碳化硅器件工艺核心技术

碳化硅（SiC）是一种宽带隙半导体材料，具有独特的物理、化学和电学特性，其高临界电场和热导率使SiC成为制造高功率、低功耗半导体器件的理想材料。高热稳定性、出色的化学惰性和硬度使SiC器件能够运行在高温条件下的恶劣环境中。SiC器件从1906年发布的第一款商用半导体器件SiC探测器就开始了它丰富的发展史，但很快被真空管取代。20世纪50年代中期开发的一种生产高质量SiC晶体的新方法促使SiC再度成为半导体电子材料，1959年在波士顿举行的第一次SiC会议标志着这一时期的开始。接下来的20年中，对SiC材料特性进行了广泛的研究，并显著改进了SiC加工工艺，但只有不规则形状的SiC薄片允许小规模生产并用于特定应用的蓝光和黄光SiC LED。SiC晶体的籽晶生长法是在70年代末发明的，为大规模制造SiC器件开辟了道路。80年代末SiC外延技术的发展促使90年代初标准尺寸SiC晶圆和蓝光LED进入市场，从而促使了SiC作为商用电子器件材料的复兴。
尽管SiC LED于20世纪90年代末在市场上被更高效的Ⅲ族氮化物LED取代，但SiC生长和加工技术的发展并未止步。在过去十年中，可再生能源的快速增长和减少碳排放的严格措施导致对高效电力电子产品的巨大需求。SiC以其优异的性能和发达的生长加工技术成为新一代半导体功率器件的首选材料。如今，SiC肖特基二极管和MOSFET已经商品化，SiC电子产品被公认为现代工业的重要组成部分，在高效功率半导体器件市场占有一定份额。在对提高SiC器件性能和可靠性以及商业生产成本效率需求不断增长的同时，SiC技术研究也在显著加强。进一步发展SiC技术的另一个驱动力是SiC作为高温和高频电子材料的巨大潜力，但这一点仍未实现，期待早日出现SiC在这些应用中优于传统半导体的有力证明。
自1993年以来，该领域的进展和最新趋势定期在国际和欧洲SiC及相关材料会议上进行讨论。现在，这些会议的论文集每年都会出版并广泛传播，同时还有系列精装书籍对SiC材料表征、晶体生长和器件加工技术的现状进行了详细论述和深入分析。第一本此类书籍于1997年出版，它由Wolfgang J.Choyke、Hiroyuki Matsunami和Gerhard Pensl主编，收集了大约50篇论文，涵盖了从SiC基本特性、晶体生长和材料表征到器件加工以及SiC器件的设计和应用的整个领域。多年来，它在科学界很受欢迎，甚至被称为“蓝皮书”。2004年，它又收录了SiC电子学的最新发展并进行了更新，至今仍是一本重要的参考书。从那时到2015年，编辑出版的书籍很少，它们根据编者的选择提供了SiC电子各个主题的评论论文集。2014年，Tsunenobu Kimoto和James A.Cooper出版了一本经典教科书，与其他书籍相比，它并不旨在对每个主题进行完整的深入评述，而是无缝地描述了SiC技术，从材料特性到SiC器件的系统应用。据作者所知，上面这些就是21世纪出版的关于SiC的所有书籍，作者认为目前需要及时出版一本新书，以支持出版物的周期性并评述快速发展的SiC技术的最新水平。
SiC科学技术在过去的两个十年中日趋成熟，包括从基础物理到电路设计的许多方面。基于此，作者主要根据SiC器件加工工艺来确定《碳化硅器件工艺核心技术》的篇幅和范围。《碳化硅器件工艺核心技术》第1～4章专门介绍SiC器件加工的一个重要部分，即金属接触的制造和表征。第1章重点介绍SiC表面清洗，这是任何器件加工的第一步，也是必不可少的步骤。紧随其后的第2章描述了SiC欧姆接触的基本原理、电学表征方法和工艺。详细分析了接触电阻率对材料特性的依赖性、接触电阻率测量的极限和精度、关于欧姆接触制造和测试结构设计的实用建议、迄今为止报道的不同金属化方案和加工技术的重要概述。该章还讨论了SiC欧姆接触的热稳定性、保护以及与器件工艺的兼容性。第3章论述了肖特基势垒形成的基本物理原理，并针对SiC的具体情况进行了修正。接下来，介绍了SiC材料中肖特基势垒不均匀性的重要基础课题。然后，该章用一节的篇幅专门介绍4HSiC肖特基和结势垒肖特基二极管的设计加工。该章还简要讨论了Si/SiC异质结二极管作为整流接触的特殊情况。该章最后一节提供了SiC肖特基二极管在电力电子和温度/光传感器中的一些常见应用。第4章回顾高功率SiC单极和双极开关器件，讨论了不同类型SiC器件的挑战和前景，包括材料和工艺对器件性能的限制，以阐明金属接触对SiC的主要应用领域。
《碳化硅器件工艺核心技术》第5～9章中，作者集中精力对作为SiC技术的一个特定且重要的组成部分的SiC器件工艺进行详细论述和深入分析。作者特意从本书中排除了SiC材料表征、体材料生长、外延、器件设计、电路设计和应用等内容，因为SiC电子学的这些领域非常广泛和成熟，需要单独和综合考虑。第5章历史性地概述了自然界中SiC的发现、第一次人工合成，以及SiC体材料和外延生长的关键步骤。简述了阅读和理解本书其他章节所需的SiC材料的特性。还展示了SiC晶圆和外延结构的商业化生产和可用性的现状以及SiC功率器件的潜在市场。最后，通过估算和直接比较两个具有相同额定功率但由SiC和Si制造的单极器件的电特性，证明在功率系统中采用SiC器件的好处。第6章论述了SiC器件中使用的主要电介质。电子器件中最常用的电介质是SiO2和Si3N4，因此首先介绍它们，然后是高κ介质（即介电常数高于Si3N4的介质）。在关注SiC热氧化之前，讨论了介质沉积的方法;论证了氧化工艺和氧化后退火的不同参数，这些参数对氧化层质量和SiO2/SiC界面中碳残留的形成有影响;论述了使用各种介质层形成技术提高SiC MOSFET中电子迁移率的努力及取得的进展;还讨论了介质对SiC表面钝化的相关问题。接下来的第7章旨在提供SiC器件制造中采用离子注入的所有必要信息。首先介绍了离子注入技术及其在SiC器件加工技术中的应用，特别关注通道效应和杂散效应，这在SiC中比在Si晶体中更明显。讨论了离子注入实现SiC n型和p型掺杂的主要特性以及用于杂质激活的不同退火技术。该章还描述了晶体质量和缺陷形成问题，并提出了一种用于低缺陷表面掺杂的新型注入技术。最后几节介绍了注入模拟和表征方面以及一些实际方面的信息，例如注入设备和设施等。第8章可作为SiC干法刻蚀的综合指南。它的第一部分解释了为什么含氟试剂主要用于SiC刻蚀，讨论了工艺中添加其他气体的影响及其可能的刻蚀机制。第二部分致力于通过各种等离子体参数控制刻蚀速率。第三部分涉及与刻蚀表面形貌有关的问题。硬掩模材料，尤其是它们对SiC的选择性是第四部分的主题。在后续部分，讨论了等离子体刻蚀之前或之后的SiC表面处理、刻蚀中为SiC晶圆选择合适的载体，以及刻蚀表面的电性能。该章还讨论了用于通孔和MEMS应用的SiC深度刻蚀以及自上而下形成的SiC纳米线。第9章重点介绍了SiC纳米结构的制造、工艺和器件集成。首先，该章描述了SiC纳米晶体的不同制造方法，由于它们在光电子结构中的潜在应用，特别是在纳米级紫外光发射器中的潜在应用，这些方法已成为深入研究的主题，这些方法包括化学气相沉积、电化学和化学腐蚀、激光烧蚀等。然后，该章的大部分内容专门讨论SiC纳米线(NW)制造技术，它们分为两类：自上而下和自下而上的方法。使用不同前驱体和催化剂的汽液固（VLS）、汽固（VS）、固液固（SLS）SiC NW生长技术构成了自下而上的方法，该章将对此进行讨论。然后，解决了其他半导体中常用的自上向下技术方法，包括电子束光刻和随后的干法刻蚀。接下来专门介绍基于SiC NW基器件的加工技术，主要是欧姆接触的形成。该章最后简述了SiC纳米线在场效应晶体管中的应用。
《碳化硅器件工艺核心技术》会引起在SiC及相关材料领域工作的技术人员、科学家、工程师和研究生的浓厚兴趣。《碳化硅器件工艺核心技术》也可作为研究生相关专业课程的补充教材。
总之，感谢所有参编者的辛勤工作和对《碳化硅器件工艺核心技术》的宝贵贡献，以保证其科学质量和现实性。还要对Materials Research Forum LLC的Thomas Wohlbier表示深深的感谢，他在编辑过程中非常灵活和耐心地满足了我们的所有愿望，并为及时出版《碳化硅器件工艺核心技术》尽了最大的努力。

Konstantin Vasilevskiy
Konstantinos Zekentes

《碳化硅器件工艺核心技术》共9章，以碳化硅(SiC)器件工艺为核心，重点介绍了SiC材料生长、表面清洗、欧姆接触、肖特基接触、离子注入、干法刻蚀、电解质制备等关键工艺技术，以及高功率SiC单极和双极开关器件、SiC纳米结构的制造和器件集成等，每一部分都涵盖了上百篇相关文献，以反映这些方面的最新成果和发展趋势。
《碳化硅器件工艺核心技术》可作为理工科院校物理类专业、电子科学与技术专业以及材料科学等相关专业研究生的辅助教材和参考书，也可供相关领域的工程技术人员参考。

Konstantinos Zekentes，希腊研究与技术基金会(FORTH)微电子研究小组(MRG)高级研究员，以及微电子电磁与光子等实验室访问研究员。他目前工作的内容是SiC相关技术，开发用于制作高功率/高频器件以及SiC基一维器件。Zekentes博士拥有超过170篇期刊和会议论文以及1项美国专利。

Konstantin Vasilevskiy，英国纽卡斯尔大学工程学院高级研究员。他目前的研究领域是宽禁带半导体技术，以及石墨烯生长和表征技术。Vasilevskiy博士撰写了3本著作，在相关期刊和会议论文集中发表论文114篇。他是4本书的合编者，也是宽禁带半导体技术领域16项专利的共同发明人。

译者序
原书前言
作者简介
第1章 碳化硅表面清洗和腐蚀
1.1引言
1.2SiC的湿法化学清洗
1.2.1表面污染
1.2.2RCA、Piranha和HF清洗
1.3SiC的化学、电化学和热腐蚀
1.3.1化学腐蚀
1.3.2电化学腐蚀
1.3.3热腐蚀
1.4各种器件结构中SiC腐蚀的前景
1.4.1用于白光LED的荧光SiC
1.4.2褶皱镜
1.4.3用于生物医学应用的多孔SiC膜
1.4.4石墨烯纳米带
1.5总结
参考文献
第2章 碳化硅欧姆接触工艺和表征
2.1引言
2.2欧姆接触：定义、原理和对半导体参数的依赖性
2.3接触电阻率测量的方法、极限和精度
2.3.1TLM测量接触电阻率
2.3.2TLM约束
2.3.3TLM精度
2.3.4TLM测试结构设计和参数计算实例
2.4n型SiC欧姆接触制备
2.4.1n型SiC的镍基欧姆接触
2.4.2硅化镍欧姆接触的实用技巧和工艺兼容性
2.4.3n型SiC的无镍欧姆接触
2.4.4注入n型SiC欧姆接触的形成
2.5p型SiC的欧姆接触
2.5.1p型SiC的Al基和Al/Ti基接触
2.5.2制作p型SiC Al基和Al/Ti基接触的实用技巧
2.5.3p型SiC欧姆接触的其他金属化方案
2.5.4重掺杂p型SiC欧姆接触
2.6欧姆接触形成与SiC器件工艺的兼容性
2.6.1背面欧姆接触的激光退火
2.7SiC欧姆接触的保护和覆盖
2.8结论
参考文献
第3章 碳化硅肖特基接触：物理、技术和应用
3.1引言
3.2SiC肖特基接触的基础
3.2.1肖特基势垒的形成
3.2.2肖特基势垒高度的实验测定
3.2.3n型和p型SiC的肖特基势垒
3.2.44H-SiC肖特基二极管的正反向特性
3.3SiC肖特基势垒的不均匀性
3.3.1SBH不均匀性的实验证据
3.3.2非均匀肖特基接触建模
3.3.3肖特基势垒纳米级不均匀性的表征
3.4高压SiC肖特基二极管技术
3.4.1肖特基势垒二极管（SBD）
3.4.2结势垒肖特基(JBS)二极管
3.4.3导通电阻(RON)和击穿电压(VB)之间的折中
3.4.44H-SiC肖特基二极管的边缘终端结构
3.4.5SiC异质结二极管
3.5SiC肖特基二极管应用示例
3.5.1在电力电子领域的应用
3.5.2温度传感器
3.5.3UV探测器
3.6结论
参考文献
第4章 碳化硅功率器件的现状和前景
4.1引言
4.2材料和技术局限
4.2.1衬底和外延层
4.3器件类型和特性
4.3.1横向沟道JFET
4.3.2垂直沟道JFET
4.3.3双极SiC器件和BJT
4.3.4平面MOSFET（DMOSFET）
4.3.5沟槽MOSFET
4.4性能极限
4.4.1沟道迁移率
4.4.2沟槽MOSFET中的单元间距
4.5材料和技术曲线
4.5.1超结结构
4.5.2使用其他WBG材料的垂直器件
4.6系统优势及应用
4.7SiC电子学的挑战
4.8鲁棒性和可靠性
4.8.1表面电场控制
4.8.2栅氧化层可靠性
4.8.3阈值电压稳定性
4.8.4短路能力
4.8.5功率循环
4.8.6高温和潮湿环境下的直流存储
4.9结论和预测
参考文献
第5章 碳化硅发现、性能和技术的历史概述
5.1引言
5.2SiC的发现
5.2.1Acheson工艺
5.2.2自然界中的SiC
5.3SiC材料性能
5.3.1SiC的化学键和晶体结构
5.3.2SiC多型体的晶体结构和符号
5.3.3SiC多型体的稳定性、转化和丰度
5.3.4SiC的化学物理性质
5.3.5SiC的多型性和电性能
5.3.6SiC作为高温电子材料
5.3.7SiC作为大功率电子材料
5.4早期无线电技术中的SiC
5.5SiC的电致发光
5.6SiC变阻器
5.7Lely晶圆
5.8SiC体单晶生长
5.9SiC外延生长
5.10SiC电子工业的兴起
5.10.1Cree Research公司成立和第一款商用蓝光LED
5.10.2工业SiC晶圆生长
5.10.3SiC电力电子的前提条件和需求
5.10.44H-SiC多型体作为电力电子材料
5.10.54H-SiC单极功率器件
5.10.64H-SiC功率双极器件的发展
5.10.7SiC车用电力电子器件的出现
5.11结论
参考文献
第6章 碳化硅器件中的电介质：技术与应用
6.1引言
6.1.1界面俘获电荷效应及要求
6.1.2近界面陷阱效应
6.1.3SiC MOS界面的要求
6.2SiC器件工艺中的电介质
6.2.1SiC器件中的二氧化硅
6.2.2SiC器件中的氮化硅
6.2.3SiC器件中的高κ介质
6.3SiC器件工艺中使用的介质沉积方法
6.3.1SiC上电介质的等离子体增强化学气相沉积
6.3.2使用TEOS沉积氧化硅薄膜
6.3.3SiC器件中栅介质的原子层沉积
6.3.4SiC上沉积介质的致密化
6.3.5沉积方法小结
6.4SiC热氧化
6.4.1SiC氧化速率和改进的Deal-Grove模型
6.4.2SiC热氧化过程中引入的界面陷阱
6.4.3高温氧化
6.4.4低温氧化
6.4.5氧化后退火
6.4.6热氧化结论
6.5其他提高沟道迁移率的方法
6.5.1钠增强氧化
6.5.2反掺杂沟道区
6.5.3替代SiC晶面
6.6表面钝化
6.7总结
参考文献
第7章 碳化硅离子注入掺杂
7.1引言
7.2离子注入技术
7.2.1离子注入物理基础
7.2.2离子注入技术基础
7.3SiC离子注入的特性
7.3.1一般考虑
7.3.2SiC离子注入掺杂剂
7.3.3注入损伤
7.3.4热注入
7.3.5注入后退火、激活和扩散
7.3.6SiC器件要求
7.3.7其他SiC注入评论
7.4n型掺杂
7.4.1n-掺杂原子
7.4.2n型注入过程中的加热
7.5p型掺杂
7.5.1p型掺杂剂
7.5.2P型掺杂原子的扩散
7.5.3铝掺杂
7.5.4加热注入
7.6注入后退火
7.6.1快速热退火
7.6.2超高温常规退火（CA）和微波退火（MWA）
7.6.3激光退火
7.6.4其他技术
7.6.5铝注入后退火的优化
7.6.6表面粗糙度
7.6.7帽层
7.6.8电激活
7.7晶体质

《碳化硅器件工艺核心技术》共9章，以碳化硅(SiC)器件工艺为核心，重点介绍了SiC材料生长、表面清洗、欧姆接触、肖特基接触、离子注入、干法刻蚀、电解质制备等关键工艺技术，以及高功率SiC单极和双极开关器件、SiC纳米结构的制造和器件集成等，每一部分都涵盖了上百篇相关文献，以反映这些方面的最新成果和发展趋势。
《碳化硅器件工艺核心技术》可作为理工科院校物理类专业、电子科学与技术专业以及材料科学等相关专业研究生的辅助教材和参考书，也可供相关领域的工程技术人员参考。

Konstantinos Zekentes，希腊研究与技术基金会(FORTH)微电子研究小组(MRG)高级研究员，以及微电子电磁与光子等实验室访问研究员。他目前工作的内容是SiC相关技术，开发用于制作高功率/高频器件以及SiC基一维器件。Zekentes博士拥有超过170篇期刊和会议论文以及1项美国专利。

Konstantin Vasilevskiy，英国纽卡斯尔大学工程学院高级研究员。他目前的研究领域是宽禁带半导体技术，以及石墨烯生长和表征技术。Vasilevskiy博士撰写了3本著作，在相关期刊和会议论文集中发表论文114篇。他是4本书的合编者，也是宽禁带半导体技术领域16项专利的共同发明人。