CN107546112B - SiC欧姆接触结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SiC欧姆接触结构及其制作方法，包括：制作SiC衬底；在所述衬底表面依次淀积第一Ni层、Ti层、第二Ni层、TaSi₂层和Pt层；退火处理以完成所述SiC欧姆接触结构的制作。本发明提供的SiC欧姆接触提高了欧姆接触的热稳定性和抗氧化性能。

Description

SiC欧姆接触结构及其制作方法

技术领域

本发明属碳化硅器件制造领域，特别涉及一种SiC欧姆接触结构及其制作方法。

背景技术

相比于传统的锗、硅材料，第三代宽带隙半导体碳化硅的优势主要包括：电场承受能力约为硅材料十倍，禁带宽度约为硅材料的三倍，导热系数约为硅材料三倍等。以上材料特性使得它在极端温度(尤其是高温)与大电压、高频率和高功率以及强辐射等条件下展现了传统的硅基器件无法比拟的优势。

欧姆接触是碳化硅器件应用于高温、易氧化等极端环境中的关键影响因素之一，它的目的在于实现当电极处在施加正向电压时能承载尽可能小的压降，以此，来保证器件的性能。假设欧姆接触退化或者失效，势必影响器件的开启电阻，严重时会影响器件性能，乃至令器件失效。所以设计热稳定性良好，抗氧化的欧姆接触电极显得尤为必要。

目前，碳化硅欧姆接触金属或者合金层面临问题包括抗氧化能力弱，在空气中即被氧化；热稳定性差，高温下出现退化或者失效；硬度低，容易被机械损伤等缺点，这些缺点会使得欧姆接触电极可靠性降低，严重限制其应用环境与范围，进而令碳化硅器件的应用范围与可靠性受到诸多影响与限制。

发明内容

鉴于以上背景，本发明旨在实现一种耐高温、抗氧化的欧姆接触结构及其制作方法。

一方面，本发明提供了一种SiC欧姆接触结构的制作方法，包括：

(a)制作SiC衬底；

(b)在所述衬底表面依次淀积第一Ni层、Ti层、第二Ni层、TaSi₂层和Pt层；

(c)进行第一退火处理以完成所述SiC欧姆接触结构的制作。

在本发明的一个实施例中，步骤(a)可以包括：

(a1)选取4H-SiC衬底并对所述4H-SiC衬底进行标准RCA清洗；

(a2)利用等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)工艺，在所述4H-SiC衬底表面淀积厚度为100nm的氧化层；

(a3)刻蚀所述氧化层形成离子注入窗口，利用离子注入工艺，对所述4H-SiC衬底表面进行N⁺、P⁺离子注入形成N型掺杂区和P型掺杂区；

(a4)刻蚀掉剩余的氧化层，并进行第二退火处理。

在本发明的一个实施例中，步骤(a3)中所述N型掺杂区的掺杂源为Al，掺杂浓度为1.0×10²⁰cm^-3；所述P型掺杂区的掺杂源为N，掺杂浓度为3.0×10²⁰cm^-3。

在本发明的一个实施例中，步骤(a4)中所述第二退火处理的温度为1700℃,退火时间为30min。

在本发明的一个实施例中，步骤(b)可以包括：

(b1)利用直流磁控溅射工艺，在所述衬底表面淀积所述第一Ni层；所述直流磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为9.8nm/min；

(b2)利用直流磁控溅射工艺，在所述第一Ni层表面淀积所述Ti层；所述直流磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为2.9nm/min；

(b3)利用直流磁控溅射工艺，在所述Ti层表面淀积所述第二Ni层；所述直流磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为9.8nm/min；

(b4)利用射频磁控溅射工艺，在所述第二Ni层表面淀积所述TaSi₂层；所述射频磁控溅射工艺的淀积功率为60W、淀积速率为2.9nm/min；

(b5)利用直流磁控溅射工艺，在所述TaSi₂层表面淀积所述Pt层；所述直流磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为2.9nm/min。

在本发明的一个实施例中，淀积时的磁控溅射腔的腔内真空度≤5e^-6mTorr。

在本发明的一个实施例中，所述第一Ni层厚度为30nm、所述Ti层厚度为100nm、所述第二Ni层厚度为30nm、所述TaSi₂层厚度为300nm以及所述Pt层厚度为200nm。

在本发明的一个实施例中，步骤(c)中第一退火工艺中的退火温度为975℃，退火时间为2min。

再一方面，本发明提供了一种SiC欧姆接触结构，包括：SiC衬底，以及依次设置于所述SiC衬底上的第一Ni层、Ti层、第二Ni层、TaSi₂层和Pt层。

与现有技术相比，本发明提供了一种利用Pt/TaSi₂/Ni/Ti/Ni/SiC结构制作欧姆接触的方法，该结构提高了欧姆接触的热稳定性和抗氧化性能；不仅在空气中，500℃条件下展现了良好的I-V特性，而且在经过300h的500℃的老化测试之后没有出现退化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种SiC欧姆接触工艺流程图；

图2为本发明实施例提供的一种Pt/Ti/SiC结构退火前后的XRD元素图；

图3为本发明实施例提供的一种退火之后器件表面的扫描电子显微镜图像；

图4为本发明实施例提供的一种Pt/TaSi₂/Ni/Ti/Ni/SiC结构退火前后的XRD元素图；

图5为本发明实施例提供的一种Pt/TaSi₂/Ni/Ti/Ni/SiC、Ti/Pt结构N、P型欧姆接触975℃退火之后的I-V曲线图；

图6为本发明实施例提供的一种Pt/TaSi₂/Ni/Ti/Ni/SiC、Ti/Pt结构N、P型欧姆接触特征导通电阻随老化时间的变化曲线图；

图7为本发明实施例提供的一种CTLM结构版图；

图8为本发明实施例提供的一种剥离之后金属结构显微镜图片；以及

图9为本发明实施例提供的一种SiC欧姆接触结构剖面图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种SiC欧姆接触工艺流程图，包括：

(a)制作SiC衬底；

(b)在所述衬底表面依次淀积第一Ni层、Ti层、第二Ni层、TaSi₂层和Pt层；

(c)进行第一退火处理以完成所述SiC欧姆接触结构的制作。

优选地，步骤(a)可以包括：

(a1)选取4H-SiC衬底并对所述4H-SiC衬底进行标准RCA清洗；

(a2)利用PECVD工艺，在所述4H-SiC衬底表面淀积厚度为100nm的氧化层；

(a3)刻蚀所述氧化层形成离子注入窗口，利用离子注入工艺，对所述4H-SiC衬底表面进行N⁺、P⁺离子注入形成N型掺杂区和P型掺杂区；

(a4)刻蚀掉剩余的氧化层，并进行第二退火处理。

其中，步骤(a3)中所述N型掺杂区的掺杂源为Al，掺杂浓度为1.0×10²⁰cm^-3；所述P型掺杂区的掺杂源为N，掺杂浓度为3.0×10²⁰cm^-3。

进一步地，步骤(a4)中所述第二退火处理的温度为1700℃,退火时间为30min。

优选地，步骤(b)可以包括：

(b1)利用直流磁控溅射工艺，在所述衬底表面淀积所述第一Ni层；所述直流磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为9.8nm/min；

(b2)利用直流磁控溅射工艺，在所述第一Ni层表面淀积所述Ti层；所述直流磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为2.9nm/min；

(b3)利用直流磁控溅射工艺，在所述Ti层表面淀积所述第二Ni层；所述直流磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为9.8nm/min；

(b4)利用射频磁控溅射工艺，在所述第二Ni层表面淀积所述TaSi₂层；所述射频磁控溅射工艺的淀积功率为60W、淀积速率为2.9nm/min；

(b5)利用直流磁控溅射工艺，在所述TaSi₂层表面淀积所述Pt层；所述直流磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为2.9nm/min。

其中，步骤(b)中淀积时的磁控溅射腔的腔内真空度≤5e^-6mTorr。

优选地，所述第一Ni层厚度为30nm、所述Ti层厚度为100nm、所述第二Ni层厚度为30nm、所述TaSi₂层厚度为300nm以及所述Pt层厚度为200nm。

优选地，步骤(c)中第一退火工艺中的退火温度为975℃，退火时间为2min。

其中，第一Ni层与SiC产生反应，Ti层可以结合由于Ni与SiC反应产生的C，以免游离态的C原子在表面集聚，而使表面粗糙或者失效。如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种Pt/Ti/SiC结构退火前后的XRD元素图，退火后Ti的比例明显减少，而TiC合金比例明显上升。

第二Ni层作为Ti层与TaSi₂层之间的粘附层，能有效降低退火温度，以便同时进行N/P型的退火，同时它能改进接触表面样貌；如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种退火之后器件表面的扫描电子显微镜图像，可以看出Ni层还对Ti的向上扩散起到了阻挡作用。

进一步地，TaSi₂层是防止欧姆接触电极氧化的关键，它能有效阻挡O向下扩散，在500℃下，空气中进行300h退火条件后，TaSi₂层以下O的比例并没有增大，表明TaSi₂层对O的阻挡作用显著。除此之外，TaSi₂的分解符合指数形式使得此结构能够长时间有效，因此，令此结构能够暴露在空气中进行老化测试。如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种Pt/TaSi₂/Ni/Ti/Ni/SiC结构退火前后的XRD元素图，各元素基本保持原来的合金结构，即TaSi₂的缓慢分解使得各金属层结构基本维持不变。

本发明中单纯的Ni/Pt、Ti/Pt结构在高温空气环境下，短时间内即失效。Ni/TaSi₂/Pt、Ti/TaSi₂/Pt结构难以形成良好的P型欧姆接触电极。Pt/TaSi₂/Ni/Ti/Ni/SiC结构同时实现了N、P衬底上的欧姆接触特性，相比于真空或惰性范围内性能较优异的Ti/Pt结构，其特性如图5所示，图5为本发明实施例提供的一种Pt/TaSi₂/Ni/Ti/Ni/SiC、Ti/Pt结构N、P型欧姆接触975℃退火之后的I-V曲线图；欧姆接触特性良好。对此结构在空气中进行高温、老化测试，300小时时并未出现严重退化。同时，如图6所示，图6为本发明实施例提供的一种Pt/TaSi₂/Ni/Ti/Ni/SiC、Ti/Pt结构N、P型欧姆接触特征导通电阻随老化时间的变化曲线图；在室温与500℃高温条件下，测量其特征导通电阻与Ti/Pt结构作对比。即Pt/TaSi₂/Ni/Ti/Ni/SiC在高温、老化条件下有着良好性能，对比于以上其余结构有着很大优势。

实施例二

本发明提出一种利用Pt/TaSi₂/Ni/Ti/Ni/SiC结构制作SiC欧姆接触的方法，包括：

S201，选取4H-SiC衬底，对4H-SiC衬底进行标准RCA清洗；

S202，利用PECVD工艺，在4H-SiC衬底淀积厚度为100nmSiO₂氧化层；

S203，刻蚀氧化层形成离子注入窗口，对4H-SiC衬底N⁺或者P⁺离子注入，形成高掺杂的N区或者P区并进行高温退火；

S204，刻蚀剩余的氧化层；

S205，在4H-SiC衬底上淀积金属层，金属层由下往上依次包括第一Ni层、Ti层、第二Ni层、TaSi₂层和Pt层；

S206，快速退火以形成欧姆接触。

优选地，步骤S203中所述N型掺杂区的掺杂源为Al，掺杂浓度为1.0×10²⁰cm^-3；所述P型掺杂区的掺杂源为N，掺杂浓度为3.0×10²⁰cm^-3。进行高温退火的温度为1700℃，时间为30min。

优选地，步骤S205中，所使用的淀积方法中，第一Ni层、Ti层、第二Ni层和Pt层采用直流磁控溅射淀积；TaSi₂层采用射频磁控溅射淀积；

第一Ni层、Ti层、第二Ni层和Pt层的淀积功率为100W；TaSi₂层的淀积功率为60W；

Ti层、TaSi₂层和Pt层的淀积速率为2.9nm/min，第一Ni层和第二Ni层的淀积速率为9.8nm/min；淀积时候的腔内真空度≤5e^-6mTorr；

第一Ni层和第二Ni层的淀积气流量为24Ar/sccm，Ti层和Pt层的淀积气流量为16Ar/sccm，TaSi₂层的淀积气流量为20Ar/sccm。

进一步地，第一Ni层厚度为30nm、Ti层厚度为100nm、第二Ni层厚度为30nm、TaSi₂层厚度为300nm以及Pt层厚度为200nm。

其中，对本实施例中的欧姆接触结构进行性能测试的方法如下：

步骤一：选取4H-SiC衬底，对4H-SiC衬底进行标准RCA清洗；

步骤二：利用PECVD工艺，在4H-SiC衬底淀积厚度为100nmSiO₂氧化层；

步骤三：刻蚀氧化层形成离子注入窗口，对4H-SiC衬底N⁺或者P⁺离子注入，形成高掺杂的N区或者P区并进行高温退火；

步骤四：利用掩膜版进行光刻，形成CTLM图形，去除底胶，利用HF去除自然氧化层以及其他杂质。

进一步地，步骤四中形成CTLM图形如图7所示，图7为本发明实施例提供的一种CTLM结构版图；

优选地，步骤四中HF配比为HF：H₂O＝1：20。在HF中浸洗2min，之后用清水冲洗去除HF溶液，N₂吹干。

步骤五：在SiC材料上依次淀积第一Ni层、Ti层、第二Ni层、TaSi₂层和Pt层；

步骤六：金属剥离与快速退火形成欧姆接触结构并对所述欧姆接触结构进行性能测试。

进一步地，步骤六中金属剥离具体步骤为：将包括4H-SiC衬底和金属层的整个衬底材料置于丙酮中浸泡约10h至光刻胶层上金属层翘起，之后进行超声约3min至翘起金属完全脱落。如图8所示，图8为本发明实施例提供的一种剥离之后金属结构显微镜图片；在显微镜下观察金属环没有粘连。退火的条件为温度975℃，惰性气体的保护氛围中，退火时间2min。

本发明利用Pt/TaSi₂/Ni/Ti/Ni/SiC结构制作SiC欧姆接触。首先，Ni与SiC反应。Ti层可以结合由于Ni与SiC反应产生的C，以免游离态的C原子在表面集聚，而使表面粗糙或者失效。退火后Ti的比例明显减少，而TiC合金比例明显上升。第二Ni层作为Ti金属层与TaSi₂金属层之间的粘附层，能有效降低退火温度，以便同时进行N/P型的退火，同时它能改进接触表面样貌，而且此镍层还对Ti的向上扩散起到了阻挡作用。TaSi₂层是防止欧姆接触电极氧化的关键，它能有效阻挡O向下扩散，通过300h老化测试后，TaSi₂层以下O的比例并没有增大，表明TaSi₂层对O的阻挡作用显著。

实施例三

请参照图9，图9为本发明实施例提供的一种SiC欧姆接触结构剖面图；SiC欧姆接触结构包括：SiC衬底1，以及依次设置于所述SiC衬底上的第一Ni层2、Ti层3、第二Ni层4、TaSi₂层5和Pt层6。

综上，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。

Claims (8)

1.一种SiC欧姆接触结构的制作方法，其特征在于，包括：

(a)制作SiC衬底；包括：

(a1)选取4H-SiC衬底并对所述4H-SiC衬底进行标准RCA清洗；

(a2)利用PECVD工艺，在所述4H-SiC衬底表面淀积厚度为100nm的氧化层；

(a3)刻蚀所述氧化层形成离子注入窗口，利用离子注入工艺，对所述4H-SiC衬底表面进行N+、P+离子注入形成N型掺杂区和P型掺杂区；

(a4)刻蚀掉剩余的氧化层，并进行第二退火处理；

(b)利用掩膜版对所示衬底表面进行光刻，形成CTLM图形；在所述衬底表面依次淀积第一Ni层、Ti层、第二Ni层、TaSi₂层和Pt层；其中，所述第一Ni层、Ti层、第二Ni层均采用直流磁控溅射工艺淀积；

(c)进行第一退火处理以完成所述SiC欧姆接触结构的制作。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(a3)中所述N型掺杂区的掺杂源为Al，掺杂浓度为1.0×10²⁰cm^-3；所述P型掺杂区的掺杂源为N，掺杂浓度为3.0×10²⁰cm^-3。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(a4)中所述第二退火处理的温度为1700℃,退火时间为30min。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(b)中在所述衬底表面依次淀积第一Ni层、Ti层、第二Ni层、TaSi2层和Pt层包括：

(b1)利用直流磁控溅射工艺，在所述衬底表面淀积所述第一Ni层；所述直流磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为9.8nm/min；

(b2)利用直流磁控溅射工艺，在所述第一Ni层表面淀积所述Ti层；所述直流磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为2.9nm/min；

(b3)利用直流磁控溅射工艺，在所述Ti层表面淀积所述第二Ni层；所述直流磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为9.8nm/min；

(b4)利用射频磁控溅射工艺，在所述第二Ni层表面淀积所述TaSi₂层；所述射频磁控溅射工艺的淀积功率为60W、淀积速率为2.9nm/min；

(b5)利用直流磁控溅射工艺，在所述TaSi₂层表面淀积所述Pt层；所述直流磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为2.9nm/min。

5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，淀积时的磁控溅射腔的腔内真空度≤5e^-6mTorr。

6.根据权利要求1或4所述的制作方法，其特征在于，所述第一Ni层厚度为30nm、所述Ti层厚度为100nm、所述第二Ni层厚度为30nm、所述TaSi2层厚度为300nm以及所述Pt层厚度为200nm。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(c)中第一退火工艺中的退火温度为975℃，退火时间为2min。

8.一种SiC欧姆接触结构，其特征在于，包括：SiC衬底，以及依次设置于所述SiC衬底上的第一Ni层、Ti层、第二Ni层、TaSi2层和Pt层；其中，所述欧姆接触结构由权利要求1～7任一项所述的方法制作形成。

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