论文部分内容阅读
碳化硅(SiC)材料作为一种典型的第三代宽带隙半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速率高、热导率大，介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，非常适合用于制作抗辐射、高温、高频、大功率和高密度集成的电子和微机械系统。SiC/SiO2/Si异质结构材料体系适用于表面为加工工艺体系，有望成为下一代高性能微电子器件以及微机械系统(MEMS)的关键半导体材料。
本论文以多晶立方相碳化硅(poly-SiC)为研究主体，对多晶SiC横向静电驱动折叠悬臂梁式谐振器(简称谐振器)振动模式进行了分析，探索了poly-SiC在SiO2/Si复合衬底上的异质生长工艺，采用表面微加工工艺制备了基于poly-SiC/SiO2/Si3N4/SiO2/Si异质结构的谐振器，另外根据工作需要利用计算机2D模拟软件MEDICI对4H-SiC MESFETs器件性能进行了模拟。
1.谐振器振动模式分析：本文采用瑞利分析法分析微机械悬臂梁谐振振动状态，推导出器件谐振频率(f0)的解析表达式；利用有限元模拟仿真软件Intellisuite对谐振器件进行模拟建模和分析，器件谐振特性的模拟结果与瑞利法推导的结果相符合，谐振器的材料杨氏模量(E)越高、质量块质量越小、悬臂梁宽度(W)越大、长度(L)越短，所制作的谐振器件的谐振频率f0越高，并且发现尽管悬臂梁的厚度(h)变化对谐振频率没有影响，但是当W/h＞2时谐振器无法发生面内横向振动，器件无法工作；分析了谐振器所承受的空气阻尼耗散、锚点耗散和表面耗散等耗散机制，得出在不同工作环境下限制谐振器件Q值增长的主要因素，其中在常压工作环境下空气阻尼损耗是限制Q值的核心因素，当将谐振器置于真空环境工作时，谐振器的Q值较暴露在大气下工作的Q值大2-3个数量级。
2.在SiO2上异质生长poly-SiC：生长设备为课题组自制的低压化学气相沉积(LPCVD)系统，在SiO2上生长poly-SiC采用的是一步生长法：采用SiH4+C2H4+H2气体体系，其中SiH4流量为0.5～1.5sccm，C2H4流量为1.5～4.5sccm，反应气体中的C/Si保持为6，H2流量固定为3slm，沉积温度为1100℃，压力为40Torr。沉积的poly-SiC材料表面光亮如镜面，质地紧密、均匀，并且在所生长的poly-SiC和SiO2的界面清晰且没有空洞形成。得到未掺杂的poly-SiC薄膜呈n型，室温下的电阻率、霍尔迁移率、载流子浓度分别为0.56Ω·cm、54cm2/Vs和2.0×1017cm-3。通过NH3原位掺杂得到的N重掺杂的poly-SiC材料的掺杂浓度超过1019cm-3，电导率小于10-3Ω·cm。
3.基于poly-SiC/SiO2/Si3N4/SiO2/Si异质结构的谐振器制作工艺研究，本章工作围绕着poly-SiC薄膜的干法刻蚀工艺、牺牲层的制备与释放和金属欧姆接触等制作SiC谐振器关键工艺步骤开展。针对具体工艺环节重点研究SiC谐振器的干法刻蚀工艺中腔室压强、流量、上极板功率、下极板功率，气体配比等工艺参数和相应SiC的刻蚀速率、刻蚀均匀性、侧向腐蚀表面腐蚀、残留物等结果作了系统的分析。谐振器结构的SiO2牺牲层采用PECVD生长炉淀积，生长温度为320℃，对前序工艺没有任何影响，而且淀积速率较快，尤其是淀积薄膜比较疏松，在HF酸中腐蚀速度非常快，符合牺牲层材料易释放的要求。通过在950℃、1×10-4Pa的真空氛围中退火1分钟，实现了poly-SiC与金属Ni的欧姆接触，接触电阻达到4×10-4Q.cm。在此基础出上设计出工艺流程并进行管芯封装制作。我们对不同尺寸的管芯进行了测试，2μm、3.5μm、5.5μm三种悬臂梁宽度尺寸的谐振器件的谐振频率分别为65.4kHz、147.2kHz和255.5kHz，谐振频率测试结果与有限元模拟结果符合的很好。
4.另外，利用计算机2D模拟软件MEDICI对4H-SiC MESFETs结构进行模拟：对于大功率MESFETs器件，栅源之间的低场强限制了栅源间沟道载流子迁移率的增大，应当采取不对称栅位置结构，尽量缩短栅源间距(LGs)，并且减少栅长是降低栅源电容的有效方法。对于一定的沟道尺寸结构(沟道深度0.32μm，掺杂浓度Nd=3.4×1017)的4H-SiC MESFETs器件，过短的栅宽(0.5μm以下)会导致栅极对电流的控制能力下降，严重的(0.2μm以下)将会使栅极不能关断。随着沟道浓度(Nd)的下降、以及沟道深度的下降，栅极对沟道电流的控制能力增强，而沟道电流则会相应的降低。