CN103094073B - 半绝缘碳化硅衬底钛欧姆接触电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半绝缘碳化硅衬底钛欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：准备4H-SiC衬底；使用真空磁控溅射设备，将Ti电极薄膜通过磁控溅射设备沉积在所述4H-SiC衬底上，形成钛电极；将所述钛电极紧贴退火炉支撑Si托进行退火热处理，实现Si、Ti、SiC组份渐变的合金化合物电极；在所述Si、Ti、SiC组份渐变的合金化合物电极外侧渡一层Au作为电极保护；在电极与电极之间设置SiO2绝缘层。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体元器件的制备方法，尤其涉及一种半导体电极的制备方法，更具体的说，是一种半绝缘碳化硅衬底钛欧姆接触电极的其制备方法，属于半导体电极技术领域。
背景技术
在半导体产业中，Si材料作为占据统治地位的半导体器件已经发展了近半个世纪。随着科学技术的发展以及人们对微电子器件性能的追求，使得半导体器件的特征尺寸不断缩小，单个晶体管尺寸逐渐达到了物理和技术的双重极限，以传统Si作为沟道材料的CMOS器件的迁移率相对性能要求越来越低，已经无法满足半导体器件性能不断提升的要求。人们正在加紧寻找新型方法和材料，以保持微电子器件快速更新换代的步伐。目前，以砷化镓（GaAs）磷化铟（InP）等为代表的第二代半导体不断向Si材料提出挑战，并广泛应用于卫星通信、光通信、GPS导航等领域，提高了器件和电路的速度。而且6英寸GaAs已经商业化生产，8英寸也已试验成功。但是，仍然满足不了现在高端技术和军工发展的大功率、高频、热稳定等要求。新型半导体材料的研究和突破，常常导致新的技术革命和新兴产业的发展，以碳化硅为代表的第三代半导体材料，是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表)和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表)之后，在近10年发展起来的新型宽带半导体材料，具有大的禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿电场强度、高热导率、抗辐射能力强等优良的物理化学特性和电学特性，在高温、高频率、大功率、抗辐射、不挥发存储器件 及短波长光电子器件和光电集成等应用场合是理想的半导体材料之一，特别是在极端条件和恶劣环境下应用，SiC器件的性能远远超过Si器件和GaAs器件。
而半绝缘碳化硅材料是碳化硅材料的一种，是指净载流子浓度非常低的半导体材料。目前，主要有三种获取半绝缘碳化硅的途径：
a）高纯碳化硅。缺点：制作难度极高，技术获取困难，成本极高。b）受主杂质与施主杂质精确互补偿，工艺复杂，目前使用较少。c）两性深能级杂质补偿。这一方法是目前主要使用的方法，对于钒掺杂的半绝缘SiC晶圆，钒在SiC中是两性的深能级杂质，在p型4H-SiC中，钒作为施主杂质，产生一个位于禁带中央附近的深施主能级，大约在导带下1.6eV处；在n型4H-SiC中钒是受主杂质,受主能级位于导带下0.8eV处。它们作为深补偿能级，可以补偿多余的空穴或束缚自由电子，得到常温下近似绝缘的SiC材料。掺钒引入了位于禁带中央附近的深杂质能级。费米能级被钉扎在钒施主或受主能级，位于禁带中央附近，分别距离导带底1.6eV或0.8eV，因此载流子至少需要穿过0.8eV的势垒高度，很难形成低电阻的欧姆接触；对高纯半绝缘晶体，其费米能级被本征缺陷能级钉扎于禁带中央。要克服费米能级被能级钉扎的问题，在半绝缘SiC衬底材料和欧姆接触金属之间形成高掺杂SiC层是解决形成良好欧姆接触最好的方法之一。以半绝缘SiC材料为衬底，利用SiC在CVD同质外延过程中的原位气相掺杂技术，开发SiC的选择性外延生长和掺杂技术，实现掺杂浓度在1018cm-3以上的选择性同质外延生长，是目前获得良好性能的欧姆接触广泛应用的一种技术。但是使用CVD外延方法获得高掺杂n型或p型外延层将大大增加了生产成本。为减少制造半导体器件工艺流程，降低成本，亟需有一种可以直接在半绝缘碳化硅上实现低阻良好欧姆接触的技术。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：使用CVD外延方法获得高掺杂n型或p型外延层将大大增加了生产成本。为减少制造半导体器件工艺流程，降低成本，亟需有一种可以直接在半绝缘碳化硅上实现低阻良好欧姆接触的技术。
本发明采取以下技术方案：
一种半绝缘碳化硅衬底钛欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：
a）准备4H-SiC衬底；
b）使用真空磁控溅射设备，将Ti电极薄膜通过磁控溅射设备沉积在所述4H-SiC衬底上，形成钛电极；
c）将所述钛电极紧贴退火炉支撑Si托进行退火热处理，实现Si、Ti、SiC组份渐变的合金化合物电极；
d）在所述Si、Ti、SiC组份渐变的合金化合物电极外侧渡一层Au作为电极保护；
e）在电极与电极之间淀积SiO2绝缘层。
进一步的，所述钛电极由真空磁控溅射沉积法制备，其温度为250-350℃，压强为0.45Pa，膜厚为100-140纳米，以高纯度的Ar为载气。
进一步的，所述退火热处理的工艺参数包括：7s温度上升到900-1100℃，保持3min，30s降温至30℃，所处理在Ar载气中，量级比接触电阻率为10-6Ω·cm2。
更进一步的，所述Ti电极薄膜的厚度通过溅射时间、溅射功率、溅射 载气流量进行控制；通过调整溅射温度、压强、衬底旋转速率控制Ti电极薄膜的质量。
本发明的特点是：通过使用半绝缘4H-SiC衬底，使用真空磁控溅射设备，将Ti电极薄膜通过压强沉积室沉积在4H-SiC衬底上，再使Ti电极紧贴在高温快速退火炉的Si支撑托上进行退火热处理后，实现Si、Ti、SiC组份渐变的合金化合物电极，再在Si、Ti、SiC组份渐变的合金化合物电极外侧渡一层Au作为电极保护，最后在电极与电极之间设置SiO2绝缘层，实现了一种可以直接在半绝缘碳化硅上实现低阻良好欧姆接触的技术。
其中难点是在半绝缘碳化硅衬底上实现了低阻的欧姆接触，创新点在于电极面对硅托快速热处理，能实现良好的低阻欧姆接触。
本发明的有益效果在于：
1）通过控制衬底清洗工艺，引入RIE Ar高能离子粗糙衬底表面，来降低金属半导体接触势垒高度，减小耗尽层宽度。
2）采用超高真空磁控溅射设备制备Ti金属电极，使金属电极面紧贴热处理设备的Si支撑托，制备出了比接触电阻率稳定在10-6Ω·cm2量级的良好欧姆接触。
3）不用使用CVD等设备外延高掺杂浓度的n型或p型SiC外延层，减少了半导体工艺流程，提高成品率，降低生产成本。
4）本发明制备的低阻欧姆接触电极，达到大功率、高频、高热导率器件的苛刻要求。
附图说明
图1是Ti与4H-SiC欧姆接触的结构以及部分的制备流程示意图。
图2是Ti与4H-SiC欧姆接触的结构以及其余部分的制备流程示意图。
图3是实施例中Ti与4H-SiC欧姆接触电极台阶仪照片示意图。
图4是实施例中Ti与4H-SiC欧姆接触I-V特性示意图。
图5是实施例中Ti与4H-SiC欧姆接触RTotal-L特性示意图。
图6是实施例中Ti与4H-SiC欧姆接触的XPS照片。
图7是实施例中显示A部位的Ti与4H-SiC欧姆接触的EDS照片。
图8是实施例中显示B部位的Ti与4H-SiC欧姆接触的EDS照片。
图9是实施例中显示C部位的Ti与4H-SiC欧姆接触的EDS照片。
图10是实施例中显示D部位的Ti与4H-SiC欧姆接触的EDS照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步说明。
参见图1-图2，步骤s101，准备SiC晶圆片作为衬底，直径3英寸、双面抛光，碳面CMP；
步骤s102，制备钛薄膜电极,即使用超高真空磁控溅射设备，直流靶位，80W，300℃，3600s，Ar气流量9sccm,，沉积室压强0.45Pa，衬底转速20r/min，沉积一层钛电极薄膜，厚度控制在100～140nm。
步骤s103，步骤s104，高温快速热处理：制备好的钛电极紧贴快速退火炉Si支撑托，1000℃，3min，Ar气氛快速热处理，实现Si，Ti，SiC组份渐变的合金化合物电极。
步骤s105，Au保护电极，即使用小型离子溅射仪镀一层15nm的Au保护电极。
步骤s106，SiO2绝缘层，即在电极之间淀积SiO2绝缘层。
图3为Ti/4H-SiC欧姆接触电极光学显微镜照片及台阶仪照片，可以看出电极表面光滑，台阶较为明显。高温快速退火以后，表面粗糙度（Rms） 为1.9nm±0.2，满足要求。图4中Ti/4H-SiC I-V特性可以看出，I-V线性特性明显，欧姆特性良好，图5中Ti与4H-SiC欧姆接触RTotal-L特性示意图可以看出，RTota-L线性特征也明显，也表明欧姆接触性能良好。结合图7-图10以及下表，表征了接触界面元素的梯度渐变，对碳、硅、钛三种元素的含量分布进行分析。
本发明公开的一种基于半绝缘碳化硅衬底钛欧姆接触的制备方法，通过控制衬底清洗工艺，引入RIE Ar高能离子粗糙衬底表面，来降低金属半导体接触势垒高度，减小耗尽层宽度。采用超高真空磁控溅射设备制备Ti金属电极，使金属电极面紧贴热处理设备Si支撑托，制备出了比接触电阻率稳定在10-6Ω·cm2量级的良好欧姆接触。该发明不用使用CVD等设备外延高掺杂浓度的n型或p型SiC外延层，减少了半导体工艺流程，提高成品率，降低生产成本。本发明制备的低阻欧姆接触，达到今后大功率、高频、高热导率器件的苛刻要求。
Claims (3)
1.一种半绝缘碳化硅衬底钛欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)准备4H-SiC衬底；
b)使用真空磁控溅射设备，Ti电极薄膜通过磁控溅射设备沉积在所述4H-SiC衬底上，形成钛电极；
c)将所述钛电极紧贴退火炉支撑Si托进行退火热处理，实现Si、Ti、SiC组份渐变的合金化合物电极；所述退火热处理的工艺参数包括：7s温度上升到900-1100℃，保持3min，30s降温至30℃，所处理在Ar载气氛中，量级比接触电阻率为10-6Ω·cm2；
d)在所述Si、Ti、SiC组份渐变的合金化合物电极外侧渡一层Au作为电极保护；
e)在电极与电极之间淀积SiO2绝缘层。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述钛电极由真空磁控溅射沉积法制备，其温度为250-350℃，压强为0.45Pa，膜厚为100-140纳米，以高纯度的Ar为载气。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述Ti电极薄膜的厚度通过溅射时间、溅射功率、溅射载气流量进行控制；通过调整溅射温度、压强、衬底旋转速率控制Ti电极薄膜的质量。
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