CN102569039B - 一种金属-碳化硅欧姆接触快速退火方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种金属-碳化硅欧姆接触快速退火方法，包括以下步骤：1）将SiC晶片放在Si片托盘上，然后置入快速热处理装置，同时充入保护气体Ar；2）第一升温阶段、保持温度；3）第二升温阶段，稳定温度阶段8；4）第三升温阶段；5）第四升温阶段，退火阶段；6）降温阶段。本发明的有益效果：可以在任何采用灯光辐射为热源的商用快速热处理装置内实施，作为托盘的硅片可以采用多种规格的商用抛光单晶硅片，成本低。退火方法能够去除碳化硅晶片表面水汽，稳定温度。通过改变设定值，能够在保证峰值热处理温度的控制精度前提下，提高升温速率。最终减小退火后的欧姆接触电阻，提高欧姆接触的质量，器件可靠性和成品率。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种快速退火方法，具体是涉及一种金属-碳化硅欧姆接触快速退火方法。
背景技术
碳化硅（SiC）材料是自第一代元素半导体材料（Si）和第二代化合物半导体材料（GaAs、GaP、InP等）之后发展起来的第三代宽带隙半导体材料。SiC材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高电子饱和漂移速度等特点，特别适合制作微波大功率、高压、高温、抗辐照电子器件，在国民经济各方面具有广泛的应用。当前，SiC器件的研制已经成为研究热点。
制备SiC器件的关键工艺之一是实现SiC与金属的欧姆接触，欧姆接触质量的好坏，接触电阻的大小直接影响到器件的效率，增益和开关速度等性能指标。
为了实现SiC与金属的欧姆接触，需要使用快速退火系统对器件进行快速退火处理。目前应用最广泛和制造成本最低的快速退火系统均采用灯光辐射作为热源，通过热辐射的方式加热晶片。由于SiC晶片对热辐射的透射率很高（约等于1），所以无法直接进行快速退火。目前，在不改变快速退火系统结构的前提下，用于SiC的快速退火方法是将SiC晶片放置在一个石墨托盘上进行退火，SiC晶片和石墨托盘直接接触，石墨托盘升温后以热传导的方式加热SiC晶片。由于在升温过程中石墨托盘极易破碎，因此使用石墨托盘进行SiC快速退火时升温速率一般不能大于50℃/秒，升温速率受限制会影响金属硅化物的形成，使SiC器件欧姆接触的质量下降。此外石墨托盘还有不易采购，使用成本较高的缺点。
在金属-碳化硅欧姆接触快速退火过程中，升温速率太快会使导致温度控制精度下降，峰值热处理温度的控制精度会直接影响到接触电阻的大小和欧姆接触的质量。峰值温度控制不精确造成的温度过冲还会使托盘变形，导致碳化硅受热不均匀，欧姆接触不一致，影响器件可靠性和成品率。升温速率太慢又会使欧姆接触的性能下降，因此对升温过程的中对升温速率的控制十分重要。
为了提高SiC器件的可靠性和成品率，降低生产成本。目前常用的SiC快速退火方法还有许多缺陷，升温过程中的温度控制方法还有改进的必要。
发明内容
本发明提出的是一种金属-碳化硅欧姆接触快速退火方法，其目的是为了解决现有技术所存在的上述不足，具有使用成本低，能形成高质量，低接触电阻。
本发明的技术解决方案：该方法包括以下步骤：
1）将SiC晶片放在Si片托盘上，然后置入快速热处理装置，将待快速退火的SiC晶片置于Si片托盘上，接着放入快速热处理装置中，快速退火装置的加热面在SiC晶片上方，测温装置在Si片托盘下方，同时充入保护气体Ar；
2）第一升温阶段、保持温度阶段，将SiC晶片作第一次升温，加热到第一温度200℃-300℃，保持温度60-180秒，升温速率5℃/秒-10℃/秒；
3）第二升温阶段，稳定温度阶段，将SiC晶片作第二次升温，由第一温度升温加热到第二温度550℃-600℃，稳定温度30秒，升温速率10℃/秒-20℃/秒；
4）第三升温阶段，将SiC晶片作第三次升温，由第二温度升温加热到第三温度850℃-900℃，升温速率100℃/秒-150℃/秒；
5）第四升温阶段和退火阶段，将SiC晶片作第四次升温，由第三温度升温加热到第四温度950℃-1000℃，升温速率10℃/秒-30℃/秒，进行退火使SiC晶片维持在第四温度，退火时间不小于100秒；
6）降温阶段，将SiC晶片由第四温度降温到室温，降温速率10℃/秒-20℃/秒。
所述的金属-碳化硅欧姆接触快速退火方法中，可以在任何采用灯光辐射为热源，单面加热，单点测温的商用快速热处理装置内实施，不需要对快速热处理装置的结构做出任何改变。作为托盘的硅片是商用抛光单晶硅片。
本发明的有益效果：1）可以在任何采用灯光辐射为热源，单面加热，单点测温的商用快速热处理装置内实施，不需要对快速热处理装置的结构做出任何改变，减少了设备改造费用。2）作为托盘的硅片可以采用多种规格的商用抛光单晶硅片，成本低。3）降低了碳化硅器件的生产成本。由于采用了硅片作为托盘，快速退火过程中升温速率不会受到限制，提高了工艺设计的灵活度。4）退火方法能够去除碳化硅晶片表面水汽，稳定温度。5）快速升温阶段分为两部分，通过改变设定值，能够在保证峰值热处理温度的控制精度前提下，提高升温速率。6）最终减小退火后的欧姆接触电阻，提高欧姆接触的质量，器件可靠性和成品率。
附图说明
附图1是本发明的较佳实施例的退火结构剖面示意图。
附图2是本发明的较佳实施例的退火过程中的温度与时间的示意图。
附图3是本发明的较佳实施例的退火流程示意图。
图中的1是快速退火装置的加热面；2是SiC晶片；3是Si片托盘；4是测温装置；5是第一升温阶段；6是保持温度阶段；7是第二升温阶段；8是稳定温度阶段；9是第三升温阶段将；10是第四升温步骤；11是退火阶段；12是降温阶段；13是将SiC晶片放在Si拖盘上后置入快速热处理装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
对照附图，
1）将SiC晶片2放在Si片托盘3上后置入快速热处理装置13，将待快速退火的3英寸4H碳化硅晶片（SiC晶片）2置于4英寸Si片托盘3上，然后放入快速热处理装置13中，快速退火装置的加热面1在SiC晶片2上方，测温装置4在Si片托盘3下方，同时充入保护气体Ar；
2）第一升温阶段5、保持温度阶段6，将SiC晶片2作第一次升温，加热到200℃即第一温度，保持温度60秒，升温速率5℃/秒；
3）第二升温阶段7，稳定温度阶段8，将SiC晶片2作第二次升温，由200℃升温加热到550℃即第二温度，稳定温度30秒，升温速率10℃/秒；
4）第三升温阶段9，将SiC晶片2作第三次升温，由550℃升温加热到850℃即第三温度，升温速率100℃/秒；
5）第四升温阶段10和退火阶段11，将SiC晶片2作第四次升温，由850℃升温加热到950℃即第四温度，保温150秒，升温速率10℃/秒，进行退火使SiC晶片2维持在第四温度950℃；
6）降温阶段12，将SiC晶片2由950℃降温到室温，降温速率10℃/秒。
实施例2
对照附图，
1）将待快速退火的2英寸6H碳化硅晶片（SiC晶片）2置于4英寸Si片4上，然后放入快速热处理装置13中，快速退火装置的加热面1在碳化硅晶片上方，测温装置4在Si片托盘3下方，充入保护气体N2；
2）第一升温阶段5、保持温度阶段6，将SiC晶片2作第一次升温，升温加热到300℃即第一温度，保持保温180秒，升温速率10℃/秒；
3）第二升温阶段7，稳定温度阶段8，将SiC晶片2作第二次升温，由200℃升温加热到600℃即第二温度，稳定温度60秒，升温速率20℃/秒；
4）第三升温阶段9，将SiC晶片2作第三次升温，由600℃升温加热到900℃即第三温度，升温速率150℃/秒；
5）第四升温阶段10、退火阶段11，将SiC晶片2作第四次升温，由900℃升温加热到1000℃即第四温度，保温180秒，升温速率20℃/秒，进行退火使SiC晶片2维持在第四温度；
6）降温阶段12，将SiC晶片2由1000℃降温到室温，降温速率20℃/秒。
所述的将碳化硅晶片加热到第一温度，升温速率不大于5℃/秒，进行保持温度步骤。这一步骤能使碳化硅晶片表面附着的水分充分蒸发，防止在快速退火过程中形成氧化物，影响欧姆接触性能。在温度较低时由于测温装置的误差较大，第一升温步骤的升温速率不能太快，才能够保证温度的控制精度，减小温度误差。
所述的经过第二升温步骤，升温速率不大于20℃/秒，碳化硅晶片加热到第二温度，进行稳定温度步骤。这一步骤的作用是稳定温度，提高快速热处理装置的温度控制精度。第二温度设定为不大于600℃，在这一温度金属-碳化硅不会反应形成金属硅化物，在第二温度稳定温度不会影响欧姆接触的形成。
所述的经过第三升温步骤和第四升温步骤，碳化硅晶片达到第四温度进行退火步骤。在此过程中，升温速率越快，欧姆接触电阻越小。但升温速率太快会使导致温度控制精度下降，峰值热处理温度（第四温度）控制不精确会使托盘变形，导致碳化硅受热不均匀，欧姆接触不一致，影响器件可靠性和成品率。在本发明所述的金属-碳化硅欧姆接触快速退火方法中，将升温过程分成两个步骤，第三升温步骤作用是快速升温，升温速率不小于100℃/秒，在这一步骤中升温速率越快，欧姆接触性能越好；在第四升温步骤中降低升温速率，升温速率不大于20℃/秒，作用是提高设备的温度控制精度，减小第四温度的控制误差。针对不同厚度和大小的托盘，通过改变第三升温步骤，第四升温步骤的升温速率和第三温度的设定值，能够得到优化程序使升温速率足够快，又保证峰值热处理温度的控制精度。
所述的进行降温步骤，将碳化硅晶片由第四温度降温到室温，降温速率不小于20℃/秒。在此步骤中，降温速率太快会加大退火工艺的成本，降温速率太慢会影响快速退火的效果，因此选择一个合适的降温速率是快速退火中的问题。
Claims (2)
1.一种金属-碳化硅欧姆接触快速退火方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1）将SiC晶片放在Si片托盘上，然后置入快速热处理装置，将待快速退火的SiC晶片置于Si片托盘上，接着放入快速热处理装置中，快速退火装置的加热面在SiC晶片上方，测温装置在Si片托盘下方，同时充入保护气体Ar；
2）第一升温阶段、保持温度阶段，将SiC晶片作第一次升温，加热到第一温度200℃-300℃，保持温度60-180秒，升温速率5℃/秒-10℃/秒；
3）第二升温阶段，稳定温度阶段，将SiC晶片作第二次升温，由第一温度升温加热到第二温度550℃-600℃，稳定温度30秒，升温速率10℃/秒-20℃/秒；
4）第三升温阶段，将SiC晶片作第三次升温，由第二温度升温加热到第三温度850℃-900℃，升温速率100℃/秒-150℃/秒；
5）第四升温阶段和退火阶段，将SiC晶片作第四次升温，由第三温度升温加热到第四温度950℃-1000℃，升温速率10℃/秒-30℃/秒，进行退火使SiC晶片维持在第四温度，退火时间不小于100秒；
6）降温阶段，将SiC晶片由第四温度降温到室温，降温速率10℃/秒-20℃/秒；
所述的Si片托盘厚度在300微米-700微米，Si片形状为圆形，Si片直径大于SiC晶片直径。
2.根据权利要求1所述的一种金属-碳化硅欧姆接触快速退火方法，其特征是快速热处理装置采用灯光辐射为热源，单面加热，单点测温。
3. 根据权利要求1所述的一种金属-碳化硅欧姆接触快速退火方法，其特征是碳化硅晶片的类型包括6H-SiC，4H-SiC。
4. 根据权利要求3所述的一种金属-碳化硅欧姆接触快速退火方法，其特征是碳化硅晶片的类型包括碳化硅衬底和在碳化硅衬底上生长了的一层或多层碳化硅薄膜的外延片。
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