CN104393031B - 一种插入层复合结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种插入层复合结构及其制作方法，涉及宽禁带材料欧姆接触形成技术领域，解决了现有技术中欧姆接触电阻率测量可重复性差、器件稳定性不强以及在宽禁带半导体材料上欧姆接触形成难、欧姆接触电阻率高的问题。所述插入层复合结构位于SiC衬底与金属盖层之间，包括采用特殊材料形成的电流输运层和特定元素组分配比的欧姆接触金属层；所述电流输运层位于SiC衬底之上，所述欧姆接触金属层位于电流输运层之上；所述插入层复合结构由所述欧姆接触金属层通过合金退火方式形成的特定化学成分配比的碳化物和硅化物扩散进入所述电流输运层混合而成。本发明适用于在宽禁带半导体材料上同时形成P型和N型欧姆接触，或者单独形成P型或N型欧姆接触。
Description
技术领域
本发明涉及宽禁带材料欧姆接触形成技术领域，尤其涉及一种插入层复合结构及其制作方法。
背景技术
宽禁带碳化硅（SiC）材料的良好欧姆接触质量的获得是实现SiC器件高温、高压、高频及大功率应用的关键因素。特别是对于SiC金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）器件，要求在n+源区和p阱区域同时形成欧姆接触，为保证MOSFET栅氧层表面的质量，对欧姆接触金属体系的要求、合金退火条件的要求都非常高；同时，受高温激活退火及合金退火等因素的影响，接触表面形貌及界面微结构的质量对欧姆接触的质量也造成很大影响，要同时形成良好的、低欧姆接触电阻率的、可重复性高的P型和N型SiC材料欧姆接触仍然是一个相当大的挑战。
目前，受欧姆金属体系材料、组分、厚度的选择、合金条件差异、衬底浓度、界面微结构及表面形貌的影响，国内外报道的欧姆接触比接触电阻率的结果参差不齐，且可重复性差。国内外已在SiC材料上同时形成pn欧姆接触展开了一系列研究，一般处于（10-4-10-6）cm2量级，具体如下表所示：
虽然，在SiC材料上同时形成pn欧姆接触的研究取得了一定的进展，但主要的研究方向还是集中在同时形成、降低欧姆接触电阻率方面，因此，对欧姆金属的组分、厚度和合金退火条件的要求就比较苛刻，且对工艺优化试验的依赖性很大。在相同条件下，不一定可以获得可重复的结果。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：
要形成良好欧姆接触，不仅欧姆接触金属层的选择，各金属层的比例有严格要求，而且整个欧姆接触金属体系的厚度不宜超过400nm，有些更为严厉，总厚度限制在200nm左右。总体来说，欧姆接触金属总厚度200nm~400nm为最适宜。然而，金属太薄的话，电流扩展性不好，使欧姆接触电阻率测量的可重复性变差，器件稳定性不强，且在宽禁带半导体材料上不可能同时形成较低的欧姆接触电阻率。
发明内容
本发明提供一种插入层复合结构及其制作方法，能够提高欧姆接触电阻率测量的可重复性和器件的稳定性，且在宽禁带半导体材料上能同时形成较低的欧姆接触电阻率。
为达到上述目的，本发明提供一种插入层复合结构，所述插入层复合结构位于SiC衬底与金属盖层之间，包括采用特殊材料形成的电流输运层和特定元素组分配比的欧姆接触金属层；所述电流输运层位于SiC衬底之上，所述欧姆接触金属层位于电流输运层之上；所述插入层复合结构由所述欧姆接触金属层通过合金退火方式形成的特定化学成分配比的碳化物和硅化物扩散进入所述电流输运层混合而成。
本发明还提供一种上述插入层复合结构的制作方法，包括：
清洗P型和N型SiC衬底；
干燥SiC衬底；
在SiC衬底上制备用于台面刻蚀的掩膜；
对SiC衬底进行台面刻蚀；
对SiC衬底进行表面处理，活化表面性能；
制作电流输运层；
在经过氮气氛围退火的ITO薄膜上，进行匀胶光刻，形成金属剥离图形；
在经过氮气氛围退火的ITO薄膜上，制作欧姆接触金属；
剥离沉积在光刻胶上的欧姆接触金属；
在蒸发欧姆接触金属层的SiC衬底上溅射Pt/Ni盖层金属；
对所有淀积膜进行加温；
高温合金退火，形成插入层复合结构。
本发明提供的插入层复合结构及其制作方法，由于采用了插入层复合结构，而不是金属与SiC衬底直接接触，提高了载流子浓度，使电流输运均匀化，有效调节了接触势垒高度，增加了载流子隧穿机率，同时实现P型和N型SiC材料欧姆接触；所述插入层复合结构的制作步骤简单，可重复性高，所以工艺条件、受衬底浓度、界面微结构及表面形貌的影响小，可以采用简单易实现的制作方法同时实现P型和N型SiC材料欧姆接触，降低欧姆接触比接触电阻率，获得的欧姆接触电阻率可重复性高，器件的稳定性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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它的附图。
图1为本发明实施例提供的插入层复合结构的示意图；
图2是本发明实施例提供的插入层复合结构的制作方法流程图；
图3a是本发明实施例提供的在不同合金条件下采用所述插入层复合结构的制作方法得到的一种I-V电学特性图；
图3b是本发明实施例提供的在不同合金条件下采用所述插入层复合结构的制作方法得到的另一种I-V电学特性图。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提供一种插入层复合结构，如图1所示，所述插入层复合结构位于SiC衬底1与金属盖层4之间，包括采用特殊材料形成的电流输运层2和特定元素组分配比的欧姆接触金属层3；所述电流输运层2位于SiC衬底1之上，所述欧姆接触金属层3位于电流输运层2之上；所述插入层复合结构由所述欧姆接触金属层3通过合金退火方式形成的特定化学成分配比的碳化物和硅化物扩散进入所述电流输运层2混合而成。
所述插入层复合结构可提高载流子浓度，使电流输运均匀化，有效调节接触势垒高度，增加载流子隧穿机率，同时实现P型和N型SiC材料欧姆接触。
可选地，所述电流输运层2采用电流导电性良好、低电阻率、禁带宽度大、具有很高载流子浓度、合金退火过程中金属合金在其中易于扩散的特殊材料。
优选地，所述电流输运层2采用的材料的禁带宽度大于或等于SiC的禁带宽度。
可选地，所述电流输运层2采用电阻率低至10-5Ω cm2、禁带宽度大于或等于3.54eV的ITO（铟锡氧化物）薄膜形成。
可选地，所述电流输运层2通过电子束蒸发或者溅射的方式形成，形成温度为350℃~400℃。
可选地，所述ITO薄膜为通过氧空位和Sn掺杂取代形成的高度简并的半导体材料，具有很高的载流子浓度。
优选地，所述ITO薄膜的厚度范围为80nm~100nm。
可选地，蒸发或者溅射特定厚度的ITO薄膜后，需要经过600℃~700℃，氮气氛围退火，以增加其与SiC衬底的黏糊性和接触性能。
可选地，所述特定元素组分配比的欧姆接触金属层3包括Ti、Al、Ni和Pt元素；其中，Ti/Al体系中Al原子百分比为70%~80%，Ni/Ti/Al体系中Ni和Al原子百分比均为40%~50%。
可选地，所述通过合金退火方式形成的特定化学成分配比的碳化物和硅化物为Ti、Si、C三元化合物，Al、C二元化合物和Ni、Si二元化合物的混合层结构。
可选地，所述Ti、Si、C三元化合物中，Ti原子的分数大于等于3且小于等于4，Si原子的分数为1，C原子的分数为2；所述Al、C二元化合物中Al原子的分数为4，C原子的分数为3；所述Ni、Si二元化合物中Ni原子的分数为大于等于2，Ni原子的分数为1。
本发明实施例提供的插入层复合结构，由于采用了插入层复合结构，而不是金属与SiC衬底直接接触，提高了载流子浓度，使电流输运均匀化，有效调节了接触势垒高度，增加了载流子隧穿机率，同时实现P型和N型SiC材料欧姆接触；插入采用特殊材料形成的电流输运层，电流导电性良好，避免了欧姆接触金属层太薄，电流扩展性不好问题，使测量的欧姆接触电阻率可重复性提高，器件稳定性增强，且在宽禁带半导体材料上能同时形成较低的欧姆接触电阻率。
基于图1所示的插入层复合结构，本发明实施例提供一种插入层复合结构的制作方法。该插入层复合结构是通过蒸发电流输运层和欧姆接触金属化系统，采用淀积膜加温方法和高温合金退火方法相结合形成的。如图2所示，所述插入层复合结构的制作方法包括：
S101：清洗P型和N型SiC衬底；
具体地，使用丙酮、乙醇、去离子水依次冲洗SiC衬底表面，并用氮气吹干；其中所述P型SiC衬底从上到下有三个区域，从上到下依次为N+区、N-区和P+区；所述N型SiC衬底从上到下有两个区域，从上到下依次为N-区和N+区。
S102：干燥SiC衬底；
具体地，将SiC衬底放入120℃的烘箱中，在氮气氛围下烘10分钟。
S103：在SiC衬底上制备用于台面刻蚀的掩膜；
具体地，在SiC衬底表面涂敷厚度3μm的9920光刻胶作为台面刻蚀的掩膜，然后对光刻胶进行光刻形成台面隔离的图形。
S104：对SiC衬底进行台面刻蚀；
具体地，以形成的台面隔离的图形为掩模，对SiC衬底进行ICP（InductivelyCoupled Plasma，感应耦合等离子体）干法刻蚀，对于P型SiC衬底刻蚀至SiC衬底的N-区，SiC衬底的P+区完全刻透；对于N型SiC衬底刻蚀至SiC衬底的N-区，SiC衬底的N+区完全刻透。
S105：对SiC衬底进行表面处理，活化表面性能；
具体地，采用体积比为1:10的HF和H2O的溶液腐蚀30秒，并用氮气吹干。从而有利于形成插入层。
S106：制作电流输运层；
具体地，在进行了表面处理的SiC衬底上，采用ITO蒸发设备，把衬底温度加热到350℃~400℃，进行ITO薄膜蒸发，其厚度为80nm~100nm；蒸发完成后，再使ITO薄膜经过600℃~700℃，氮气氛围退火。
S107：在经过氮气氛围退火的ITO薄膜上，进行匀胶光刻，形成金属剥离图形；
具体地，使用AZ5214E光刻胶，在刻蚀后的SiC衬底表面涂敷一层厚度为2.2μm的光刻胶，然后进行光刻显影。
S108：在经过氮气氛围退火的ITO薄膜上，制作欧姆接触金属；
具体地，在经过氮气氛围退火的ITO薄膜上，使用蒸发台，蒸发欧姆接触金属层，其总厚度为190nm~400nm。
S109：剥离沉积在光刻胶上的欧姆接触金属；
具体地，将蒸发完欧姆接触金属膜的SiC衬底浸没在丙酮溶液中，浸泡20分钟，然后在超声容器内超声3分钟，再将SiC衬底取出放入无水乙醇溶液中，超声3分钟，再用去离子水冲洗6遍，最后吹干。
S110：在蒸发欧姆接触金属层的SiC衬底上溅射Pt/Ni盖层金属；
具体地，使用溅射台，溅射Pt/Ni盖层金属膜，其中Ni金属膜的厚度范围为55nm~150nm之间，Pt层金属膜厚度小于Ni层金属厚度。
S111：对所有淀积膜进行加温；
具体地，将具有Pt/Ni盖层金属和欧姆接触金属层的SiC衬底放入高温炉中进行加热，加热温度低于Ti或Al元素与碳化硅发生反应的温度。
S112：高温合金退火，形成插入层复合结构。
具体地，使用高温退火炉，采用高温合金技术进行退火，其中，退火温度为800℃~1000℃之间，时间为2~10分钟。
本发明实施例提供的插入层复合结构的制作方法，是一种改良的欧姆接触形成技术，由于采用了插入层复合结构，而不是金属与SiC衬底直接接触，提高了载流子浓度，使电流输运均匀化，有效调节了接触势垒高度，增加了载流子隧穿机率；所述插入层复合结构的制作步骤简单，可重复性高，所以工艺条件、受衬底浓度、界面微结构及表面形貌的影响小，可以采用简单易实现的制作方法同时实现P型和N型SiC材料欧姆接触，降低欧姆接触比接触电阻率，获得的欧姆接触电阻率可重复性高，器件的稳定性强。
基于图1所示的插入层复合结构和图2所示的插入层复合结构的制作方法，图3a和图3b给出了欧姆接触金属系统为Ni/Ti /Al时，采用不同合金条件下的I-V电学特性图。
图3a和图3b为分别在P型和N型SiC衬底上，在相同工艺条件下，同时蒸发80nm的ITO电流输运层，蒸发Ni (80 nm)/Ti (30 nm)/Al (80 nm)欧姆接触金属层，采用不同合金退火条件得到的I-V电学特性图。在不同合金条件下，基本都可以在P型和N型SiC衬底上，同时形成良好欧姆接触，欧姆接触电阻率可同时达10-5 Ω cm2量级。
其中，图3a和图3b中，850℃、950℃、1000℃分别表示经过850℃、950℃、1000℃退火处理。
在图3a中，曲线1为经过850℃退火处理得到的曲线，曲线2为经过950℃退火处理得到的曲线，曲线3为经过1000℃退火处理得到的曲线，曲线4为直接淀积金属得到的曲线。
当欧姆接触金属系统为Ni/Ti /Al时，在不同合金条件下的插入层复合结构的制作方法主要步骤包括：
（1）针对P型和N型SiC样品，进行严格清洗步骤，并采用烘箱120℃，10min进行烘干；
（2）使用9920光刻胶，2000rpm，制作出3.1um厚光刻胶，作为台面刻蚀的掩膜；
（3）采用ICP刻蚀400s，台面刻蚀深度约0.8um；
（4）采用体积比为1:10的HF和H2O的溶液腐蚀30秒，对SiC衬底进行表面处理，活化表面性能，并用氮气吹干；
（5）采用ITO蒸发设备，把衬底温度加热到350℃~400℃，蒸发80nm ITO薄膜，蒸发完成后，再使ITO薄膜经过600℃~700℃，氮气氛围退火5min；
（6）使用AZ5214E光刻胶，制作出厚度约2.2um的光刻胶剥离层；
（7）使用蒸发台，蒸发Ni/Ti/Al（80/30/80nm）金属膜；
（8）将做完溅射的芯片浸没在丙酮溶液中，浸泡20min，然后在超声容器内超声3min，将芯片取出马上放入无水乙醇溶液中，超声3min，再用去离子水冲洗6遍，最后吹干芯片；
（9）使用溅射台，溅射Ni/Pt（55/45nm）盖层金属膜；
（10）将此淀积膜放入高温炉中加热到650℃，保持10min；
（11）采用高温退火炉，合金条件为950℃，5min；
（12）器件制备完成，进行TLM图形测试分析，I-V特性曲线成线性关系，说明已形成欧姆接触，接触电阻率分别为4.2×10-5 Ω cm2（P型）和7.8×10-5 Ω cm2（N型）。
本发明实施例提供的插入层复合结构及其制作方法，是一种改良的欧姆接触形成技术，对欧姆合金体系的材料、组分、厚度的选择、合金条件、衬底浓度、界面微结构、表面形貌的影响小，对工艺试验依赖小，适用于在宽禁带半导体材料上同时形成P型和N型欧姆接触，或者单独形成P型或单独形成N型欧姆接触。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (18)
1.一种插入层复合结构，其特征在于，所述插入层复合结构位于SiC衬底与金属盖层之间，包括采用特殊材料形成的电流输运层和特定元素组分配比的欧姆接触金属层；所述电流输运层位于SiC衬底之上，所述欧姆接触金属层位于电流输运层之上；所述插入层复合结构由所述欧姆接触金属层通过合金退火方式形成的特定化学成分配比的碳化物和硅化物扩散进入所述电流输运层混合而成；其中，所述电流输运层采用合金退火过程中金属合金在其中易于扩散的材料，所述电流输运层采用的材料的禁带宽度大于或等于SiC的禁带宽度，所述电流输运层采用电阻率低至10-5Ωcm2、禁带宽度大于或等于3.54eV的ITO薄膜形成，所述电流输运层通过电子束蒸发或者溅射的方式形成，形成温度为350℃～400℃。
2.根据权利要求1所述的插入层复合结构，其特征在于，所述ITO薄膜为通过氧空位和Sn掺杂取代形成的高度简并的半导体材料。
3.根据权利要求2所述的插入层复合结构，其特征在于，所述ITO薄膜的厚度范围为80nm～100nm。
4.根据权利要求1所述的插入层复合结构，其特征在于，所述特定元素组分配比的欧姆接触金属层包括Ti、Al、Ni和Pt元素；其中，Ti/Al体系中Al原子百分比为70％～80％，Ni/Ti/Al体系中Ni和Al原子百分比均为40％～50％。
5.根据权利要求1所述的插入层复合结构，其特征在于，所述通过合金退火方式形成的特定化学成分配比的碳化物和硅化物为Ti、Si、C三元化合物，Al、C二元化合物和Ni、Si二元化合物的混合层结构。
6.根据权利要求5所述的插入层复合结构，其特征在于，所述Ti、Si、C三元化合物中，Ti原子的分数大于等于3且小于等于4，Si原子的分数为1，C原子的分数为2；所述Al、C二元化合物中Al原子的分数为4，C原子的分数为3；所述Ni、Si二元化合物中Ni原子的分数为大于等于2，Ni原子的分数为1。
7.一种制作如权利要求1至6中任一项所述的插入层复合结构的方法，其特征在于，包括：
清洗P型和N型SiC衬底；
干燥SiC衬底；
在SiC衬底上制备用于台面刻蚀的掩膜；
对SiC衬底进行台面刻蚀；
对SiC衬底进行表面处理，活化表面性能；
制作电流输运层；
在经过氮气氛围退火的ITO薄膜上，进行匀胶光刻，形成金属剥离图形；
在经过氮气氛围退火的ITO薄膜上，制作欧姆接触金属；
剥离沉积在光刻胶上的欧姆接触金属；
在蒸发欧姆接触金属层的SiC衬底上溅射Pt/Ni盖层金属；
对所有淀积膜进行加温；
高温合金退火，形成插入层复合结构；
其中，所述制作电流输运层包括：
在进行了表面处理的SiC衬底上，采用ITO蒸发设备，把衬底温度加热到350℃～400℃，进行ITO薄膜蒸发，其厚度为80nm～100nm；蒸发完成后，再使ITO薄膜经过600℃～700℃，氮气氛围退火。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述清洗P型和N型SiC衬底包括：
使用丙酮、乙醇、去离子水依次冲洗SiC衬底表面，并用氮气吹干；其中所述P型SiC衬底从上到下有三个区域，从上到下依次为N+区、N-区和P+区；所述N型SiC衬底从上到下有两个区域，从上到下依次为N-区和N+区。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述干燥SiC衬底包括：
将SiC衬底放入120℃的烘箱中，在氮气氛围下烘10分钟。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在SiC衬底上制备用于台面刻蚀的掩膜包括：
在SiC衬底表面涂敷厚度3μm的9920光刻胶作为台面刻蚀的掩膜，然后对光刻胶进行光刻形成台面隔离的图形。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述对SiC衬底进行台面刻蚀包括：
以形成的台面隔离的图形为掩模，对SiC衬底进行感应耦合等离子体干法刻蚀，对于P型SiC衬底刻蚀至SiC衬底的N-区，SiC衬底的P+区完全刻透；对于N型SiC衬底刻蚀至SiC衬底的N-区，SiC衬底的N+区完全刻透。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对SiC衬底进行表面处理，活化表面性能包括：
采用体积比为1:10的HF和H2O的溶液腐蚀30秒，并用氮气吹干。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在经过氮气氛围退火的ITO薄膜上，进行匀胶光刻，形成金属剥离图形包括：
使用AZ5214E光刻胶，在刻蚀后的SiC衬底表面涂敷一层厚度为2.2μm的光刻胶，然后进行光刻显影。
14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在经过氮气氛围退火的ITO薄膜上，制作欧姆接触金属包括：
在经过氮气氛围退火的ITO薄膜上，使用蒸发台，蒸发欧姆接触金属层，其总厚度为190nm～400nm。
15.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述剥离沉积在光刻胶上的欧姆接触金属包括：
将蒸发完欧姆接触金属膜的SiC衬底浸没在丙酮溶液中，浸泡20分钟，然后在超声容器内超声3分钟，再将SiC衬底取出放入无水乙醇溶液中，超声3分钟，再用去离子水冲洗6遍，最后吹干。
16.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在蒸发欧姆接触金属层的SiC衬底上溅射Pt/Ni盖层金属包括：
使用溅射台，溅射Pt/Ni盖层金属膜，其中Ni金属膜的厚度范围为55nm～150nm之间，Pt层金属膜厚度小于Ni层金属厚度。
17.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述对所有淀积膜进行加温包括：
将具有Pt/Ni盖层金属和欧姆接触金属层的SiC衬底放入高温炉中进行加热，加热温度低于Ti或Al元素与碳化硅发生反应的温度。
18.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高温合金退火，形成插入层复合结构包括：
使用高温退火炉，采用高温合金技术进行退火，其中，退火温度为800℃～1000℃之间，时间为2～10分钟。
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