碳化硅压力传感器欧姆接触电阻率的测量方法*

任向阳，张治国，刘宏伟，李永清，李 颖，贾文博，祝永峰，王卉如，钱薪竹

（沈阳仪表科学研究院有限公司，沈阳 110043）

1 引言

作为第三代半导体材料的代表，碳化硅具有禁带宽度大（2.4～3.0eV）、抗氧化性强、高击穿电场（4×106V/cm）、高热传导系数（5 W/(m2·K)）等特点，而被广泛应用于高温、高频、大功率器件等领域[1-2]。然而，由于碳化硅材料同时具有硬度大（仅次于金刚石）、耐腐蚀性强等特点，导致加工工艺受限，限制了碳化硅器件的发展。随着加工工艺的不断提升和改进，目前已经出现多种碳化硅加工手段，如RIE 刻蚀、ICP刻蚀[3]、机械精密加工[4]、超声加工[5]、激光加工[6-7]等，也推动着碳化硅晶圆质量的不断提升，使碳化硅产业呈现出迅猛发展的趋势。由于碳化硅离子扩散系数低、杂质离化能高，对于碳化硅器件，要形成耐高温、高可靠性的欧姆接触，通常需要采用复合电极形式，而且合金温度需要在900℃以上，条件较为苛刻。鉴于此，有必要对电极欧姆接触进行合理的准确的验证。

2 国内外研究现状

碳化硅压阻式压力传感器，按照材料不同，可分为三种，即：3C-SiC、4H-SiC 和6H-SiC。

3C-SiC 压力传感器是在硅上异质外延生长的一薄层碳化硅。碳化硅作为器件层，具有与硅MEMS工艺兼容性好、加工难度小的优点。其缺点是硅与3C-SiC 器件层的晶格失配度高达20%，界面缺陷较多，影响器件性能。另外，在使用温度上，由于受体硅材料的影响，温度提升空间较小[8-9]。

4H-SiC 和6H-SiC 压力传感器属于全碳化硅压力传感器。前期的研究以6H-SiC 为主，近几年随着4H-SiC 相关工艺的开发与完善，4H-SiC 逐渐成为全碳化硅压力传感器的主流[10-12]。

由于N 型碳化硅的压阻系数相比之下高于P型，因此碳化硅压力传感器的材料多选用N 型。而对于N 型碳化硅，形成欧姆接触的金属主要有Ti 基和Ni 基复合金属系统。通常以Au 作为顶层压焊层，为了抑制半导体与金属原子间扩散，中间再加以扩散阻挡层，如Pt、Cr、W 等贵金属。2015 年，有研究团队采用Ti/Ni/Au（50/300/20 nm）电极，经1000 ℃、90 s 快速热退火，形成电阻率低至(4～5)×10-6Ω·cm的欧姆接触[13]。2006 年，杨银堂教授[14]采用Ti/Ni/Au（30/250/200nm）电极，在900℃Ar氛围下合金30 min，形成的接触电阻为1.4×10-5Ω·cm2。2009 年，国外团队研究了在950℃高温退火后，N 型4H-SiC 表面Ni和Ni/Ti 基金属化的微观结构[15]。对于Ni/SiC，在退火过程中形成了Ni2Si 和NiSi 相的混合物，另有大量碳原子游离到表面层；对于Ni/Ti/SiC，Ni2Si 是唯一形成的相，同样测得碳在表面富集，对深入分析碳化硅合金机理起到了指导作用。

3 实验原理

对于接触电阻率ρ，虽然目前测试接触电阻率的方法有很多，但是最常用的是线性传输线模型LTLM（Linear Transmission Line Model）。

L-TLM 由Shockley 于1964 年提出，后经他人多次改进[16-19]。此法由于制作和测试简单，获得的结果较为准确，现在已成为测试欧姆接触电阻率的主要方法。L-TLM 测试图形正面如图1 所示。

图1 L-TLM 测试图形

两个相邻电极之间的总电阻由接触电阻和体电阻组成。总电阻用RT表示，公式为：

由于电流在半导体内的分布是不均匀的，而电流进入半导体处的电流密度最大，式中Rf称为“前沿”接触电阻。LT是传输长度，其定义为从金属电极边缘的电流密度降至1/e 时位置的距离。RSH为碳化硅的薄层电阻；RSK为接触合金下碳化硅薄层贡献的电阻。为方便计算，可近似认为RSH=RSK。W 为金属电极的宽度，l 为不同金属电极间的距离，可根据实际工艺情况做适当调整。

如果金属-半导体接触（M-S 接触或金-半接触）界面没有势垒，I-V 特性曲线理论上应该呈现良好的线性对称关系。测试时，在样品上的不同距离为Ln的金属电极间通恒定电流I，同时测出两电极间的电压值V，即可求出总电阻值RT。通过测试多对电极之间的电阻值，做出对应的RT～l 的拟合曲线。该曲线与X 轴和Y 轴的截距分别为2LT和2Rf。此法即为图解法，如图2 所示。

图2 L-TLM 图解法测试接触电阻率

根据图解法求出直线斜率，根据已设定的W 值进而求出RSH，再由图解法求出LT值，结合下式，即可计算出接触电阻率的数值：

4 设计与实验

在碳化硅材料的参数选择上，由于碳化硅离子注入后杂质激活率较低、晶格缺陷浓度高，而且需要高温高能量的离子注入条件，另外为了与金属电极形成良好的欧姆接触，碳化硅器件层掺杂浓度需要做到很高，因此，制备时采用外延掺杂的方式实现碳化硅器件层的高掺杂。

在碳化硅外延片的结构上，考虑到N 型碳化硅的压阻系数相对高于P 型，为了使传感器具有更高的灵敏度输出，采用NPN 型碳化硅外延片结构，即在N 型碳化硅衬底上先外延一层低掺杂P 型碳化硅外延隔离层（厚度5μm，掺杂浓度1×1017cm-3），再外延一层N 型重掺杂碳化硅外延器件层（厚度2μm，掺杂浓度1×1019cm-3）。

在T-LTM 的制备上，共需要制备两块光刻掩膜版。其中一块为碳化硅器件层刻蚀光刻版，用来图形化碳化硅器件层；另一块为复合金属电极光刻版，在碳化硅器件层区域形成电极图形。经半导体标准工序制备的L-TLM 碳化硅样品的正面测试图形参见图1。版图中边框线部分的碳化硅被刻蚀掉，只保留中部区域的碳化硅，形成图形化的复合电极。为了提高试验测试的准确性，可适当改变测试图形的参数，设计成多种不同参数的试验方案，如表1 所示。此外，为了减少寄生电阻，电极与边缘的距离δ 应尽可能的小。

表1 不同参数下L-TLM 样品几何尺寸单位：μm

T-LTM 碳化硅测试样品制备流程如图3 所示。具体为：

图3 碳化硅L-TLM 样品制备流程示意图

1）旋涂光刻胶，烘干后曝光；

2）显影，将掩膜版上的图形转移至光刻胶掩膜；

3）RIE 刻蚀顶层碳化硅，将光刻胶掩膜上的图形转移至碳化硅器件层，去除光刻胶；

4）溅射复合金属电极，在碳化硅器件层上溅射复合金属电极层；

5）经过涂胶、光刻、腐蚀金属、去胶等工艺后将第二块掩膜版图形转移至复合金属电极，再经过高温合金后形成L-TLM 碳化硅测试样品。

采用Ni/Au（100/200nm）复合电极，分别在氮气氛围保护下进行700℃和1000℃合金试验，合金时间均为1min。合金前后I-V 曲线如图4 所示。

图4 合金温度试验I-V 曲线。

可见，合金前呈现明显的肖特基接触，700℃合金后，I-V 曲线仍呈非线性，为肖特基接触；1000℃合金后，I-V 曲线呈现出线性关系，经T-LTM 测试，接触电阻率约为0.88×10-4Ω·cm2，达到了良好的欧姆接触效果。

5 结束语

I-V 特性曲线和接触电阻率共同决定着金属-半导体欧姆接触系统的稳定性和可靠性。碳化硅压力传感器应用温度一般超过400℃，因此以极高要求实现欧姆接触电极系统，才能满足长时间高温稳定性需求。结合L-TLM 测试方法，对Ni/Au 电极与N 型碳化硅在不同温度下的合金工艺进行研究，最终得到实现碳化硅工艺低欧姆接触率的合金方案，为碳化硅高温压力传感器的开发提供了技术参考。