CN104538439A - 一种耐高温欧姆接触电极结构及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐高温欧姆接触电极结构及其加工方法,该电极结构自上而下包括:金导电层6,铂粘附层5,氮化钛阻挡层4,钛粘附层3,二硅化钛2/硅欧姆接触。使用硅化物自对准技术制备二硅化钛/硅欧姆接触,该接触有良好的热稳定性,能够在500℃保持良好的欧姆特性;使用反应磁控溅射生长氮化钛层,能够在高温环境中有效阻挡各层金属之间的相互扩散。本发明提供一种耐高温欧姆接触电极结构及其加工方法,解决传统的硅基传感器的电极难以在高温环境中长期工作的问题。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械加工领域,尤其涉及一种耐高温欧姆接触电极结构及其加工方法。
背景技术
基于微电子机械加工技术制造的耐高温传感器在航空航天、工业生产等高温极端环境中有非常广泛的应用。制约硅基传感器最高工作温度的一个重要因素是传统的电极结构难以在高温环境中长期保持稳定的、低电阻率的状态。例如传统的硅/铝,硅/铬/金,硅/钛/金,硅/钛/铂/金等电极结构在400℃~500℃以上的环境中长期工作时电极的电阻会因为各层材料之间的扩散而明显升高。
为了提高电极在高温环境中工作的稳定性可以采用多层金属电极结构实现粘附、阻挡等功能。氮化钛具有良好的热稳定性,能够在高温环境中阻挡金属之间的相互扩散,而且氮化钛的电阻率低,化学稳定性好,是一种理想的阻挡层材料。二硅化钛和硅衬底之间的欧姆接触不仅具有较低的比接触电阻率而且具有良好的热稳定性和化学稳定性,是良好的接触互连材料。
发明内容
本发明的目的在于,提供一种耐高温欧姆接触电极结构及其加工方法,解决传统的硅基传感器的电极难以在高温环境中长期工作的问题。
本发明提供了一种耐高温欧姆接触电极结构及其加工方法,所述电极结构自上而下包括:金导电层,铂粘附层,氮化钛阻挡层,钛粘附层,二硅化钛/硅欧姆接触。所述加工方法包括:衬底重掺杂加工步骤:采用SOI单晶硅圆片作为基片,对基片上准备制作欧姆接触的区域进行重掺杂;欧姆接触层加工步骤:在基片表面重掺杂的区域以自对准的方式生长二硅化钛/硅欧姆接触层;多层电极结构加工步骤:在欧姆接触上溅射多层金属,形成耐高温欧姆接触电极结构。
上述耐高温欧姆接触电极的加工方法,优选衬底重掺杂加工步骤包括:选取N型(100)单面抛光的SOI单晶硅圆片,在器件层表面进行P型重掺杂并激活。
上述耐高温欧姆接触电极的加工方法,优选欧姆接触层加工步骤包括:在所述SOI单晶硅圆片的表面溅射钛,对所述圆片进行第一次低温快速热退火,使用专门的腐蚀液有选择地腐蚀掉剩余的钛而不腐蚀生成的硅化钛,对圆片进行第二次高温快速热退火,得到低电阻率的二硅化钛/硅欧姆接触。
上述耐高温欧姆接触电极的加工方法,优选多层电极结构加工步骤包括:用磁控溅射的方法在基片表面依次溅射钛层,氮化钛层,铂层,金层,用剥离的方法图形化所述金属层,形成多层电极图形,在保护性气氛中合金化。
相对于现有技术,本发明具有如下优点:
第一,使用硅化物自对准技术制备硅/二硅化钛欧姆接触,该接触有良好的热稳定性,能够在500℃保持良好的欧姆特性;
第二,使用反应磁控溅射生长氮化钛层,能够在高温环境中有效阻挡各层金属之间的相互扩散;
第三,使用SOI单晶硅圆片加工测试结构,以氧化硅隔离硅电阻,并在高温环境中进行测试。
附图说明:
图1为本发明中耐高温欧姆接触电极结构框图;
图2为本发明中的耐高温欧姆接触电极的测试图形;
图3为本发明中耐高温欧姆接触电极及测试结构的加工步骤;
图4为本发明中耐高温欧姆接触电极及测试结构的伏安特性曲线。
具体实施方式:
为使本发明的上述目的,特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明中耐高温欧姆接触电极结构框图,下面结合图1具体进行说明。
如图1所示,在表面重掺杂的单晶硅圆片1上,经过溅射、第一次低温快速热退火、选择腐蚀、第二次高温快速热退火加工出硅/二硅化钛欧姆接触2,溅射多层电极结构:钛层3,氮化钛层4,铂层5,金层6。
图2为本发明中的耐高温欧姆接触电极的测试图形。下面结合图2具体进行说明。
根据传输线模型法设计图2所示的测量高温环境中欧姆接触比接触电阻率和伏安特性的测试图形。7为本发明加工的耐高温欧姆接触电极。在与周围环境绝缘的条形半导体材料上制备不等距的长方形欧姆接触电极7,长为W,宽为L,不等间距为Dn,分别在不同距离Dn的长方形电极间通恒定电流I,测出相应的电压V并求得总电阻R,以Dn为横轴R为纵轴用作图法将测试点连成一条直线,通过读取直线的斜率和截距计算出比接触电阻率。如果在不同距离Dn的长方形电极间施加不同的电压测量电流就可以得到伏安特性曲线。
图3为本发明中耐高温欧姆接触电极及测试结构的加工步骤。下面结合图3具体进行说明。
如图3(a)所示,选取SOI单晶硅圆片为基片加工所述耐高温欧姆接触电极的测试结构,SOI圆片的器件层8为N(100)单晶硅,埋氧层9厚度为衬底层10厚度为525um。
如图3(b)所示,进行P型重掺杂并退火,刻蚀基片的器件层形成电阻11。
如图3(c)所示,用低压化学气相淀积的方法在基片表面淀积二氧化硅钝化层12,厚度以为宜,电阻11被二氧化硅钝化层12和SOI片的埋氧层9包裹隔离起来,消除高温时的漏电流。
如图3(d)所示,用湿法腐蚀的方法去掉欧姆接触区域表面的二氧化硅露出器件层的硅13,二氧化硅腐蚀剂为缓冲氢氟酸。
如图3(e)所示,向圆片表面溅射钛层在氮气的气氛中进行第一次快速热退火,温度条件为600~700℃,时间为15~100秒,此时硅与钛反应形成的是电阻率较高的亚稳态的硅化钛。使用质量分数为30%的H2O2或者RCA2清洗液(HCl∶H2O2∶H2O=1∶1∶5)作为腐蚀液有选择地腐蚀圆片表面未反应的钛而不腐蚀硅化钛。在氮气的气氛中进行第二次快速热退火,温度条件为800~900℃,时间为15~100秒,此时电阻率较高的亚稳态的硅化钛完全转变为电阻率较低的二硅化钛2,用四探针仪在室温环境中测量薄膜的电阻率约为10-5Ω·cm。
如图3(f)所示,在圆片表面依次溅射钛层3,氮化钛层4,铂层5,金层6。钛层3起到粘附的作用,厚度以为宜;氮化钛阻挡层4是所述电极中的关键结构,如果薄膜的厚度不够难以达到阻挡效果,如果薄膜厚度过厚在多层结构中的应力过大,根据不同器件工作性能的要求,氮化钛薄膜的厚度以为宜;铂层5起到粘附的作用,厚度以为宜;表面的金层6为导电层,为了便于引线键合厚度以为宜。用剥离的方法图形化所述多层耐高温欧姆接触电极。在氮气的保护下,在320℃~450℃进行合金化。
由于钛表面非常容易氧化,如果溅射台的反应腔中混入氧气不仅会影响电极的电阻率,而且也会影响氮化钛的高温阻挡效果,因此最好使用多靶材溅射台一次性溅射多层金属而不是溅射过程中频繁打开反应腔更换靶材。所述氮化钛层的溅射工艺条件为:反应室的本底真空度是4.4×10-4Pa,工作气体为纯氩气(纯度99.99%)和纯氮气(纯度99.99%),工作气压为1Pa,氩气与氮气的气流速率比为18sccm∶2sccm;钛靶的直径是38.2mm(纯度99.99%),靶与基底的距离是8~10cm,溅射功率500W。在此条件下氮化钛的溅射速率为
图4所示为在500℃的环境中加热1小时后测试的伏安特性曲线,可见线性良好,表明该电极结构在高温环境中能保持良好的欧姆特性。
以上对本发明所提供的一种耐高温欧姆接触电极结构及其加工方法进行了详细介绍,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,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种耐高温欧姆接触电极结构及其加工方法,电极包括自上而下的金层,铂层,氮化钛层,钛层,二硅化钛层,衬底材料为重掺杂的硅衬底,其特征在于,所述电极结构自上而下依次为导电层,粘附层,阻挡层,粘附层,欧姆接触层,衬底层。
2.根据权利要求1所述的耐高温欧姆接触电极结构的加工方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
衬底重掺杂加工步骤:采用单晶硅圆片作为基片,对基片上准备制作欧姆接触的区域进行重掺杂;
欧姆接触层加工步骤:在基片表面的重掺杂区域以自对准的方式生长硅/二硅化钛欧姆接触;
多层电极结构加工步骤:在欧姆接触上溅射金属层,形成耐高温欧姆接触电极结构。
3.根据权利要求2所述的衬底重掺杂加工步骤,其特征在于所述加工方法包括:对基片上准备制作欧姆接触的区域进行硼离子注入形成重掺杂区域,对基片进行快速热退火处理。
4.根据权利要求2所述的欧姆接触层加工步骤,其特征在于所述加工方法包括:在所述重掺杂的硅衬底上溅射钛,进行第一次低温快速热退火,钛与硅反应生成亚稳态的硅化钛,用专门的腐蚀液有选择地腐蚀掉表面未参与反应的钛而不腐蚀生成的硅化钛,进行第二次高温快速热退火,形成稳定的、低电阻率的二硅化钛。
5.根据权利要求2所述的多层电极结构加工步骤,其特征在于所述加工方法包括:用磁控溅射的方法依次在基片表面溅射钛层,氮化钛层,铂层,金层,用剥离的方法图形化所述金属层,形成电极图形,在保护性气氛中合金化。
6.根据权利要求1所述的多层电极结构,设计专门的测试结构,其特征在于所述结构包括:使用SOI单晶硅圆片加工多层电极、电阻结构,以氧化硅隔离硅电阻,并在高温环境中进行测试。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150422 |