Al离子注入p型4H-SiC MOSFET中退火工艺对接触电阻率与电阻温度系数的调控机制研究

本研究针对4H-SiC基MOSFET器件在高温下金属电极稳定性不足的问题，通过系统探究Al离子注入后1700-1750°C退火条件及Ni膜厚度对p型接触电阻率（ρc）和电阻温度系数（TCR）的影响，首次实现单步Ni-Si硅化工艺同步兼容n/p型器件。结果表明，高温退火可提升Ni/p型SiC接触的欧姆特性，为开发耐650°C的SiC-CMOS器件提供工艺优化方案。

　　

在半导体器件迈向高温应用的征程中，碳化硅(SiC)凭借3.26 eV的宽禁带特性被视为突破硅基器件250°C极限的明星材料。然而，当温度超过300°C时，金属电极与周边元件的热稳定性问题便成为悬在研究者头顶的达摩克利斯之剑——特别是对于需要同时集成n型和p型器件的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺而言，如何用单一金属实现p型SiC的低阻欧姆接触更是业界公认的"卡脖子"难题。传统方案需引入钛(Ti)等辅助金属，但这会大幅增加工艺复杂度。更棘手的是，高达1700°C的p型掺杂激活温度会导致SiC表面原子重排，形成粗糙的"台阶聚集"结构，这对器件性能无异于雪上加霜。

针对这一系列挑战，韩国国立研究基金会支持的研究团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表重要成果。研究人员创新性地采用传输线法(TLM)图案和热循环测试，系统考察了退火温度(1700/1750°C)、时间(30/60分钟)及Ni膜厚度对4H-SiC双扩散MOSFET(D-MOSFET)中p型接触性能的影响。通过二次离子质谱(SIMS)、原子力显微镜(AFM)和透射电镜-电子能量损失谱(TEM-EELS)等多维表征手段，揭示了退火工艺-微观结构-电学性能的构效关系。

关键技术包括：在220 keV能量下对4英寸n⁺ 4H-SiC晶圆进行铝(Al)离子注入(剂量1×10¹⁵ cm^?2)；采用氩气氛围退火炉(ULVAC PFS6000-25)进行高温退火；通过电子束蒸发沉积不同厚度Ni膜；利用四探针法测量薄层电阻；在300°C环境下进行加热循环测试评估热稳定性。

【样品制备】
研究采用11.5 μm厚外延层的n⁺ 4H-SiC衬底，通过多能量(20-220 keV)Al离子注入形成p型层。关键创新在于保持Ni单层膜结构，避免传统Ti/Al/Ni堆叠结构的工艺复杂性。

【硅化物形成】
实验发现1750°C退火60分钟可使Ni-Si硅化物在p型SiC上形成最佳欧姆接触。STEM-EDS分析显示，该条件下硅化物界面原子扩散均匀，有效抑制了高温下的接触退化。

【讨论】
相较于n型接触，p型接触的电阻温度系数(TCR)对退火条件更为敏感。AFM证实1700°C退火会导致表面粗糙度增加30%，而1750°C退火配合原位表面处理可将其控制在1 nm以下。TEM-EELS进一步揭示，优化的退火工艺能使Ni₂Si相在界面优先形成，这是获得低接触电阻率(5×10^?5 Ω·cm²)的关键。

【结论】
该研究首次证实单步Ni硅化工艺可同步实现4H-SiC MOSFET中n/p型接触的欧姆特性，1750°C退火60分钟可使p型接触在300°C高温下保持稳定。这一突破不仅简化了SiC-CMOS制造流程，更将器件工作温度上限推近650°C的理论极限，为航空航天、深井钻探等极端环境应用铺平道路。Kyeong-Keun Choi团队通过多尺度表征建立的工艺-性能关联模型，为宽禁带半导体器件开发提供了普适性指导原则。