CN104681646A - 碳化硅嵌入式电极平面型光导开关及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅嵌入式电极平面型光导开关及其制作方法，主要解决现有技术中平面型光导开关在相同电极间距下耐压小的问题。该光导开关自下而上为半绝缘碳化硅衬底(1)、致密绝缘氧化层(2)和SiO2钝化层(3)，在半绝缘碳化硅衬底(1)上部两端及其表面上层的致密绝缘氧化层(2)和SiO2钝化层(3)对应位置处开有两个深度均为2～5μm的凹槽(6，7)，一对厚度均为3～7μm的欧姆接触电极(4，5)分别嵌入到这两个凹槽(6，7)中。本发明在相同击穿电压条件下导通电阻更小，耐压性更高，器件尺寸可以进一步减小，可用于高速大功率脉冲系统中。
Description
技术领域
本发明属于微电子领域，尤其涉及一种电极平面型光导开关，可用于高速大功率脉冲系统中的开关。
技术背景
1974年由贝尔实验室的D.H.Auston制备了第一个光导开关，材料采用高阻Si，但Si禁带宽度小，临界击穿场强低，而且存在致命的热崩现象，不能得到高性能的开关；1976年由马里兰大学的H.L.Chi制备了第一个GaAs光导开关，一直到现在都是该领域的热点。随着宽禁带半导体材料制备技术的成熟，SiC以高临界电场和热导率在大功率光导开关方面的研究工作日益增多。
文献“APPLIED PHYSICS LETTERS 82,3107(2003)《4H-SiC photoconductiveswitching devices for use in high-power applications》”介绍了S.Dogan等人研究的环状电极间距为1mm的光导开关。
文献“Pulsed Power Conference(PPC)，201319th IEEE《Performance and characterizationof a 20kV,contact face illuminated,silicon carbide photoconductive semiconductor switch forpulsed power applications》”介绍了Texas Tech University的D.Mauch等人的平面型光导开关，如图4所示，该平面开关结构电极，半绝缘衬底。在这种结构上，光照产生的载流子全面在表面运输，表面的电流密度较大，电子空穴迁移率低，开关的导通电阻大，欧姆电极收集载流子的边缘处极易发生击穿，光导开关很难在工作的情况下耐较高的电压，另外开关器件的尺寸较大。
发明内容
本发明的目的在于避免上述已有技术的不足，提出一种碳化硅嵌入式电极平面型光导开关及其制作方法，以提高耐压能力，减小器件尺寸，减小导通电阻。
为实现上述目的，碳化硅嵌入式电极平面型光导开关，包括一对欧姆接触电极、半绝缘碳化硅衬底、致密绝缘氧化层和钝化层SiO2，该半绝缘碳化硅衬底、致密绝缘氧化层和钝化层SiO2自下而上设置，其特征在于：半绝缘碳化硅衬底上部两端及其表面上层的致密绝缘氧化层和钝化层SiO2的对应位置处开有两个凹槽，一对欧姆接触电极分别嵌入到这两个凹槽中。
为实现上述目的，本发明制作碳化硅嵌入式电极平面型光导开关的方法，包括如下步骤：
(1)对碳化硅半绝缘衬底样片进行清洗；
(2)用磁控溅射铝膜作为刻蚀掩膜层，采用电感耦合等离子刻蚀法在清洗后的样片上进行台面刻蚀形成两个深度均为2～5μm，横向宽度均为2～3mm，纵向长度均为5～10mm凹槽，这两个槽的边缘角均为1/4圆弧；
(3)采用PECVD的方法在刻槽后的碳化硅半绝缘衬底样片表面淀积厚度为2μm的SiO2作为离子注入的阻挡层；
(4)在SiO2阻挡层上涂胶，用光刻版在涂胶后的SiO2阻挡层上刻蚀出对应凹槽位置的窗口图案，并用浓度为5％的HF酸腐蚀掉窗口图案位置下的阻挡层，阻挡层表面所开窗口即为离子注入的窗口，并去胶清洗；
(5)对阻挡层开窗后的样片进行三次磷离子注入，注入的能量分别为150keV、80keV、30keV，注入的剂量分别为0.931×1015cm-2、5.72×1015cm-2、3.4×1015cm-2，使半绝缘碳化硅衬底表面掺杂浓度为2×1020cm-3；
(6)离子注入完成后腐蚀掉样片表面剩余的SiO2阻挡层，清洗样片表面的残留物；
(7)在清洗残留物后的样片表面涂BN310负胶，将该样片置于300～400℃温度环境中加热90分钟进行碳膜溅射；然后在1550～1750℃温度范围内退火10分钟，以在样片表面形成厚度为150nm的良好欧姆接触；再在900～1100℃温度范围内干氧氧化15分钟，以去除表面碳膜；
(8)将去除表面碳膜的样片在900～1100℃温度范围内进行4个小时的干氧氧化，在样片表面形成厚度为15～20nm的致密绝缘氧化层；
(9)用PECVD法在致密绝缘氧化层表面淀积厚度为1～2μm的SiO2钝化层；
(10)在SiO2钝化层上旋涂光刻胶，利用金属层的掩膜版作刻蚀阻挡层；用浓度为5％的HF酸腐蚀10秒，将半绝缘衬底上层对应凹槽位置处的致密绝缘氧化层和SiO2钝化层刻蚀掉，刻蚀出的凹槽窗口区域即为要做金属电极的区域；
(11)在开窗后的样片表面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形；通过磁控溅射在样片的两个凹槽中淀积厚度为80～100nm的金属Ni膜，在Ar气环境中升温至900～1100℃范围，保持10分钟后冷却至室温；
(12)在冷却至室温的样片表面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形；通过磁控溅射法在两个凹槽处淀积厚度为3～7μm的Au金属合金，通过超声波剥离形成金属电极，形成一对横向宽度d为2～3mm，纵向长度W为5～10mm，厚度n为3～7μm的欧姆接触金属电极；再在Ar气环境中升温至450～650℃范围，保持5分钟后冷却至室温，完成碳化硅嵌入式平面型光导开关的制作。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明由于采用嵌入式欧姆接触电极，因而能够有效地将光照产生的载流子进行收集，避免了载流子在电极处的堆积造成局部电场过大导致提前发生击穿；同时由于提高了电极处耐击穿的场强，器件的尺寸可以根据实际应用需求适当减小尺寸，以减小导通电阻；此外由于本发明并没有出现过多的工艺加工步骤，故价格相对便宜且工艺成熟，易于实现。
2.本发明的电极嵌入式平面型光导开关与相同尺寸的平面型光导开关相比，电极边缘处的电场下降一倍，若保持耐压相同，在相同工艺条件下比现有的光导开关的导通电阻小一半。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明制作方法的主要工艺流程示意图；
图4是现有的平面型光导开关剖面示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明的电极嵌入式平面型光导开关，主要由半绝缘SiC衬底1、致密绝缘氧化层2、SiO2钝化层3、一对欧姆接触电极4和5、两个凹槽6和7组成。半绝缘SiC衬底1是在SiC材料中掺入钒原子形成的，掺入的钒原子在半绝缘SiC衬底1中既可以作为施主原子也可以作为受主原子。致密氧化层2淀积在掺钒半绝缘SiC衬底1上面，SiO2钝化层3淀积在致密氧化层2上面，两个凹槽6，7是刻蚀在半绝缘碳化硅衬底1上部两端及其表面上层的致密绝缘氧化层2和SiO2钝化层3对应位置处，每个凹槽的深度均为2～5μm、横向宽度均为2～3mm、纵向宽度均为5～10mm，且边缘角均为1/4圆弧。两个欧姆接触电极4和5分别嵌入在两个凹槽6，7中，该两个欧姆接触电极的边缘角也为1/4圆弧，如图2所示。这两个欧姆接触电极4和5的横向宽度d均为2～3mm，纵向宽度W均为5～10mm，厚度n均为3～7μm。
当入射光照射到碳化硅电极嵌入式平面型光导开关上时，在半绝缘SiC衬底1内产生大量的光生载流子，嵌入在两个凹槽6和7中的一对欧姆接触电极4和5会将产生的光生载流子大量收集起来，使一对欧姆接触电极4和5之间形成电流，开关会在几十个μs时间内导通。
参照图3，本发明的制作方法也给出如下三种实施例：
实施例1，制作凹槽深度均为2μm，SiO2钝化层厚度为1μm，欧姆接触电极厚度为80nm/3μm的嵌入式平面型光导开关。
步骤1：对半绝缘衬底片进行刻蚀。
选用半绝缘SiC衬底样片，采用磁控溅射法在清洗后的样片表面形成铝膜作为刻蚀掩膜层，使用光刻版在形成铝膜的样片表面刻蚀出所需要的图案；将刻蚀出图案的样片清洗后采用电感耦合等离子刻蚀法在其表面进行台面刻蚀，形成两个深度均为2μm，横向宽度均为3mm，纵向宽度均为8mm，边缘角为1/4圆弧的凹槽，如图3a。
步骤2：在形成凹槽的样片表面淀积SiO2。
对刻蚀形成两个凹槽的样片进行清洗，清洗后用PECVD法在样片表面淀积一层厚度为2μm的SiO2作为离子注入的阻挡层，如图3b。
步骤3：对样片进行离子注入。
(3a)在SiO2阻挡层上涂胶，用光刻版在涂胶后的SiO2阻挡层上刻蚀出对应凹槽位置的窗口图案，并用浓度为5％的HF酸腐蚀掉窗口图案下的阻挡层，阻挡层表面所开窗口区域即为离子注入的窗口，该窗口的横向宽度和纵向宽度都要比凹槽的大300μm；
(3b)对阻挡层开窗后的样片在500℃温度环境下进行三次磷离子注入，注入的能量分别为150keV、80keV、30keV，注入的剂量分别为0.931×1015cm-2、5.72×1015cm-2、3.4×1015cm-2，以实现半绝缘SiO2衬底表面掺杂浓度为2×1020cm-3，如图3c；
(3c)去除完成离子注入后样片表面剩余的SiO2阻挡层，并进行清洗；
(3d)在清洗残留物后的样片表面涂BN310负胶，将该样片置于350℃环境中加热90分钟进行碳膜溅射；
(3e)在1700℃退火10分钟，以在样片表面形成厚度为150nm的良好欧姆接触，退火后再在950℃干氧氧化15分钟，去除表面碳膜。
步骤4：在去除碳膜的样片表面形成致密绝缘氧化层。
将去除表面碳膜的样片在1100℃进行4个小时的干氧氧化，在样片表面形成厚度为20nm的致密绝缘氧化层，如图3d。
步骤5：在致密绝缘氧化层上生长SiO2钝化层。
在形成致密绝缘氧化层的样片上用PECVD法在绝缘氧化层表面淀积厚度为1μm的SiO2钝化层，如图3e。
步骤6：在致密绝缘层和SiO2钝化层对应衬底样片凹槽的位置开窗。
在SiO2钝化层上旋涂光刻胶，利用金属层的掩膜版作刻蚀阻挡层；用浓度为5％的HF酸腐蚀10秒，将半绝缘衬底上层对应凹槽位置处的致密绝缘氧化层和SiO2钝化层刻蚀掉，刻蚀出的凹槽窗口区域即为要做金属电极的区域，如图3f。
步骤7：在样片刻蚀槽内溅射金属Ni膜。
(7a)在开窗完的样片表面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形，并通过磁控溅射淀积厚度为80nm的金属Ni，如图3g；
(7b)在高纯Ar气环境中升温至1000℃，保持10分钟冷却至室温。
步骤8：在Ni膜上溅射Au金属合金。
(8a)在样片表面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形；通过磁控溅射法在两个凹槽内的金属Ni膜上淀积厚度为3μm的Au金属合金，通过超声波剥离形成一对厚度为80nm/3μm的Ni/Au金属合金欧姆接触电极，如图3h；
(8b)在Ar气环境中升温至500℃，保持5分钟冷却至室温，完成碳化硅嵌入式平面型光导开关的制作。
实施例2，制作凹槽深度均为3.5μm，SiO2钝化层厚度为1.5μm，欧姆接触电极厚度为90nm/5μm的嵌入式平面型光导开关。
步骤一：对半绝缘衬底片进行刻蚀。
选用半绝缘SiC衬底样片，采用磁控溅射法在清洗后的样片表面形成铝膜作为刻蚀掩膜层，使用光刻版在形成铝膜的样片表面刻蚀出所需要的图案；将刻蚀出图案的样片清洗后采用电感耦合等离子刻蚀法在其表面进行台面刻蚀形成两个深度均为3.5μm，横向宽度均为3mm，纵向宽度均为8mm，边缘角为1/4圆弧的凹槽，如图3a。
步骤二：在形成凹槽的样片表面淀积SiO2。
此步骤与实施例1的步骤2相同，如图3b。
步骤三：对样片进行离子注入。
此步骤与实施例1的步骤3相同，如图3c。
步骤四：在去除碳膜的样片表面形成致密绝缘氧化层。
将去除表面碳膜的样片在1100℃进行4个小时的干氧氧化，在样片表面形成厚度为20nm的SiO2致密绝缘氧化层，如图3d。
步骤五：在致密绝缘氧化层上生长SiO2钝化层。
在形成致密绝缘氧化层的样片上用PECVD法在绝缘氧化层表面淀积厚度为1.5μm的SiO2钝化层，如图3e。
步骤六：在致密绝缘层和SiO2钝化层对应衬底样片凹槽的位置开窗。
此步骤与实施例1的步骤6相同，如图3f。
步骤七：样片凹槽内溅射金属Ni膜
首先，在开窗完的样片表面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形，并通过磁控溅射法在两个凹槽内淀积厚度为90nm的金属Ni，如图3g；
然后，在高纯Ar气环境中升温至1000℃，保持10分钟冷却至室温。
步骤八：在Ni膜上溅射Au金属合金。
首先，在样片表面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形；通过磁控溅射法在两个凹槽内金属Ni膜上淀积厚度为5μm的Au金属合金，通过超声波剥离形成一对厚度为90nm/5μm的Ni/Au金属合金欧姆接触电极，如图3h；
然后，在Ar气环境中升温至500℃，保持5分钟冷却至室温，完成碳化硅嵌入式平面型光导开关的制作。
实施例3，制作凹槽深度均为5μm，SiO2钝化层厚度为2μm，欧姆接触电极厚度为100nm/7μm的嵌入式平面型光导开关。
步骤A：对半绝缘衬底片进行刻蚀。
选用半绝缘SiC衬底样片，采用磁控溅射法在清洗后的样片表面形成铝膜作为刻蚀掩膜层，使用光刻版在形成铝膜的样片表面刻蚀出所需要的图案；将刻蚀出图案的样片清洗后采用电感耦合等离子刻蚀法在其表面进行台面刻蚀形成两个深度均为5μm，横向宽度均为3mm，纵向宽度均为8mm，边缘角为1/4圆弧的凹槽，如图3a。
步骤B：在形成凹槽的样片表面淀积SiO2。
此步骤与实施例1的步骤2相同，如图3b。
步骤C：对样片进行离子注入。
此步骤与实施例1的步骤3相同，如图3c。
步骤D：在去除碳膜的样片表面形成致密绝缘氧化层。
此步骤与实施例1的步骤4相同，如图3d。
步骤E：在致密绝缘氧化层上生长SiO2钝化层。
在形成致密绝缘氧化层的样片上用PECVD法在绝缘氧化层表面淀积厚度为2μm的SiO2钝化层，如图3e。
步骤F：在致密绝缘层和SiO2钝化层对应衬底样片凹槽的位置开窗。
此步骤与实施例1的步骤6相同，如图3f。
步骤G：在样片凹槽内溅射金属Ni膜。
在开窗完的样片表面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形；通过磁控溅射法在两个凹槽内淀积厚度为100nm的金属Ni，如图3g；再在高纯Ar气环境中升温至1000℃，保持10分钟冷却至室温。
步骤H：在Ni膜上溅射Au金属合金。
在样片表面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形；通过磁控溅射法在两个凹槽内金属Ni层上淀积厚度为7μm的Au金属合金，通过超声波剥离形成一对厚度为100nm/7μm的Ni/Au金属合金欧姆接触电极，如图3h；再在Ar气环境中升温至500℃，保持5分钟冷却至室温，完成碳化硅嵌入式平面型光导开关的制作。
Claims (6)
1.一种基于碳化硅的平面型光导开关，包括一对欧姆接触电极(4，5)、半绝缘碳化硅衬底(1)、致密绝缘氧化层(2)和钝化层SiO2(3)，该半绝缘碳化硅衬底(1)、致密绝缘氧化层(2)和钝化层SiO2(3)自下而上设置，其特征在于：半绝缘碳化硅衬底(1)上部两端及其表面上层的致密绝缘氧化层(2)和钝化层SiO2(3)的对应位置处开有两个凹槽(6，7)，一对欧姆接触电极(4，5)分别嵌入到这两个凹槽(6，7)中。
2.根据权利要求1所述基于碳化硅的平面型光导开关，其特征在于一对欧姆接触电极(4，5)的横向宽度d为2～3mm，纵向长度W为5～10mm，厚度n为3～7μm，以保证欧姆接触电极具有足够的电流容量及满足外部封装所必须的电极尺寸。
3.根据权利要求1所述基于碳化硅的平面型光导开关，其特征在于第一欧姆接触电极(4)与第二欧姆接触电极(5)相对的电极边缘均为1/4圆弧。
4.根据权利要求1所述基于碳化硅的平面型光导开关，其特征在于两个凹槽(6，7)的槽深均为2～5μm，横向宽度均为2～3mm，纵向长度均为5～10mm，这两个槽的边缘角均为1/4圆弧。
5.一种制作基于碳化硅平面型光导开关的方法，包括如下步骤：
(1)对碳化硅半绝缘衬底样片进行清洗；
(2)用磁控溅射铝膜作为刻蚀掩膜层，采用电感耦合等离子刻蚀法在清洗后的样片上进行台面刻蚀形成两个深度均为2～5μm，横向宽度均为2～3mm，纵向长度均为5～10mm凹槽，这两个槽的边缘角均为1/4圆弧；
(3)采用PECVD的方法在刻槽后的碳化硅半绝缘衬底样片表面淀积厚度为2μm的SiO2作为离子注入的阻挡层；
(4)在SiO2阻挡层上涂胶，用光刻版在涂胶后的SiO2阻挡层上刻蚀出对应凹槽位置的窗口图案，并用浓度为5％的HF酸腐蚀掉窗口图案位置下的阻挡层，阻挡层表面所开窗口即为离子注入的窗口，并去胶清洗；
(5)对阻挡层开窗后的样片进行三次磷离子注入，注入的能量分别为150keV、80keV、30keV，注入的剂量分别为0.931×1015cm-2、5.72×1015cm-2、3.4×1015cm-2，使半绝缘碳化硅衬底表面掺杂浓度为2×1020cm-3；
(6)离子注入完成后腐蚀掉样片表面剩余的SiO2阻挡层，清洗样片表面的残留物；
(7)在清洗残留物后的样片表面涂BN310负胶，将该样片置于300～400℃温度环境中加热90分钟进行碳膜溅射；然后在1550～1750℃温度范围内退火10分钟，以在样片表面形成厚度为150nm的良好欧姆接触；再在900～1100℃温度范围内干氧氧化15分钟，以去除表面碳膜；
(8)将去除表面碳膜的样片在900～1100℃温度范围内进行4个小时的干氧氧化，在样片表面形成厚度为15～20nm的致密绝缘氧化层；
(9)用PECVD法在致密绝缘氧化层表面淀积厚度为1～2μm的SiO2钝化层；
(10)在SiO2钝化层上旋涂光刻胶，利用金属层的掩膜版作刻蚀阻挡层；用浓度为5％的HF酸腐蚀10秒，将半绝缘衬底上层对应凹槽位置处的致密绝缘氧化层和SiO2钝化层刻蚀掉，刻蚀出的凹槽窗口区域即为要做金属电极的区域；
(11)在开窗后的样片表面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形；通过磁控溅射在样片的两个凹槽中淀积厚度为80～100nm的金属Ni，在Ar气环境中升温至900～1100℃范围，保持10分钟后冷却至室温；
(12)在冷却至室温的样片表面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形；通过磁控溅射法在两个凹槽处淀积厚度为3～7μm的Au金属合金，通过超声波剥离形成金属电极，形成一对横向宽度d为2～3mm，纵向长度W为5～10mm，厚度n为3～7μm的欧姆接触电极；再在Ar气环境中升温至450～650℃范围，保持5分钟后冷却至室温，完成碳化硅嵌入式平面型光导开关的制作。
6.根据权利要求5所述基于碳化硅的制作平面型光导开关的方法，其中步骤(4)中SiO2阻挡层开窗横向和纵向宽度都比凹槽的大50～300μm。
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