CN101506989A - 用于SiC肖特基二极管的钼势垒金属及制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于制造二极管的方法。在一个实施例中，该方法包括：在碳化硅(SiC)的外延层上形成肖特基接触，以及使该肖特基接触在300℃到700℃范围内的温度下退火。该肖特基接触由钼层形成。

Description

用于SiC肖特基二极管的钼势垒金属及制造工艺
相关美国申请
本申请要求于2006年7月31日递交的申请号为60/820,807和于2007年7月递交的申请号为XX/XXX,XXX的共同未决的临时申请的优先权，其全部内容通过引用合并在本申请文件中。
技术领域
本申请涉及一种带有钼肖特基势垒接触的碳化硅(SiC)肖特基二极管。
背景技术
二极管是限制电流流向的电子元件。更具体而言，其允许电流沿一个方向流动，但阻止电流沿相反方向流动。因此，二极管可被认为是机械式止回阀的电子版。需要电流仅沿一个方向流动的电路通常包括一个或多个二极管。
肖特基二极管是由金属与半导体之间的接触形成的二极管，而不是由p-n结形成的二极管。它们比p-n结二极管具有更低的前向电压降。肖特基二极管通常比p-n结二极管具有低得多的结电容。该较低的结电容有助于它们的高切换速度和它们适应于诸如混合器和检测器等的高速电路和射频(RF)装置。另外，肖特基二极管可在高电压应用中使用。
对于在高电压应用中使用，肖特基二极管制造商设法提供具有高性能的装置，以减小功率损耗。制造商用来评估这种二极管性能的参数包括前向电流传导和反向电压截止特性。提供高前向电流传导和高截止电压的装置对于高电压、低损耗的应用是很理想的。成功制造这种装置的挑战包括用于制成该装置的材料的固有属性和可能存在于这些材料中的物理缺陷。
碳化硅(SiC)因其高临界电场而成为用于高电压和低损耗功率的半导体装置的极具希望的材料。而且，使用SiC的肖特基势垒二极管(SBD)目前可商用。然而，这些装置与SiC的理想潜在性能相比具有较差的性能。更具体而言，目前可用的SiC-SBD没有完全实现SiC的潜在高性能(高电压、高电流量和低损耗)。另外，目前可用的SiC-SBD在高电压版的SiC外延层中呈现性能恶化的缺陷。
发明内容
因此，存在一种提供具有改进的前向电流传导和反向电压截止能力的肖特基二极管的方法的需求。本发明提供一种实现该需求的方法。
公开一种钼肖特基接触，与钛和其它可能的肖特基接触材料相比，其改进前向电流传导和反向电压截止性能。另外，与使用钛(Ti)或镍(Ni)肖特基接触的SiC肖特基二极管相比，钼肖特基接触在高温下提供较大的装置操作稳定性，并允许较高的退火温度。
另外，公开一种制造二极管的方法。该方法包括在碳化硅(SiC)的外延层上形成肖特基接触，以及使该肖特基接触在300℃至700℃范围内的温度下退火。该肖特基接触由钼(Mo)层形成。
作为一种公开的制造二极管的方法的一部分，形成基底，在该基底上形成外延层，并且在该外延层的终端区域中形成边缘终端植入物。另外，在该外延层上形成肖特基接触，并且在超过600℃的温度下使该肖特基接触退火。下文中，在肖特基接触的上方形成铝(Al)接触层。肖特基接触由钼(Mo)层形成。
还公开一种根据本文所述工艺制造的肖特基二极管。在一个实施例中，该肖特基二极管包括基底、位于该基底上方且与之相邻的外延层、在该外延层的终端区域中形成的场环，以及在该外延层上形成的肖特基接触。该肖特基接触由钼层形成。铝层被形成在该肖特基接触的上方。
在一个实施例中，公开一种高温(>600℃)退火的钼(Mo)肖特基接触，其针对减小高电压SiC-SBD中的功率损耗具有极佳的性能(例如，肖特基势垒高度＝1.2-1.3eV，且理想因子<1.1)。肖特基势垒高度指示金属与半导体之间的界面处的电势差。该参数对于确定装置的前向电压和漏电流很重要。理想因子提供对界面质量的测量。一般而言，理想因子在1至2之间，在诸如本文所公开的钼肖特基接触之类的高质量界面中，该参数小于1.1。
在一个实施例中，可在3英寸直径的4H-SiC硅片上制造电子功率装置，例如本文所公开的包括肖特基接触的4H-SiC结-势垒肖特基二极管。肖特基金属接触可通过喷镀获得，或者通过Ti、Mo和Ni的电子束和热蒸发变得更好。
在一个实施例中，所公开的肖特基二极管在室温下和在77-400°K的范围内呈现高达1000V的截止电压。在一个实施例中，参照电流-电压和电容-电压测量评定肖特基二极管的特性。测量根据不同设计的肖特基势垒高度(SBH)、理想因子和反向漏电流，并且通过高分辨率扫描电子显微镜进行与失效装置的结构有关的形态学研究。
在一个实施例中，以Mo作为肖特基势垒的肖特基势垒二极管呈现类似于通过标准Ti金属化获得的截止电压，但是具有较低的高度势垒值。较低的势垒值导致较佳性能的如图2A所示的前向传导以及如图2B所示的反向或截止电压。而且，结势垒肖特基二极管限制肖特基势垒上的电场强度，因而限制肖特基势垒降低和反向电流流动。
在阅读以下示于附图中的优选实施例的详细描述之后，对本领域技术人员而言，本发明这些和其它优点无疑将变得显而易见。
附图说明
通过参照以下结合附图的描述，本发明及其进一步的优点可被最佳理解，在附图中：
图1A为根据一个实施例制造的碳化硅(SiC)肖特基势垒二极管(SBD)的一部分的截面框图。
图1B示出根据一个实施例制造的完整的SiC-SBD的截面图。
图2A为示出根据一个实施例的具有钼(Mo)肖特基接触的肖特基二极管与具有钛(Ti)肖特基接触的肖特基二极管相比的前向传导特性的图。
图2B为示出根据一个实施例的具有Mo肖特基接触的肖特基二极管与具有Ti肖特基接触的肖特基二极管相比的反向偏压特性的图。
图3为根据一个实施例的用于制造SiC肖特基二极管的示例性工艺中执行的步骤的流程图。
应该注意的是，附图中相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
现在将详细参照如附图中所示的本发明的各种实施例对本发明进行描述。在以下描述中，特定细节被阐释以提供对本发明的全面理解。然而，对本领域技术人员而言显而易见的是，在实施本发明时可不必使用本文所阐释的某些实施细节。还应理解的是，为了不会不必要地使本发明变得隐晦，众所周知的操作没有被详细描述。
根据本发明一个实施例的
用于SiC肖特基二极管的钼势垒金属和制造工艺
图1A示出根据本发明一个实施例制造的碳化硅(SiC)肖特基势垒二极管(SBD)100的截面。在一个实施例中，使用相对于钛(Ti)和其它材料而言在前向电流传导和反向电压截止性能方面提供改进的钼(Mo)肖特基接触。另外，与使用钛(Ti)或镍(Ni)肖特基接触的SiC肖特基二极管相比，Mo肖特基接触在高温下提供更大的操作稳定性，并允许更高的退火温度。
在图1A的实施例中，SiC-SBD100包括碳化硅(SiC)基底10、SiC外延层11、边缘终端植入物(edge termination implant)12、钝化层13、钼(Mo)接触14、欧姆接触15和后侧欧姆接触16。在一个实施例中，钝化层13可由二氧化硅(SiO2)形成，欧姆接触15可由铝(Al)形成，后侧欧姆接触16可由镍(Ni)形成。在其它实施例中，除了本文所述的材料之外的材料可用于形成SiC SBD 100的一种或多种结构。
参照图1A，高质量SiC外延沉积层(例如，SiC外延层11)被形成在SiC基底10上，边缘终端扩散被用于在SiC外延层11中形成边缘终端植入物12(例如，场环(field ring))。在一个实施例中，边缘终端植入物12的部分被钝化层13覆盖。在一个实施例中，Mo接触14在高温下形成，并被欧姆接触15接触。后侧欧姆接触16被形成在基底10的后侧上。
在操作中，当正电压施加在由欧姆层15和后侧欧姆接触16表示的端子上时，前向电流传导在如图1A所示的17处被触发。相反，当反向电压施加在由欧姆接触15和后侧欧姆接触16表示的端子上时，SiC-SBD 100被反向偏压，而电流传导被阻止。应该理解的是，在装置操作过程中，与Ti相比，本文所述的Mo接触在SiC-SBD 100的使用寿命中提供更为稳定的肖特基势垒。
制造工艺
首先，在一个实施例中，可使用90℃的4:1.5:1.5(体积)的H2SO4:H2O2:H2O的溶液将准备好的包括SiC基底(例如，图1A中的10)和SiC外延层(例如，图1A中的11)的硅片预先清洁10分钟，并使用75℃的4:1.5:1.5(体积)的H2OD1:HCL:H2O2的溶液预先清洁10分钟。之后，在第一光致抗蚀剂掩模被施加于SiC外延层11的表面之前，低热氧化物(lowthermal oxide)(LTO)四乙基正硅酸(TEOS)化合物可以沉积成1微米的厚度。反应离子蚀刻(RIE)氧化物蚀刻紧随其后。
接下来，可在140℃下使用100:6的H2SO4:H2O2溶液执行光致抗蚀剂带15分钟。然而可施加第二光致抗蚀剂掩膜，随后使用6:1的缓冲剂化学溶液进行结构的氧化缓冲剂蚀刻(buffer oxide etch)(B.O.E)。前述操作用于为边缘终端植入物(例如，图1A中的12)准备半导体结构。因此，可以在其后形成边缘终端植入物。
在一个实施例中，边缘终端植入物(例如，图1A中的12)可包括硼(B)植入物，其采用80+190KeV的植入能量以5E13的剂量并使用4°的倾斜角度制成。在硼(B)植入物被制成后，使用4°的倾斜角度采用25+80KeV的植入能量以1E15的剂量制成的后侧磷(P)植入物可被制成以增大阴极表面浓度(例如，图1A中的12)。二次离子质量质谱(SIMS)工具可被用于执行植入物的元素和同位素分析。
随后，可使用100:6的H2SO4:H2O2溶液在140℃的温度下执行光致抗蚀剂带15分钟。之后，可执行使用6:1溶液的另一氧化缓冲剂蚀刻(B.O.E)。该得到的结构可使用4:1.5:1.5(体积)的H2SO4:H2O2:H2O溶液在90℃下预先清洁10分钟，并使用4:1.5:1.5(体积)的H2OD1.:HCL:H2O2溶液在75℃下预先清洁10分钟。接下来，可使边缘终端植入物(例如，图1A中的12)退火，以使用高温快速终端退火(HTRTA)在高于1550℃的温度下活化植入物的掺杂剂(以便活化SiC外延层11中植入物的离子)。在一个实施例中，HTRTA的使用避免能够使整个装置的性能降级的SiC材料降级。
随后，另一预先清洁操作可使用4:1.5:1.5(体积)的H2SO4:H2O2:H2O溶液在90℃下执行10分钟，并使用4:1.5:1.5(体积)的H2OD1.:HCL:H2O2溶液在75℃下执行10分钟。为了提供抛光表面，可执行低热氧化物(LTO)TEOS沉积。随后，可执行牺牲氧化，氧化物带紧随其后。
之后，预先清洁操作可使用4:1.5:1.5(体积)的H2SO4:H2O2:H2O溶液在90℃下执行10分钟，并使用4:1.5:1.5(体积)的H2OD1.:HCL:H2O2溶液在75℃下执行10分钟。接下来，可执行具有1微米厚度的低热氧化物(LTO)TEOS沉积(其提供在终端植入物区域上形成TEOS之处的钝化)。并且随后，可执行TEOS氧化。在一个实施例中，由于氧化界面通过这些工艺保持紧凑，所以TEOS氧化致使电属性被改善。
接下来，可执行移除材料和为金属沉积准备半导体结构(提供接触开口)的操作。这些操作包括形成光致抗蚀剂掩模(第三)、执行B.O.E.氧化物蚀刻(使用6:1的缓冲剂化学溶液)、执行光致抗蚀剂带(使用100:6的H2SO4:H2O2溶液在140℃下执行15分钟)、执行预先清洁操作(使用4:1.5:1.5体积的H2SO4:H2O2:H2O溶液在90℃下执行10分钟，并使用4:1.5:1.5体积的H2OD1.:HCL:H2O2溶液在75℃下执行10分钟)，以及执行B.O.E.清洁。可使用诸如Ni或Ni-Al之类的薄金属层的选择并且随后使用在800-1000℃范围内退火的温度在阴极面积上形成后侧欧姆接触，以减小接触电阻。
在执行前述操作之后，钼肖特基势垒(例如，图1A中的钼肖特基接触14)可被形成在接触开口中，欧姆，例如，镍(Ni)、金(Au)、铜(Cu)等，前侧金属接触(例如，图1A中的15)可被形成在钼肖特基势垒(例如，接触)的上方。在一个实施例中，钼肖特基势垒(例如，接触)可生长成500A-2000oA的厚度。在一个实施例中，前欧姆接触(例如，图1A中的15)可被生长成4微米的厚度。在一个实施例中，标准引线结合(wire bonding)工艺可用于形成欧姆前侧金属接触。在另一实施例中，可使用其它工艺。之后，可使用300℃至700℃范围内的温度执行金属烧结(sinter)(高温退火)。在其它实施例中，可使用超过600℃(例如800℃)的温度执行金属烧结。
接下来，可施加光致抗蚀剂掩模(第四)。之后，可进行金属蚀刻(用于装置限定)，且可执行光致抗蚀剂带。随后，可进行接触金属预先清洁。这些操作之后可接着进行非晶硅沉积(例如，1900A)和聚酰亚胺钝化(为了稳定的电特性和增大的截止能力)。
之后，可施加第五光致抗蚀剂掩模，接着进行非晶硅蚀刻和高温聚酰亚胺硫化(cure)。最后，可进行接触金属预先清洁和后侧加固金属化操作(例如，以形成后侧欧姆接触16)。在一个实施例中，用于形成后侧欧姆接触16的材料包括但不限于钛(Ti)(1000A)、镍(Ni)(4000A)和银(Ag)(6000A)。在其它实施例中，可使用其它金属和厚度选择。
图1B示出图1A所示装置的实施例的完整装置的另一截面图，其示出另外的细节。示于图1B中但未示于图1A中的部件包括非晶硅层18和聚酰亚胺层19，其如以上所述被形成。
特性
图2A和2B描绘了根据一个实施例的具有1mm2的钼(Mo)肖特基接触面积且在400℃下被退火的SiC-SBD的电流-电压特性。重要的是，这些图显示，在较低的前向电压下，与具有钛(Ti)肖特基接触的SiC-SBD相比，具有钼(Mo)肖特基接触的SiC-SBD提供更好的前向电流传导。图2A和2B中特性化的SBD示出在计算为1.5mΩcm2的幂的RT处的特定导通电阻(Ron)，以及超过600V的击穿电压(Vb)。
可使用Vb 2/Ron评估诸如图1A所示的高温退火Mo SiC-SBD。该值通常被用作SiC-SBD的指标图。高性能SiC-SBD比低性能SiC-SBD具备更高的Vb 2/Ron值。本发明被评估实施例的Vb 2/Ron值对于具有1mm2肖特基接触面积的装置而言为1898MW/cm2。
以下表格A显示在不同温度下采用Mo、Ti和Ni肖特基接触层的实验结果。
表格A
 
肖特基接触       根据IV(eV)的势垒高度   理想因子 根据CV(eV)的势垒高度   ND(cm-3) Ir＠600V
Mo 0.91 1.07 1.10 1.32E16 1000μA
Mo 0.97 1.05 1.15 1.74E16 1000μA
Mo 1.10 1.05 1.21 1.26E16 100μA
Ti 0.85 1.04 0.91 1.12E16 100μA
Ti 1.20 1.03 1.21 9.85E15 20μA
Ni 1.45 1.10 1.65 9.91E15 100μA
Ni 1.52 1.12 1.72 1.16E16 50μA
在示例性实施例中，提供一种高温(>600℃)退火的钼(Mo)肖特基接触，其针对减小高电压SiC-SBD中的功率损耗具有极佳的属性(肖特基势垒高度＝1.2-1.3eV，理想因子<1.1)。肖特基势垒高度指示在金属与半导体之间的界面处的电势差。该参数在确定装置的前向电压和漏电流时是很重要的。理想因子提供对界面质量的测量。一般而言，理想因子在1至2之间，在高质量界面中，该参数小于1.1。
在一个实施例中，可在3英寸直径的4H-SiC硅片上制造电子功率装置，例如本文所述的包括肖特基势垒(SB)的4H-SiC结-势垒肖特基(JBS)二极管。肖特基金属接触可通过Ti、Mo和Ni的热和电子束蒸发获得。
在一个实施例中，所公开的肖特基二极管在室温下和在77-400°K的范围内呈现高达1000V的截止电压。在一个实施例中，参照电流-电压和电容-电压测量评估肖特基二极管的特性。测量根据不同设计上的肖特基势垒高度(SBH)、理想因子和反向漏电流，且通过高分辨率扫描电子显微镜来执行与失效装置结构有关的形态学研究。
在一个实施例中，具有Mo作为肖特基势垒的肖特基势垒二极管展现类似于通过标准Ti金属化所获得的截止电压，但具有较低的高度势垒值。该低势垒值导致较佳性能的如图2A所示的前向传导＝以及如图2B所示的反向或截止电压。
结势垒肖特基(JBS)二极管限制肖特基势垒上的电场强度，因而还限制肖特基势垒降低和反向电流流动。
根据一个实施例的用于制造SiC肖特基二极管的方法
图3为根据本发明一个实施例的用于制造碳化硅(SiC)肖特基二极管的示例性工艺中执行的步骤的流程图。尽管该流程图中公开了特定步骤，这些步骤仅是示例性的。而且，实施例可很好地适于执行各种其它步骤或者流程图中所示步骤的变体。在各种实施例内，应该理解的是，流程图的步骤能够通过各种方法执行。
在步骤301，形成基底。在一个实施例中，该基底由SiC形成。在步骤303，在该基底上形成外延层。在一个实施例中，外延层由SiC(高质量)形成。
在步骤305，在所述外延层的终端区域中形成终端植入物。在一个实施例中，场环通过边缘终端扩散形成。之后，可使用选择诸如Ni或Ni-Al之类的薄金属层和随后在800-1000℃范围内的温度退火以降低接触电阻，从而在阴极区域上形成后侧欧姆接触。
在步骤307，在外延层上形成肖特基接触。在一个实施例中，肖特基接触包括钼层。
在步骤309，在300至700℃范围的温度下使肖特基接触退火。在步骤311，在肖特基接触上方形成欧姆接触层。在一个实施例中，欧姆接触可包括但不限于铝、铜或金。在步骤313，在基底的后侧形成欧姆接触。
参照示例性实施例，公开了一种用于制造二极管的方法。在一个实施例中，该方法包括在碳化硅(SiC)外延层上形成肖特基接触，以及使该肖特基接触在300至700℃范围的温度下退火。所述肖特基接触由钼层形成。
尽管仅为了方便，以上描述了许多元件和工艺，但是本领域技术人员可理解的是，多个元件和重复的工艺也可用于实施本发明的技术。进一步，本发明特别参照其特定实施例被显示和描述，但本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明精神或范围的情况下，可对所公开实施例的形式和细节进行变化。例如，本发明的实施例可采用各种元件，而不应限制于以上提到的元件。因此，本发明意在被解释为包括在本发明精神和范围内的所有变体和等同物。

Claims (24)

1、一种用于制造二极管的方法，所述方法包括：
在碳化硅(SiC)的外延层上形成肖特基接触，其中所述肖特基接触包括钼(Mo)层；以及
使所述肖特基接触在300℃至700℃范围内的温度下退火。
2、如权利要求1所述的方法，其中所述形成由Mo构成的肖特基接触使所述二极管在较小的前向电压被施加的情况下，比具有包括钛(Ti)的肖特基接触的类似二极管具有更大的前向电流传导。
3、如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述钼层的上方形成欧姆接触，其中用于形成所述欧姆接触的材料选自由铝(Al)、镍(Ni)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)和金(Au)构成的组。
4、如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述SiC的外延层中形成硼终端植入物。
5、如权利要求1所述的方法，进一步包括在所述SiC的外延层中形成后侧磷终端植入物。
6、如权利要求4所述的方法，其中所述硼终端植入物是使用高温快速热退火(HTRTA)在超过1550℃的温度下形成的。
7、如权利要求1所述的方法，其中所述钼(Mo)层具有在500埃与2000埃之间的厚度。
8、如权利要求3所述的方法，其中所述欧姆接触是使用引线结合工艺形成的，并且包括在钼势垒金属的上方形成的铝顶层，所述钼势垒金属和所述铝顶层在所述肖特基接触退火步骤期间被使用300-700℃范围内的温度一起退火。
9、一种用于制造二极管的方法，所述方法包括：
形成基底；
在所述基底上形成外延层；
在所述外延层的边缘终端区域中形成边缘终端植入物；
在所述外延层上形成肖特基接触，其中所述肖特基接触包括钼(Mo)层；
使所述肖特基接触在300℃至700℃范围内的温度下退火；
在所述肖特基接触的上方形成欧姆接触层；以及
在所述基底的后侧形成后侧欧姆接触。
10、如权利要求9所述的方法，其中所述形成由Mo构成的肖特基接触使所述二极管在较小的前向电压被施加的情况下，比具有包括钛(Ti)的肖特基接触的类似二极管具有更大的前向电流传导。
11、如权利要求9所述的方法，其中用于形成所述欧姆接触的材料选自由铝(Al)、镍(Ni)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)和金(Au)构成的组。
12、如权利要求9所述的方法，进一步包括在所述SiC的外延层中形成硼(B)终端植入物。
13、如权利要求9所述的方法，进一步包括在所述SiC的外延层中形成后侧磷(P)植入物。
14、如权利要求12所述的方法，其中所述硼(B)终端植入物是通过高温快速热退火活化(HTRTA)形成的。
15、如权利要求9所述的方法，其中所述钼(Mo)层具有在500埃与2000埃之间的厚度。
16、如权利要求11所述的方法，其中所述欧姆接触是使用引线结合工艺形成的，并且包括在钼势垒金属的上方形成的铝顶层，所述钼势垒金属和所述铝顶层在所述肖特基接触退火步骤期间被使用300-700℃范围内的温度一起退火。
17、一种肖特基二极管，包括：
基底；
位于所述基底的上方且与所述基底相邻的外延层；
在所述外延层的终端区域中形成的边缘终端植入物；
在所述外延层上形成的肖特基接触，其中所述肖特基接触包括钼层；
在所述肖特基接触的上方形成的欧姆接触；以及
在所述基底的后侧形成的后侧欧姆接触。
18、如权利要求17所述的二极管，其中所述二极管在较小的前向电压被施加的情况下，比包括由钛制成的肖特基接触的类似二极管具有更大的前向电流传导。
19、如权利要求17所述的二极管，进一步包括位于所述钼层的上方的欧姆接触，其中用于形成所述欧姆接触的材料选自由铝(Al)、镍(Ni)、钛(Ti)、钨(W)、铜(Cu)和金(Au)构成的组。
20、如权利要求17所述的二极管，进一步包括在所述SiC的外延层中形成硼(B)终端植入物。
22、如权利要求17所述的二极管，进一步包括在所述SiC的外延层中形成后侧磷(P)终端植入物。
23、如权利要求20所述的二极管，其中所述硼(B)终端植入物是使用高温快速热退火(HTRTA)在超过1550℃的温度下形成的。
24、如权利要求17所述的二极管，其中所述钼(Mo)层具有在500埃与2000埃之间的厚度。
25、如权利要求19所述的二极管，其中所述欧姆接触是使用引线结合工艺形成的，并且包括在钼势垒金属的上方形成的铝顶层，所述钼势垒金属和所述铝顶层在所述肖特基接触退火步骤期间被使用300-700℃范围内的温度一起退火。
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