CN104701405B - 碳化硅嵌入式电极异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异面型光导开关。其包括掺钒碳化硅衬底(1)、上致密绝缘氧化层(2)、下致密绝缘氧化层(3)、上欧姆接触电极(4)和下欧姆接触电极(5)，该上致密绝缘氧化层(2)和下致密绝缘氧化层(3)分别淀积在掺钒碳化硅衬底(1)的正面和背面，掺钒碳化硅衬底的正面及其表面的上致密绝缘氧化层(2)所对应位置处开有上凹槽(6)，掺钒碳化硅衬底背面及其表面的下致密绝缘氧化层(3)所对应位置处开有下凹槽(7)，上欧姆接触电极(4)和下欧姆接触电极(5)分别嵌入到上凹槽(6)中和下凹槽(7)中。本发明具有导通电阻小，导通效率和载流子收集率高，边缘击穿少的优点，可用于高速脉冲系统。

Description

碳化硅嵌入式电极异面型光导开关及其制作方法
技术领域
本发明属于微电子领域，尤其涉及一种电极异面型光导开关，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，半绝缘碳化硅(SiC)由于它的宽带隙、高临界电场强度、高电子饱和速度和高热导率这些特点使得它是应用为高压光导开关的一种有吸引力的材料。
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，但是耐压能力较低。
文献“《异面结构GaAs光导开关耐压特性研究》”介绍了李寅鑫等人对间隙宽度为3mm的GaAs光导开关进行耐压测试实验，用SLVACO软件对异面电极结构的GaAs光导开关进行仿真分析，这也是首次在国内制作异面结构光导开关，如图4所示。该结构存在以下缺陷：
一是由于一对欧姆接触电极分别做在衬底的正面和背面上，电极边缘处的光生载流子浓度很高，容易发生击穿现象，光导开关很难在工作情况下耐较高的电压，且电子和空穴的迁移率低，光导开关的导通速率慢，导通电阻大。
二是开关尺寸大，影响电路的集成度和开关器件应用。
发明内容
本发明的目的在于避免上述已有技术存在的不足，提出一种碳化硅嵌入式电极异面型光导开关及其制作方法，以提高开关工作的耐压能力和导通速率，并减小器件尺寸。
为实现上述目的，本发明的碳化硅嵌入式电极异面型光导开关，包括掺钒碳化硅衬底、上致密绝缘氧化层、下致密绝缘氧化层、上欧姆接触电极和下欧姆接触电极，其特征在于：上致密绝缘氧化层淀积在掺钒碳化硅衬底正面，下致密绝缘氧化层淀积在掺钒碳化硅衬底背面，掺钒碳化硅衬底的正面及其表面的上致密绝缘氧化层所对应位置处开有上凹槽，掺钒碳化硅衬底背面及其表面的下致密绝缘氧化层所对应位置处开有下凹槽，上欧姆接触电极和下欧姆接触电极分别嵌入到上凹槽中和下凹槽中。
为实现上述目的，本发明制作碳化硅嵌入式电极异面型光导开关的方法，包括如下步骤：
(1)对掺钒浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3的样片进行清洗；
(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正面和背面进行台面刻蚀分别形成一个深度均为2～5μm，底面直径均为8～12mm的圆柱形上凹槽和下凹槽；
(3)采用PECVD的方法在刻槽后的掺钒碳化硅衬底样片正面和背面分别淀积一层厚度为2μm的SiO2作为离子注入的阻挡层；
(4)分别在正面和背面的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正面和背面同时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，使掺钒碳化硅衬底正面和背面掺杂浓度均为2×1020cm-3；
(6)离子注入完成后腐蚀掉样片正面和背面剩余的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正面和背面涂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，以在样片正面和背面分别形成厚度为150nm的良好欧姆接触；再在900～1100℃温度范围内干氧氧化15分钟，以去除样片正面和背面的碳膜；
(8)将去除正面和背面碳膜的样片在900～1100℃温度范围内进行4个小时的干氧氧化，在样片正面形成厚度为15～20nm的上致密绝缘氧化层，在样片背面形成厚度为15～20nm的下致密绝缘氧化层；
(9)在样片上致密绝缘氧化层和下致密绝缘氧化层表面旋涂光刻胶，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，将掺钒碳化硅衬底正面和背面对应凹槽位置处的致密绝缘氧化层刻蚀掉，样片正面和背面刻蚀出的凹槽窗口区域即为要做金属电极的区域；
(10)在开窗后的样片正面和背面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形；通过磁控溅射法分别在样片正面的上凹槽和背面的下凹槽中淀积厚度为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；
(11)在冷却至室温的样片正面和背面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属图形；通过磁控溅射法分别在上凹槽和下凹槽中的Ni膜上淀积厚度为2～5μm的Au金属合金，通过超声波剥离形成金属电极，在样片正面的上凹槽中形成上欧姆接触电极，背面的下凹槽中形成下欧姆接触电极，上欧姆接触电极和下欧姆接触电极的底面直径d均为8～12mm，厚度n均为2～6μm；再在Ar气环境中升温至450～600℃范围，保持5分钟后冷却至室温，完成碳化硅嵌入式异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，提前发生击穿的问题；同时由于提高了电极耐击穿的场强，器件的尺寸可以根据实际应用需求适当减小，以达到减小导通电阻的目的，且提高了在大规模集成电路设计方面的集成度；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.本发明选用了圆柱体掺钒碳化硅衬底衬底，能够在衬底正面和背面制备得一对圆柱形欧姆接触电极，该形状的欧姆接触电极可以有效减少光导开关金属电极与衬底的边缘击穿现象。
附图说明
图1是本发明的剖面结构示意图；
图2是图1的俯视示意图；
图3是本发明制作方法的主要工艺流程示意图；
图4是现有的异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异面型光导开关主要由掺钒碳化硅衬底1、上致密绝缘氧化层2、下致密绝缘氧化层3、上欧姆接触电极4、上欧姆接触电极5、上凹槽6和下凹槽7组成。碳化硅衬底1是在SiC材料中掺入钒原子形成的，掺入的钒原子在碳化硅衬底1中既可以作为施主原子也可以作为受主原子。上致密绝缘氧化层2淀积在掺钒碳化硅衬底1正面，下致密绝缘氧化层3淀积在掺钒碳化硅衬底1背面，上凹槽6是刻蚀在掺钒碳化硅衬底1正面及其表面的上致密绝缘氧化层2所对应位置处，下凹槽7是刻蚀在掺钒碳化硅衬底1背面及其表面的下致密绝缘氧化层3所对应位置处，上凹槽6和下凹槽7的深度均为2～5μm、底面直径均为8～12mm。上欧姆接触电极4和下欧姆接触电极5分别嵌入在上凹槽6和下凹槽7中，如图2所示。上欧姆接触电极4和下欧姆接触电极5的底面直径均为8～12mm，厚度n均为2～6μm。
当入射光平行于上欧姆接触电极4和下欧姆接触电极5照射到碳化硅电极嵌入式异面型光导开关上时，在掺钒碳化硅衬底1内产生大量的光生载流子，嵌入在上凹槽6和下凹槽7中的上欧姆接触电极4和下欧姆接触电极5会将产生的光生载流子大量的收集起来，使上欧姆接触电极4和下欧姆接触电极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，制作上凹槽和下凹槽深度均为2μm，上致密绝缘氧化层和下致密绝缘氧化层厚度均为15nm，上欧姆接触电极和下欧姆接触电极厚度均为80nm/2μm的嵌入式异面型光导开关。
步骤1：对掺钒碳化硅衬底片正面和背面进行刻蚀。
(1a)选用掺钒浓度为1×1016cm-3的SiC衬底样片，采用磁控溅射法在清洗后的样片正面和背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正面和背面刻蚀出所需要的图案；
(1b)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正面和背面进行台面刻蚀，在正面和背面分别形成深度均为2μm，底面直径均为10mm的圆柱形上凹槽和下凹槽，如图3a。
步骤2：在形成上凹槽和下凹槽的样片正面和背面分别淀积SiO2。
对正面和背面刻蚀形成上凹槽和下凹槽的样片进行清洗，清洗后用PECVD法在样片正面和背面分别淀积一层厚度均为2μm的SiO2作为离子注入的阻挡层，如图3b。
步骤3：对样片正面和背面分别进行离子注入。
(3a)在样片正面和背面的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，该窗口的直径比上凹槽和下凹槽的底面直径均大300μm；
(3b)对阻挡层开窗后的样片正面在500℃温度环境下进行三次磷离子注入，第一次注入的能量为150keV，对应注入的剂量为0.931×1015cm-2，第二次注入的能量为80keV，对应的注入剂量为5.72×1015cm-2第三次注入的能量为30keV，对应的注入剂量为3.4×1015cm-2，以实现掺钒碳化硅衬底正面的掺杂浓度为2×1020cm-3；
(3c)对阻挡层开窗后的样片背面在500℃温度环境下进行三次磷离子注入，第一次注入的能量为150keV，对应注入的剂量为0.931×1015cm-2，第二次注入的能量为80keV，对应的注入剂量为5.72×1015cm-2第三次注入的能量为30keV，对应的注入剂量为3.4×1015cm-2，以实现掺钒碳化硅衬底背面的掺杂浓度为2×1020cm-3，如图3c；
(3d)去除完成离子注入后样片正面和背面剩余的SiO2阻挡层，并进行清洗；
(3e)在清洗残留物后的样片正面和背面分别涂BN310负胶，将该样片置于350℃环境中加热90分钟进行碳膜溅射；
(3f)在1700℃退火10分钟，以在样片正面和背面分别形成厚度均为150nm的良好欧姆接触，退火后再在950℃干氧氧化15分钟，去除样片正面和背面的碳膜。
步骤4：在去除碳膜的样片正面和背面形成上致密绝缘氧化层和下致密绝缘氧化层。
将去除正面和背面碳膜的样片在1100℃进行4个小时的干氧氧化，在样片正面形成厚度为15nm的上致密绝缘氧化层，背面形成厚度为15nm的下致密绝缘氧化层，如图3d。
步骤5：在致密绝缘氧化层对应衬底样片凹槽的位置开窗。
(5a)在样片正面的上致密绝缘氧化层和背面的下致密绝缘氧化层上分别旋涂光刻胶，利用金属层的掩膜版作刻蚀阻挡层；
(5b)用浓度为5％的HF酸腐蚀10秒，将掺钒碳化硅衬底正面和背面上对应上凹槽和下凹槽位置处的上致密绝缘氧化层和下致密绝缘氧化层刻蚀掉，刻蚀出的上凹槽和下凹槽窗口区域即为分别做上欧姆接触电极和下欧姆接触电极的区域，如图3e。
步骤6：在样片刻蚀槽内溅射金属Ni膜。
(6a)在开窗后的样片正面和背面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形，并通过磁控溅射法在样片正面的上凹槽和背面的下凹槽内分别淀积厚度均为80nm的金属Ni，如图3f；
(6b)在高纯Ar气环境中升温至1000℃，保持10分钟冷却至室温。
步骤7：在Ni膜上溅射Au金属合金。
(7a)在样片正面和背面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形；通过磁控溅射法在样片正面的上凹槽和背面的下凹槽内的金属Ni膜上分别淀积厚度均为2μm的Au金属合金，通过超声波剥离分别形成嵌入在上凹槽中厚度为80nm/2μm的Ni/Au金属合金上欧姆接触电极和嵌入在下凹槽中厚度为80nm/2μm的Ni/Au金属合金下欧姆接触电极，如图3g；
(7b)在Ar气环境中升温至500℃，保持5分钟冷却至室温，完成碳化硅嵌入式异面型光导开关的制作。
实施例2，制作上凹槽和下凹槽深度均为3.5μm，上致密绝缘氧化层和下致密绝缘氧化层厚度均为18nm，上欧姆接触电极和下欧姆接触电极厚度均为90nm/3.5μm的嵌入式异面型光导开关。
步骤一：对掺钒碳化硅衬底片正面和背面进行刻蚀。
首先，选用掺钒浓度为1×1016cm-3的SiC衬底样片，采用磁控溅射法在清洗后的样片正面和背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正面和背面刻蚀出所需要的图案；
然后，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正面和背面进行台面刻蚀，在正面和背面分别形成深度均为3.5μm，底面直径均为10mm的圆柱形上凹槽和下凹槽，如图3a。
步骤二：在形成上凹槽和下凹槽的样片正面和背面分别淀积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：在去除碳膜的样片正面和背面形成上致密绝缘氧化层和下致密绝缘氧化层。
将去除正面和背面碳膜的样片在1100℃进行4个小时的干氧氧化，在样片正面形成厚度为18nm的上致密绝缘氧化层，背面形成厚度为18nm的下致密绝缘氧化层，如图3d。
步骤五：在致密绝缘氧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5相同，如图3e。
步骤六：在样片刻蚀槽内溅射金属Ni膜。
首先，在开窗完的样片正面和背面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形，并通过磁控溅射法在样片正面的上凹槽和背面的下凹槽内分别淀积厚度均为90nm的金属Ni，如图3f；
然后，在高纯Ar气环境中升温至1000℃，保持10分钟冷却至室温。
步骤七：在Ni膜上溅射Au金属合金。
首先，在样片正面和背面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形；再通过磁控溅射法在样片正面的上凹槽和背面的下凹槽内的金属Ni膜上分别淀积厚度均为3.5μm的Au金属合金；再通过超声波剥离分别形成嵌入在上凹槽中厚度为90nm/3.5μm的Ni/Au金属合金上欧姆接触电极和嵌入在下凹槽中厚度为90nm/3.5μm的Ni/Au金属合金下欧姆接触电极，如图3g；
然后，在Ar气环境中升温至500℃，保持5分钟冷却至室温，完成碳化硅嵌入式异面型光导开关的制作。
实施例3，制作上凹槽和下凹槽深度均为5μm，上致密绝缘氧化层和下致密绝缘氧化层厚度均为20nm，上欧姆接触电极和下欧姆接触电极厚度均为100nm/5μm的嵌入式异面型光导开关。
步骤A：对掺钒碳化硅衬底片正面和背面进行刻蚀。
(Aa)选用掺钒浓度为1×1016cm-3的SiC衬底样片，采用磁控溅射法在清洗后的样片正面和背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正面和背面刻蚀出所需要的图案；
(Ab)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正面和背面进行台面刻蚀，在正面和背面分别形成深度均为5μm，底面直径均为10mm的圆柱形上凹槽和下凹槽，如图3a。
步骤B：在形成上凹槽和下凹槽的样片正面和背面分别淀积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：在去除碳膜的样片正面和背面形成上致密绝缘氧化层和下致密绝缘氧化层。
将去除正面和背面碳膜的样片在1100℃进行4个小时的干氧氧化，正面形成厚度为20nm的上致密绝缘氧化层，背面形成厚度为20nm的下致密绝缘氧化层，如图3d。
步骤E：在致密绝缘氧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5相同，如图3e。
步骤F：在样片刻蚀槽内溅射金属Ni膜。
(Fa)在开窗完的样片正面和背面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形，并通过磁控溅射法在样片正面的上凹槽和背面的下凹槽内分别淀积厚度均为100nm的金属Ni，如图3f；
(Fb)在高纯Ar气环境中升温至1000℃，保持10分钟冷却至室温。
步骤G：在Ni膜上溅射Au金属合金。
(Ga)在样片正面和背面涂胶，使用金属层掩膜版，光刻出金属图形；通过磁控溅射法在样片正面的上凹槽和背面的下凹槽内的金属Ni膜上分别淀积厚度均为5μm的Au金属合金，通过超声波剥离分别形成嵌入在上凹槽中厚度为100nm/5μm的Ni/Au金属合金上欧姆接触电极和嵌入在下凹槽中厚度为100nm/5μm的Ni/Au金属合金下欧姆接触电极，如图3g；
(Gb)在Ar气环境中升温至500℃，保持5分钟冷却至室温，完成碳化硅嵌入式异面型光导开关的制作。

Claims (2)

1.一种制作基于碳化硅异面型光导开关的方法，包括如下步骤：
(1)对掺钒浓度为1×1016cm-3～1×1017cm-3的碳化硅衬底样片进行清洗；
(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正面和背面进行台面刻蚀分别形成一个深度均为2～5μm，底面直径均为8～12mm的圆柱形上凹槽和下凹槽；
(3)采用PECVD的方法在刻槽后的掺钒碳化硅衬底样片正面和背面分别淀积一层厚度为2μm的SiO2作为离子注入的阻挡层；
(4)分别在正面和背面的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正面和背面同时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，使已掺钒碳化硅衬底正面和背面掺杂的磷浓度均为2×1020cm-3；
(6)离子注入完成后腐蚀掉样片正面和背面剩余的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正面和背面涂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，以在样片正面和背面分别形成厚度为150nm的良好欧姆接触；再在900～1100℃温度范围内干氧氧化15分钟，以去除样片正面和背面的碳膜；
(8)将去除正面和背面碳膜的样片在900～1100℃温度范围内进行4个小时的干氧氧化，在样片正面形成厚度为15～20nm的上致密绝缘氧化层，在样片背面形成厚度为15～20nm的下致密绝缘氧化层；
(9)在样片上致密绝缘氧化层和下致密绝缘氧化层表面旋涂光刻胶，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，将掺钒碳化硅衬底正面和背面对应凹槽位置处的致密绝缘氧化层刻蚀掉，样片正面和背面刻蚀出的凹槽窗口区域即为要做金属电极的区域；
(10)在开窗后的样片正面和背面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属电极图形；通过磁控溅射法分别在样片正面的上凹槽和背面的下凹槽中淀积厚度为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；
(11)在冷却至室温的样片正面和背面涂胶，使用金属层掩膜版光刻出金属电极图形；通过磁控溅射法分别在上凹槽和下凹槽中的Ni膜上淀积厚度为2～5μm的Au金属合金，通过超声波剥离光刻胶形成金属电极，在样片正面的上凹槽中形成上欧姆接触电极，背面的下凹槽中形成下欧姆接触电极，上欧姆接触电极和下欧姆接触电极的底面直径d均为8～12mm，厚度n均为2～6μm；再在Ar气环境中升温至450～600℃范围，保持5分钟后冷却至室温，完成碳化硅嵌入式异面型光导开关的制作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(4)中正面和背面的SiO2阻挡层开窗直径比上凹槽和下凹槽底面直径均大50～300μm。
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