 钒注入样品和未注入样品分别进行了纵向I 2V 测试，如图3所示.测试台面表面淀积SiO 2可以减小测量过程中漏电流的影响.忽略相对较小的衬底电阻影响,R =V /I 近似等于钒注入补偿区域的电阻值，取I 2V 曲线的线性部分电压2～10V 进行计算.注入层的电阻率可用如下公式计算:ρ=RA/W.其中,A 是刻蚀台面的横截面积;W 为注入层厚度，由TRIM 提取.经过计算,p 型4H 2SiC 钒注入层和未注入时外延层的电阻率分别为116×1010Ω・cm 和850Ω・cm ,n 型4H 2SiC 钒注入层和未注入时外延层的电阻率分别为716×106Ω・cm 和800Ω・cm.可见，对p 型和n 型4H 2SiC ，经过1650℃退火的钒离子注入样品显示了比未注入样品高得多的电阻率值.在p 型SiC 中，钒离子引入的施
7退火温度
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半 导 体 学 报第27卷
主能级发挥了有效的补偿作用，形成了电阻率极高的绝缘层，钒注入层电阻率较未注入时提高了7个数量级以上.n型SiC中的钒受主能级也有一定的补偿作用，虽然补偿效果不如钒施主能级显著，但也得到了电阻率较大的高阻层，钒注入层电阻率较未注入时提高了近4个数量级.
图3 p型和n型4H2SiC注入钒和未注入钒的I2V曲线
Fig.3 Current2voltage characteristics of V+2implanted and unimplanted p2type and n2type4H2SiC samples
注入后退火对注入损伤有良好的恢复作用，并且有利于注入离子的替位激活.为了研究退火条件对钒注入层电阻率的影响，测量计算了不同退火温度下的电阻率值如图4所示.可以发现，对于p型和n型4H2SiC，电阻率随退火温度的升高而增加，当退火温度从1450℃上升到1650℃时，电阻率分别提高了2个和1个数量级，在1650℃退火时达到最大值.这是因为，离子注入在SiC中产生大量的点缺陷和线缺陷[12]，高温退火可以有效地减少缺陷，使得更多的钒离子从间隙位置激发到晶格位置，起到施主或受主能级的作用，补偿空穴或束缚自由电子，从而减小载流子数量，提高电阻率.随着退火温度的升高，越来越多的钒离子占据Si位，补偿作用更加显著，因而电阻率增大.当退火温度从1650℃升高到1700℃时，电阻率略有下降，下降幅度在一个数量级左右.p型SiC钒注入层电阻率从116×1010Ω・cm
下降到817×109Ω・cm，而n型SiC钒注入层电阻率从716×106Ω・cm下降到310×106Ω・cm.这是因为,1700℃退火时SiC中出现一定程度的钒向表面和向内部的扩散[13]，扩散的影响越来越明显.钒向表面扩散会导致表面薄层区域内钒耗尽，钒向内部扩散则会导致注入层厚度W范围内的实际钒离子浓度下降，这都会降低钒能级的补偿作用，导致电阻率下降.另外，过渡金属在SiC中的扩散机制尚不清楚.如果钒在SiC中也像在Si中一样是间隙2替位式扩散，扩散的加剧就会导致钒在SiC中的替位几率下降，降低钒作为施主或受主能级的作用，从而降低钒注入区域的电阻率.当退火温度达到1700℃时,SiC表面会蒸发析出Si，在表面和表面薄层区域形成热腐蚀坑及复杂缺陷[14]，使得钒能级束缚的载流子在不同的能级之间跃迁，产生漂移电导效应，这也可能成为电阻率略有下降的原因
.
图4 电阻率随退火温度的变化曲线
Fig.4 Variation of resistivity with annealing tempera2 ture for V+2implanted p2type and n2type4H2SiC sam2
ples
对掺杂样品进行变温霍尔效应实验，可以得到载流子浓度随温度变化的曲线，从而计算出杂质激活能.但是，对半绝缘SiC进行霍尔效应测量非常困难.首先是很难形成良好的欧姆接触，其次是要激发可测量的载流子浓度，必须提高温度，而高温下SiC 的载流子迁移率极低.1000K时，高纯度4H2SiC电子和空穴的迁移率分别为20和2cm2/(V・s)[7].因此，本文中是通过测量不同温度下的电阻率值，来计算钒在4H2SiC中的激活能.从20℃到140℃，对n 型4H2SiC钒注入样品进行I2V测试，得到电阻率与温度的关系如图5所示.由图可知，电阻率随温度的升高而减小.借助Arrhenius公式ρ=Ae E a/kT，可得l nρ=E a/k T+B.由lnρ对1/T作图，从直线斜率可求出激活能E a.经过计算,n型4H2SiC的激活能为0178eV，非常接近J enny借助DL TS和光吸收
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第8期王 超等: 钒注入4H 2SiC 半绝缘特性的研究
光谱测量得到的钒受主能级在4H 2SiC 中的激活能
018eV [6].这就证明，注入的钒在n 型4H 2SiC 中是电激活的，起到了受主能级的作用，有效地束缚了自由电子形成高阻层
.
图5 n 型4H 2SiC 电阻率与温度倒数关系
Fig.5 Temperature dependence of the resistivity for V +2implanted n 2type 4H 2SiC samples
4 结论
在SiC 中注入钒，可以在局部区域得到具有半
绝缘特性的高阻层.用这种半绝缘SiC 作器件间的隔离，可以减小漏电流并获得平面化结构，有利于集成度的提高.通过对实验样品进行I 2V 测试可以看出，钒注入层的电阻率与SiC 的初始导电类型关系很大.对p 型SiC ，钒离子引入的深施主能级发挥了有效的补偿作用，形成了电阻率高达116×1010Ω・cm 的半绝缘层；对n 型SiC 进行钒注入，引入的受主能级也有一定的补偿作用，虽然补偿效果不如钒施主能级显著，但也得到了电阻率较大的半绝缘层，约为716×106Ω・cm.高温退火对注入损伤有良好的恢复作用，较高的退火温度更有利于钒的替位激活，提高电阻率.退火温度为1700℃时电阻率略有下降，因此为了得到更高的电阻率，应该注意选择适当的退火温度.通过测量不同温度下的电阻率值，计算得到钒受主能级在n 型4H 2SiC 中的激活能为0178eV ，与文献报道的数值比较吻合.
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半 导 体 学 报第27卷0041
Characteristics of Semi2Insulating4H2SiC Layers
by V anadium Ion Implantation3
Wang Chao ,Zhang Yuming,and Zhang Y imen
(Microelect ronics I nstit ute,X i dian Universit y,Key L aboratory of Minist ry of Education f or W i de B and2Gap
Semiconductor M aterials and Devices,X i’an 710071,China)
Abstract:Vanadium ion(V+)impla ntation at a high energy(2100keV)is successf ully used t o f or m semi2insulating layers in 4H2SiC.The f abrication p rocesses a nd measureme nts of t he implanted layer are rep orted in detail.The p rofile of t he ion im2 plantation is simulated wit h t he Monte Carlo simulat or TRIM.Test p atter ns on semi2insulating4H2SiC sa mples are p rocessed int o a mesa st ructure,and resistivity measureme nts are conducted.The resistivities of V+2impla nted layers are st rongly de2 pe nde nt on t he conduction typ e of t he initial4H2SiC sa mples,a nd t hey are about116×1010a nd716×106Ω・cm resp ectively f or p2a nd n2t yp e samples at room temp erature.The resistivities of t he as2impla nted samples increase wit h increasing a nnea2 ling te mper
ature f or bot h p2and n2type samples due t o t he int roduction of compe nsating levels.However,t hey decrease slightly beyond1700℃due t o t he diff usion of va nadium.The temp erature depe nde nt resistivity be havior in V+2impla nted n2 type4H2SiC indicates a n activation e nergy of0178eV.
K ey w ords:SiC;semi2insulating;va nadium ion implantation;a nnealing;activation energy
PACC:6170T;7220
Article ID:025324177(2006)0821396205
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