CN107546113B - 耐高温碳化硅欧姆接触结构制作方法及其结构 - Google Patents

耐高温碳化硅欧姆接触结构制作方法及其结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐高温碳化硅欧姆接触结构制作方法，包括：选取SiC衬底；在所述SiC衬底表面生长SiC外延层；利用磁控溅射工艺在所述SiC外延层表面依次淀积Ni金属层、W金属层、TaSi2金属层及Pt金属层；快速退火形成所述耐高温碳化硅欧姆接触结构。本发明提供的耐高温碳化硅欧姆接触结构在高温、空气环境下有着良好热稳定性和电学特性。

Description

耐高温碳化硅欧姆接触结构制作方法及其结构
技术领域
本发明属碳化硅器件制造领域，特别涉及一种耐高温碳化硅欧姆接触结构制作方法及其结构。
背景技术
相比于传统的锗、硅材料，第三代宽带隙半导体碳化硅的优势主要包括：电场承受能力约为硅材料十倍，禁带宽度约为硅材料的三倍，导热系数约为硅材料三倍等。以上材料特性使得它在极端温度(尤其是高温)与大电压、高频率和高功率以及强辐射等条件下展现了传统的硅基器件无法比拟的优势。
欧姆接触是碳化硅器件应用于高温、易氧化等极端环境中的关键影响因素之一，它的目的在于实现当电极处在施加正向电压时能承载尽可能小的压降，以此，来保证器件的性能。假设欧姆接触退化或者失效，势必影响器件的开启电阻，严重时会影响器件性能，乃至令器件失效。所以设计热稳定性良好，抗氧化的欧姆接触结构显得尤为必要。
目前，碳化硅欧姆接触金属或者合金层面临问题包括抗氧化能力弱，在空气中即被氧化；热稳定性差，高温下出现退化或者失效；硬度低，容易被机械损伤等缺点，这些缺点会使得欧姆接触结构可靠性降低，严重限制其应用环境与范围，进而令碳化硅器件的应用范围与可靠性受到诸多影响与限制。
发明内容
鉴于以上背景，本发明旨在实现一种耐高温碳化硅欧姆接触结构制作方法及其结构。
具体地，本发明一个实施例提出的一种耐高温碳化硅欧姆接触结构制作方法，包括：
S101、选取SiC衬底；
S102、在所述SiC衬底表面生长SiC外延层；
S103、利用PECVD工艺在所述SiC外延层表面生长厚度为100nm的 SiO2层；
S104、利用刻蚀工艺刻蚀所述SiO2层，对所述SiC外延层进行N+离子或P+离子注入，相应地，形成掺杂浓度为1.0×1019cm-3的N区或掺杂浓度为1.3×1020cm-3的P区；
S105、利用刻蚀工艺刻蚀剩余的所述SiO2层，在1700℃温度下退火 30分钟；
S106、利用磁控溅射工艺在所述SiC外延层表面淀积Ni金属层；其中，所述Ni金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000021
淀积功率为100w、淀积速率为 9.8nm/min、气流量为24Ar/sccm、腔内真空度为≤5e-6mTorr；
S107、利用磁控溅射工艺在所述Ni金属层表面淀积W金属层；其中，所述W金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000022
淀积功率为100w、淀积速率为 8.9nm/min、气流量为16Ar/sccm、腔内真空度为≤5e-6mTorr；
S108、利用磁控溅射工艺在所述W金属层表面淀积TaSi2金属层；其中，所述TaSi2金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000023
淀积功率为60w、淀积速率为 2.9nm/min、气流量为20Ar/sccm、腔内真空度为≤5e-6mTorr；
S109、利用磁控溅射工艺在所述TaSi2金属层表面淀积Pt金属层；其中，所述Pt金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000024
淀积功率为100w、淀积速率为 2.9nm/min、气流量为16Ar/sccm、腔内真空度为≤5e-6mTorr；
S110、将所述Ni金属层、所述W金属层、所述TaSi2金属层、所述 Pt金属层进行快速退火以完成所述耐高温碳化硅欧姆接触结构的制作。
本发明另一个实施例提出的一种耐高温碳化硅欧姆接触结构，包括： SiC衬底、SiC外延层以及依次设置于所述SiC外延层表面的Ni金属层、 W金属层、TaSi2金属层及Pt金属层；其中，所述Ni金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000031
所述W金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000032
所述TaSi2金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000033
所述Pt金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000034
所述耐高温碳化硅欧姆接触结构由上述实施例中所述的方法制作形成。
本发明另一个实施例提出的一种耐高温碳化硅欧姆接触结构制作方法，包括：
选取SiC衬底；
在所述SiC衬底表面生长SiC外延层；
利用磁控溅射工艺在所述SiC外延层表面依次淀积Ni金属层、W金属层、TaSi2金属层及Pt金属层；
快速退火形成所述耐高温碳化硅欧姆接触结构。
在本发明的一个实施例中，选取SiC衬底，包括：
选取4H-SiC衬底，对所述4H-SiC衬底进行标准RCA清洗。
在本发明的一个实施例中，在所述SiC衬底表面生长SiC外延层之后，还包括：
利用PECVD工艺在所述SiC外延层表面生长厚度为100nm的SiO2层；
利用刻蚀工艺刻蚀所述SiO2层，在所述SiC外延层注入N+离子或 P+离子形成N区或P区；
在1700℃温度下退火30分钟。
在本发明的一个实施例中，所述N区的掺杂浓度为1.0×1019cm-3、掺杂种类为Al，所述P区的掺杂浓度为1.3×1020cm-3、掺杂种类为N。
在本发明的一个实施例中，利用磁控溅射工艺在所述SiC外延层表面依次淀积Ni金属层、W金属层、TaSi2金属层及Pt金属层，包括：
利用直流磁控溅射工艺，在所述所述SiC外延层表面淀积所述Ni金属层；
利用直流磁控溅射工艺，在所述Ni金属层表面淀积所述W金属层；
利用射频磁控溅射工艺，在所述W金属层表面淀积所述TaSi2金属层；
利用直流磁控溅射工艺，在所述TaSi2金属层表面淀积所述Pt金属层。
在本发明的一个实施例中，所述Ni金属层的所述磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为9.8nm/min、淀积气流量为24Ar/sccm、淀积腔内真空度为≤5e-6mTorr，所述W金属层的所述磁控溅射工艺的淀积功率为100w、淀积速率为8.9nm/min、淀积气流量为16Ar/sccm、淀积腔内真空度为≤5e-6mTorr，所述TaSi2金属层的所述磁控溅射工艺的淀积功率为 60w、淀积速率为2.9nm/min、淀积气流量为20Ar/sccm、淀积腔内真空度为≤5e- 6mTorr，所述Pt金属层的所述磁控溅射工艺的淀积功率为100w、淀积速率为2.9nm/min、淀积气流量为16Ar/sccm、淀积腔内真空度为≤5e-6mTorr。
在本发明的一个实施例中，所述Ni金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000041
所述W 金属层的厚度为所述TaSi2金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000043
所述Pt金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000051
本发明另一个实施例提出的一种耐高温碳化硅欧姆接触结构，包括： SiC衬底、SiC外延层以及依次设置于所述SiC外延层表面的Ni金属层、 W金属层、TaSi2金属层及Pt金属层；其中，所述Ni金属层的厚度为所述W金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000053
所述TaSi2金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000054
所述Pt金属层的厚度为所述耐高温碳化硅欧姆接触结构上述实施例的方法制作形成。
与现有技术相比，本发明提供了一种利用Pt/TaSi2/W/Ni/SiC结构制作碳化硅欧姆接触结构的方法，该金属层结构保证了此欧姆接触结构方案良好的电学特性与热稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种耐高温碳化硅欧姆接触结构制作方法流程图；
图2为本发明实施例提供的一种CTLM结构版图；
图3为本发明实施例提供的一种金属剥离之后显微镜图片；
图4为本发明实施例提供的一种碳化硅欧姆接触结构退火后与老化 300h后常温条件与高温条件下的I-V曲线图；
图5为本发明实施例提供的一种碳化硅欧姆接触结构比接触电阻随老化时间的变化曲线图；
图6为本发明实施例提供的一种碳化硅欧姆接触结构完成退火后表面扫描电子显微镜图像；
图7为本发明实施例提供的一种碳化硅欧姆接触结构在500℃温度下空气中进行300h老化条件后，表面扫描电子显微镜图像；
图8为本发明实施例提供的一种耐高温碳化硅欧姆接触结构剖面图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种耐高温碳化硅欧姆接触结构制作方法流程图，该方法包括：
(a)选取SiC衬底；
(b)在所述SiC衬底表面生长SiC外延层；
(c)利用磁控溅射工艺在所述SiC外延层表面依次淀积Ni金属层、W 金属层、TaSi2金属层及Pt金属层；
(d)快速退火形成所述耐高温碳化硅欧姆接触结构。
其中，对于步骤(a)，可以包括：
选取4H-SiC衬底，对所述4H-SiC衬底进行标准RCA清洗。
其中，在步骤(b)之后，还可以包括：
步骤(x1)、利用PECVD工艺在所述SiC外延层表面生长厚度为100nm的SiO2层；
步骤(x2)、利用刻蚀工艺刻蚀所述SiO2层，在所述SiC外延层注入 N+离子或P+离子形成N区或P区；
步骤(x3)、在1700℃温度下退火30分钟。
其中，对于步骤(x2)，可以包括：所述N区的掺杂浓度为1.0×1019cm-3、掺杂种类为Al，所述P区的掺杂浓度为1.3×1020cm-3、掺杂种类为N。
其中，对于步骤(c)，可以包括：
利用直流磁控溅射工艺，在所述所述SiC外延层表面淀积所述Ni金属层；
利用直流磁控溅射工艺，在所述Ni金属层表面淀积所述W金属层；
利用射频磁控溅射工艺，在所述W金属层表面淀积所述TaSi2金属层；
利用直流磁控溅射工艺，在所述TaSi2金属层表面淀积所述Pt金属层。
其中，对于步骤(c)中所述Ni金属层的所述磁控溅射工艺的淀积功率为100W、淀积速率为9.8nm/min、淀积气流量为24Ar/sccm、淀积腔内真空度为≤5e-6mTorr，所述W金属层的所述磁控溅射工艺的淀积功率为 100w、淀积速率为8.9nm/min、淀积气流量为16Ar/sccm、淀积腔内真空度为≤5e-6mTorr，所述TaSi2金属层的所述磁控溅射工艺的淀积功率为60w、淀积速率为2.9nm/min、淀积气流量为20Ar/sccm、淀积腔内真空度为≤5e-6mTorr，所述Pt金属层的所述磁控溅射工艺的淀积功率为100w、淀积速率为2.9nm/min、淀积气流量为16Ar/sccm、淀积腔内真空度为≤5e-6mTorr。
其中，对于步骤(c)中所述Ni金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000081
所述W金属层的厚度为所述TaSi2金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000083
所述Pt金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000084
与现有技术相比，本发明提供的耐高温碳化硅欧姆接触结构，即 Pt/TaSi2/W/Ni/SiC结构，在高温、空气环境下有着良好性能，在高温，空气环境下应用有着很大优势。
实施例二
请继续参见图1，本实施例将较为详细地对本发明的制作方法进行介绍。该方法具体步骤为：
步骤1：选取4H-SiC衬底，对4H-SiC衬底进行标准RCA清洗；
步骤2：在4H-SiC衬底表面生长SiC外延层，对SiC外延层进行标准 RCA清洗；
步骤3：利用等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)工艺，在SiC外延层形成离子注入 100nm厚的SiO2层；
步骤4：利用刻蚀工艺刻蚀所述SiO2层，对所述SiC外延层进行N+离子或P+离子注入，形成高掺杂的N区或者P区；
优选地，N型掺杂浓度为1.0×1019cm-3、掺杂种类为Al；P型掺杂浓度为1.3×1020cm-3、掺杂种类为N。
步骤5：利用刻蚀工艺刻蚀剩余的所述SiO2层，并进行高温退火；
优选地，高温退火的温度为1700℃，时间为30分钟。
步骤6：在SiC外延层依次淀积Ni金属层、W金属层、TaSi2金属层及Pt金属层，具体如下：
利用直流磁控溅射工艺在SiC外延层表面淀积Ni金属层，Ni金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000091
淀积功率为100w、淀积速率为9.8nm/min、气流量为 24Ar/sccm、腔内真空度为≤5e-6mTorr；
利用直流磁控溅射工艺在Ni金属层表面淀积W金属层，W金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000092
淀积功率为100w、淀积速率为8.9nm/min、气流量为 16Ar/sccm、腔内真空度为≤5e-6mTorr；
利用射频磁控溅射工艺在W金属层表面淀积TaSi2金属层，TaSi2金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000093
淀积功率为60w、淀积速率为2.9nm/min、气流量为20Ar/sccm、腔内真空度为≤5e- 6mTorr；
利用直流磁控溅射工艺在TaSi2金属层表面淀积Pt金属层，Pt金属层的厚度为
Figure BDA0001352970600000094
淀积功率为100w、淀积速率为2.9nm/min、气流量为 16Ar/sccm、腔内真空度为≤5e-6mTorr。
步骤7：将Ni金属层、W金属层、TaSi2金属层、Pt金属层进行快速退火以完成所述耐高温碳化硅欧姆接触结构的制作。
其中，对本实施例中的耐高温碳化硅欧姆接触结构进行性能测试的方法如下：
步骤1：选取4H-SiC衬底，对4H-SiC衬底进行标准RCA清洗；
步骤2：在4H-SiC衬底表面生长SiC外延层，对SiC外延层进行标准 RCA清洗；
步骤3：利用等离子体增强化学的气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)工艺，在SiC外延层形成离子注入 100nm厚的SiO2层；
步骤4：利用离子注入工艺对SiC外延层进行N+离子或P+离子注入，形成高掺杂的N区或者P区并进行高温退火；
优选地，N型掺杂浓度为1.0×1019cm-3、掺杂种类为Al；P型掺杂浓度为1.3×1020cm-3、掺杂种类为N；
优选地，高温退火的温度为1700℃，时间为30分钟。
步骤5：在SiO2层表面淀积光刻胶，利用掩膜版进行光刻，形成圆形传输线模型(circular transmission line model，简称CTLM)图形，如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种CTLM结构版图；然后去除光刻胶，并利用HF去除CTLM图形下的SiO2层及其他杂质；
优选地，HF配比为HF：H2O＝1：20。在HF中浸洗2分钟，之后用清水冲洗去除HF溶液，N2吹干。
步骤6：利用磁控溅射工艺在SiC外延层和光刻胶表面淀积金属层，金属层由下往上依次包括厚度为
Figure BDA0001352970600000101
的Ni金属层、厚度为
Figure BDA0001352970600000102
的W 金属层、厚度为
Figure BDA0001352970600000103
TaSi2金属层及厚度为的Pt金属层；
优选地，Ni金属层、W金属层和Pt金属层利用直流磁控溅射工艺淀积，TaSi2金属层利用射频磁控溅射工艺淀积；
金属层的淀积功率分别为：所述Ni金属层、所述W金属层和所述Pt 金属层为100w，所述TaSi2金属层为60w；
金属层的淀积速率分别为：所述W金属层为8.9nm/min，Pt金属层及所述TaSi2金属层为2.9nm/min，所述Ni金属层为9.8nm/min；
所述磁控溅射工艺的腔内真空度≤5e-6mTorr；
所述磁控溅射工艺的气流量分别为：所述Ni金属层为24Ar/sccm，所述W金属层和所述Pt金属层为16Ar/sccm，所述TaSi2金属层为 20Ar/sccm。
步骤7：金属剥离并快速退火以形成欧姆接触结构并进行性能测试。
优选地，将包括4H-SiC衬底、SiC外延层和金属层的整个材料置于丙酮中浸泡约10小时至光刻胶层上金属层(即Ni金属层、W金属层、TaSi2金属层及Pt金属层)翘起，之后进行超声约3min至翘起金属完全脱落。如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种金属剥离之后显微镜图片；在显微镜下观察金属环没有粘连。退火的条件为温度975℃，惰性气体的保护氛围中，退火1分钟。
本发明利用碳化硅欧姆接触结构(即Pt/TaSi2/W/Ni/SiC结构)制作SiC 欧姆接触。首先，Ni与SiC反应。W层可以结合由于Ni与SiC反应产生的C，以免游离态的C原子在表面集聚，而使表面粗糙或者失效。
本发明中，TaSi2层是防止欧姆接触结构氧化的关键，退火过程中金属层表面生成PtSi2层，PtSi2有着较强的结合O的能力，对于O向界面的扩散起到了有效的延迟作用。TaSi2的分解符合指数形式使得此结构能够长时间有效，TaSi2的缓慢分解使得各金属层结构基本维持不变因此，可令此结构能够暴露在空气中进行老化测试。
本发明中，TaSi2层在退火过程中会产生微小孔洞，进而会使得其在高温、空气环境中时，金属结构在初始的50小时孔洞处的下层金属被氧化，比接触电阻下降。所以引入不易被氧化的金属层钨来防止比接触电阻增大。
本发明中，Pt/TaSi2/W/Ni/SiC结构同时实现了N、P型的欧姆接触，对此结构在空气中进行高温、老化测试，300小时时电学特性基本没有变化。同时，在室温与500℃高温条件下，测量其I-V特性曲线，如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种碳化硅欧姆接触结构退火后与老化300h后常温条件与高温条件下的I-V曲线图。如图5所示，图5为本发明实施例提供的一种碳化硅欧姆接触结构比接触电阻随老化时间的变化曲线图，从图5中可以看出比接触电阻随老化时间的变化，展示了本发明的金属结构的稳定电学特性。
本发明中退火后与老化后的表面对比图可见图6和图7，图6为本发明实施例提供的一种碳化硅欧姆接触结构完成退火后表面扫描电子显微镜图像；图7为本发明实施例提供的一种碳化硅欧姆接触结构在500℃温度下空气中进行300h老化条件后，表面扫描电子显微镜图像。欧姆接触的表面样貌对于器件引线键合以及比接触电阻值有着明显影响，在图6和图 7可以看到，空气环境下老化300小时之后，本金属结构的表面依然很平滑。
即Pt/TaSi2/W/Ni/SiC在高温、空气环境下有着良好性能，在高温，空气环境下应用有着很大优势。
实施例三
请参照图8，图8为本发明实施例提供的一种耐高温碳化硅欧姆接触结构剖面图；该耐高温碳化硅欧姆接触结构包括：
SiC衬底10、SiC外延层20以及依次设置于SiC外延层20上的Ni金属层30、W金属层40、TaSi2金属层50及Pt金属层60。
优选地，SiC衬底10为4H-SiC衬底；
SiC外延层20中设置有掺杂浓度为1.0×1019cm-3的N区或掺杂浓度为 1.3×1020cm-3的P区。
Ni金属层30的厚度为
Figure BDA0001352970600000121
W金属层40的厚度为
Figure BDA0001352970600000122
TaSi2金属层50的厚度为Pt金属层60的厚度为
Figure BDA0001352970600000124
综上，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，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。

Claims (2)

1.一种耐高温碳化硅欧姆接触结构制作方法，其特征在于，包括：
S101、选取SiC衬底；其中，所述SiC衬底为4H-SiC衬底；
S102、在所述SiC衬底表面生长SiC外延层；
S103、利用PECVD工艺在所述SiC外延层表面生长厚度为100nm的SiO2层；
S104、利用刻蚀工艺刻蚀所述SiO2层，对所述SiC外延层进行N+离子或P+离子注入，相应形成掺杂浓度为1.0×1019cm-3的N区或掺杂浓度为1.3×1020cm-3的P区；
S105、利用刻蚀工艺刻蚀剩余的所述SiO2层，在1700℃温度下退火30分钟；
S106、利用磁控溅射工艺在所述SiC外延层表面淀积Ni金属层；其中，所述Ni金属层的厚度为
Figure FDA0002233134640000011
淀积功率为100w、淀积速率为9.8nm/min、气流量为24Ar/sccm、腔内真空度为≤5e-6mTorr；
S107、利用磁控溅射工艺在所述Ni金属层表面淀积W金属层；其中，所述W金属层的厚度为
Figure FDA0002233134640000012
淀积功率为100w、淀积速率为8.9nm/min、气流量为16Ar/sccm、腔内真空度为≤5e-6mTorr；
S108、利用磁控溅射工艺在所述W金属层表面淀积TaSi2金属层；其中，所述TaSi2金属层的厚度为
Figure FDA0002233134640000013
淀积功率为60w、淀积速率为2.9nm/min、气流量为20Ar/sccm、腔内真空度为≤5e-6mTorr；
S109、利用磁控溅射工艺在所述TaSi2金属层表面淀积Pt金属层；其中，所述Pt金属层的厚度为
Figure FDA0002233134640000014
淀积功率为100w、淀积速率为2.9nm/min、气流量为16Ar/sccm、腔内真空度为≤5e-6mTorr；
S110、将所述Ni金属层、所述W金属层、所述TaSi2金属层、所述Pt金属层进行快速退火以完成所述耐高温碳化硅欧姆接触结构的制作。
2.一种耐高温碳化硅欧姆接触结构，其特征在于，包括：SiC衬底、SiC外延层以及依次设置于所述SiC外延层表面的Ni金属层、W金属层、TaSi2金属层及Pt金属层；其中，所述Ni金属层的厚度为
Figure FDA0002233134640000021
所述W金属层的厚度为所述TaSi2金属层的厚度为
Figure FDA0002233134640000022
所述Pt金属层的厚度为所述耐高温碳化硅欧姆接触结构由权利要求1中所述的方法制作形成。
CN201710583819.9A 2017-07-18 2017-07-18 耐高温碳化硅欧姆接触结构制作方法及其结构 Active CN107546113B (zh)

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