CN107993926A - 碳化硅欧姆接触的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳化硅欧姆接触的制备方法，所述制备方法包括：(a)选取4H‑SiC衬底；(b)在4H‑SiC衬底上生长4H‑SiC外延层；(c)在4H‑SiC外延层中分别制作P区与N区；(d)在P区与N区表面依次淀积镍、钛、铝作为接触金属层；(e)在接触金属层表面淀积阻挡金属层；(f)将包括4H‑SiC衬底、4H‑SiC外延层、P区、N区、接触金属层及阻挡金属层的整个材料进行退火处理以使接触金属层分别与P区及N区表面形成欧姆接触。本发明低温条件下即可完成碳化硅欧姆接触制备，并且同时在衬底材料中形成了欧姆接触，提高了器件的可靠性，并且工艺简单，节省时间与成本。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，特别涉及一种碳化硅欧姆接触的制备方法。
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高温、高压、高频、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。
欧姆接触是影响碳化硅器件性能的关键因素之一，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。具有低比接触电阻的欧姆接触电极能有效降低导通电阻，减小大电流下的功耗。
SiC的化学性质稳定，它与金属发生反应往往需要高达800～1200℃的合金温度，这将给工艺带来困难，而且高温使金属电极表面出现粗糙斑痕、缺陷，甚至会产生薄层栅极氧化。此外，单一形成N型或者P型欧姆接触不但增加了MOSFET、JBS等结构器件制造欧姆接触的工艺步骤，而且分别制作欧姆接触电极时，后续的工艺可能对栅氧化层和已经完成的欧姆接触淀积结构产生影响。这些缺点会使得欧姆接触电极可靠性降低，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
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种在相对较低的退火温度下，在SiC衬底的N区与P区上同时形成欧姆接触的制备方法。
本发明的一个实施例提供了一种碳化硅欧姆接触的制备方法，包括：
(a)选取4H-SiC衬底10；
(b)在所述4H-SiC衬底10上生长4H-SiC外延层101；
(c)在所述4H-SiC外延层101中分别制作P区102与N区103；
(d)在所述P区102与所述N区103表面依次淀积镍、钛、铝作为接触金属层104；
(e)在所述接触金属层104表面淀积阻挡金属层105；
(f)将包括所述4H-SiC衬底10、所述4H-SiC外延层101、所述P区102、所述N区103、所述接触金属层104及所述阻挡金属层105的整个材料进行退火处理以使所述接触金属层104分别与所述P区102及所述N区103表面形成欧姆接触。
在本发明的一个实施例中，在步骤(b)之前还包括：
对所述4H-SiC衬底10进行标准RCA清洗。
在本发明的一个实施例中，步骤(c)包括：
(c1)利用PECVD工艺，在所述4H-SiC外延层101上生长SiO2掩膜；
(c2)利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在所述SiO2掩膜层表面分别形成第一待刻蚀区域与第二待刻蚀区域；
(c3)利用反应离子刻蚀工艺在所述第一待刻蚀区域与所述第二待刻蚀区域刻蚀所述SiO2掩膜层以在所述4H-SiC外延层101表面分别形成第一离子待注入区域与第二离子待注入区域；
(c4)利用离子注入工艺，在所述第一离子待注入区域与所述第二离子待注入区域分别注入P与Al，并将包括所述4H-SiC衬底10的整个材料进行退火处理以在所述4H-SiC外延层101中分别形成所述N区103与所述P区102。
在本发明的一个实施例中，所述P区102的掺杂浓度为3.8×1020cm-3。
在本发明的一个实施例中，所述N区103的掺杂浓度为1.0×1020cm-3。
在本发明的一个实施例中，步骤(d)包括：采用直流磁控溅射工艺，在所述P区102与所述N区103表面依次淀积所述镍、所述钛、所述铝以形成所述接触金属层104。
在本发明的一个实施例中，所述镍的厚度为所述钛的厚度为所述铝的厚度为
在本发明的一个实施例中，所述阻挡金属层105的材料为W或者TaSi2/Pt或者W/TaSi2/Pt或者Ti/Pt。
在本发明的一个实施例中，所述退火处理的温度为750～850℃。
在本发明的一个实施例中，所述退火处理包括：从常温上升到400℃，恒温400℃持续10s，然后以10℃/s的速率升温到800℃，恒温800℃持续2min，然后降温到400℃，最后经水冷420s至常温。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的碳化硅欧姆接触制备方法，将按一定的组分比例的镍、钛、铝作为接触金属层，使得在较低的退火温度条件下，可以在碳化硅外延层材料中的N型区域与P型区域表面同时形成欧姆接触，不仅可以提高器件的可靠性，还具有工艺步骤简单、节省时间与成本的优点。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为本发明实施例提供的一种碳化硅欧姆接触的制备方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种碳化硅欧姆接触的制备方法的退火工艺的温度随时间变化的曲线示意图；
图3为采用本发明实施例提供的一种碳化硅欧姆接触的制备方法制备的CMOS器件结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种碳化硅欧姆接触的制备方法的流程示意图，该制备方法包括：
(a)选取4H-SiC衬底10；
(b)在所述4H-SiC衬底10上生长4H-SiC外延层101；
(c)在所述4H-SiC外延层101中分别制作P区102与N区103；
(d)在所述P区102与所述N区103表面依次淀积镍、钛、铝作为接触金属层104；
(e)在所述接触金属层104表面淀积阻挡金属层105；
(f)将包括所述4H-SiC衬底10、所述4H-SiC外延层101、所述P区102、所述N区103、所述接触金属层104及阻挡金属层105的整个材料进行退火处理以使所述接触金属层104分别与所述P区102及所述N区103表面形成欧姆接触。
本实施例，通过将镍、钛、铝作为接触金属层，使得在较低的退火温度下，可以同时在碳化硅外延层材料中的N型区域与P型区域表面同时形成欧姆接触，提高了器件的可靠性。
实施例二
与上述实施例不同之处，在于本实施例在上述实施例的基础上，重点对碳化硅欧姆接触的制备方法进行了详细描述。
一种碳化硅欧姆接触的制备方法，包括：
(S01)选取4H-SiC衬底10，对所述4H-SiC衬底10进行标准RCA清洗。该步骤的目的是为了去除4H-SiC衬底材料上的杂质。
(S02)所述4H-SiC衬底10上生长4H-SiC外延层101；
(S03)在所述4H-SiC外延层101中分别制作P区102与N区103；包括：
(S031)利用PECVD工艺，在所述4H-SiC外延层101上生长SiO2掩膜；
(S032)利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在所述SiO2掩膜表面分别形成第一待刻蚀区域与第二待刻蚀区域；
(S033)利用反应离子刻蚀工艺在所述第一待刻蚀区域与所述第二待刻蚀区域刻蚀所述SiO2掩膜层以在所述4H-SiC外延层101表面分别形成第一离子待注入区域与第二离子待注入区域；
(S034)用离子注入工艺，在所述第一离子待注入区域与所述第二离子待注入区域分别注入P与Al，并将包括所述4H-SiC衬底10的整个材料在1700℃下退火30min以在所述4H-SiC外延层101中分别形成所述N区103与所述P区102。
其中，在步骤(S034)中，所述N区103与所述P区102的掺杂浓度可以根据实际需要而定，例如N区掺P的掺杂浓度可以为1.0×1020cm-3、P区掺Al的掺杂浓度可以为3.8×1020cm-3；退火温度为1700℃，退火时间为30min。
(S04)在所述P区102与所述N区103表面依次淀积镍、钛、铝作为接触金属层104；
进一步地，在步骤(S04)中，采用直流磁控溅射工艺，在所述P区102与所述N区103表面依次淀积所述镍、所述钛、所述铝以形成所述接触金属层104。金属淀积的功率均为100W，金属淀积时腔内真空度≤5e-6mTorr，气流量分别为镍24Ar/sccm，钛、铝为16Ar/sccm。金属淀积的速率分别为镍、铝10nm/min，钛为2.85nm/min。所述镍的厚度为所述钛的厚度为所述铝的厚度为优选地，所述镍的厚度为所述钛的厚度为所述铝的厚度为
其中，由于钛层金属的引入，其可以结合镍与SiC反应产生的游离的C，避免游离C石墨化而破坏界面光滑度，同时，在一定程度上抑制SiC界面镍与SiC的剧烈反应，减小应力作用，避免过激反应造成界面产生空洞，断层。由于铝本身的活性且能起到催化的作用，促进了过渡态物相Ni2Si和Ti3SiC2的形成，有利于形成良好的欧姆接触，并降低欧姆接触的比接触电阻值。
(S05)在所述接触金属层104表面淀积阻挡金属层105；
进一步地，在步骤(S05)中，所述阻挡金属层105的材料为W或者TaSi2/Pt或者W/TaSi2/Pt或者Ti/Pt。
其中，所述阻挡金属层105一般采用直流磁控溅射淀积工艺，用硅化钽作阻挡金属层时采用射频磁控溅射淀积工艺，金属淀积的功率均为100W，金属淀积的速率为铂2.85nm/min，钨8.9nm/min，硅化钽2.89nm/min，金属淀积时腔内真空度≤5e-6mTorr，气流量为16Ar/sccm。
其中，阻挡金属层105的引入，阻止了铝的外扩散，使得结构不易被氧化，同时，有利于欧姆接触形成的物相：Ni2Si和Ti3SiC2的形成，W和Pt金属强的惰性，可以确保欧姆接触表面在高温老化过程中保持平整。
(S06)将包括所述4H-SiC衬底10、所述4H-SiC外延层101、所述P区102、所述N区103、所述接触金属层104及阻挡金属层105的整个材料进行退火处理以使所述接触金属层104分别与所述P区102及所述N区103表面形成欧姆接触。
进一步地，在步骤(S06)中，所述退火处理的温度为750～850℃。
优选地，整个材料的退火温度采用阶段式退火温度，请参见图2，图2为本发明实施例的一种碳化硅欧姆接触的制备方法的退火工艺的温度随时间变化的曲线示意图。在步骤(S06)中，将所述整个材料退火采用阶段式快速升温与快速退火，退火氛围为N2。包括：阶段一：从常温上升到400℃，阶段二：保持温度不变，阶段三：10s后，以10℃/s的速率升温到800℃，阶段四：保持温度不变，阶段五：2min后，降温到400℃，阶段六：经水冷420s至常温取出。
本实施例的有益效果如下：
1、本发明实施例所提供的低温退火碳化硅欧姆接触方案，镍/钛组分为3:1，钛/铝组分约为1:3，在此条件下，在800℃快速退火条件下实现了N型与P型欧姆接触，并有着良好的比接触电阻值，N型达到-4量级；P型为-5量级；
2、本发明实施例采用阶段性低温退火方案实现碳化硅欧姆接触，生成的欧姆接触应力小、质量高、欧姆接触的比接触电阻值低且耐高温。
实施例三
请参见图3，图3为采用本发明实施例提供的一种碳化硅欧姆接触的制备方法制备的CMOS器件结构示意图。
与上述实施例不同之处，在于本实施例在上述实施例的基础上，重点对利用上述实施例二的碳化硅欧姆接触的制备方法对CMOS器件的制备流程进行了详细描述。
(S100)选取4H-SiC衬底10，对所述4H-SiC衬底10进行标准RCA清洗。
(S101)在清洗过后的所述4H-SiC衬底10上生长4H-SiC外延层101。
(S102)在所述4H-SiC外延层101中分别形成P阱1011和N阱1012。
(S103)在1700℃下高温退火30min，在所述P阱1011中形成N区103，在所述N阱1012中形成P区102。
(S104)对整个碳化硅表面进行干氧氧化，形成SiO2隔离介质以形成栅介质20。
(S105)在所述4H-SiC外延层101、所述P区102、所述N区103以及所述栅介质20表面依次淀积镍、钛、铝金属形成接触金属层104。所述接触金属层104采用直流磁控溅射淀积，淀积的功率均为100W，淀积的速率分别为镍10nm/min、钛2.85nm/min、铝10nm/min，淀积时腔内真空度≤5e-6mTorr，气流量分别为镍24Ar/sccm，钛、铝16Ar/sccm，所述镍的厚度为所述钛的厚度为所述铝的厚度为
(S106)在所述接触金属层104表面淀积阻挡金属层105。所述阻挡金属层105的材料为W或者TaSi2/Pt或者W/TaSi2/Pt或者Ti/Pt。用硅化钽作所述阻挡金属层105时采用射频磁控溅射沉积，淀积的功率均为100W，淀积的速率分别为钛、铂2.85nm/min、钨8.9nm/min、硅化钽2.89nm/min，淀积时腔内真空度≤5e-6mTorr，气流量分别为钛、钨、铂、硅化钽16Ar/sccm。
(S107)将所述整个材料退火，形成欧姆接触电极和栅电极。请再次参见图2，退火过程包括：从常温上升到400℃，恒温400℃持续10s，然后以10℃/s的速率升温到800℃，恒温800℃持续2min，然后降温到400℃，最后经水冷420s至常温。
(S108)在所述整个材料表面生长氧化隔离结构30。
(S109)在所述氧化隔离结构30表面形成钝化层40；
(S110)形成互连金属50以完成COMS器件的制备。
本发明的实施例可以达到以下有益效果：
采用本发明实施例的碳化硅欧姆接触制备方法制备COMS的电极，在低温下同时形成P型和N型的欧姆接触电极，且制备的欧姆接触电极具有良好的电学特性，其制备条件简单，工艺流程简单，较大程度节省时间和成本。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种碳化硅欧姆接触的制备方法，其特征在于，包括：
(a)选取4H-SiC衬底(10)；
(b)在所述4H-SiC衬底(10)上生长4H-SiC外延层(101)；
(c)在所述4H-SiC外延层(101)中分别制作P区(102)与N区(103)；
(d)在所述P区(102)与所述N区(103)表面依次淀积镍、钛、铝以形成接触金属层(104)；
(e)在所述接触金属层(104)表面淀积阻挡金属层(105)；
(f)将包括所述4H-SiC衬底(10)、所述4H-SiC外延层(101)、所述P区(102)、所述N区(103)、所述接触金属层(104)及所述阻挡金属层(105)的整个材料进行退火处理以使所述接触金属层(104)分别在所述P区(102)及所述N区(103)表面形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤(b)之前还包括：
对所述4H-SiC衬底(10)进行标准RCA清洗。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)包括：
(c1)利用PECVD工艺，在所述4H-SiC外延层(101)上生长SiO2掩膜层；
(c2)利用光刻工艺，选择性刻蚀光刻胶，在所述SiO2掩膜层表面分别形成第一待刻蚀区域与第二待刻蚀区域；
(c3)利用反应离子刻蚀工艺在所述第一待刻蚀区域与所述第二待刻蚀区域刻蚀所述SiO2掩膜层以在所述4H-SiC外延层(101)表面分别形成第一离子待注入区域与第二离子待注入区域；
(c4)利用离子注入工艺，在所述第一离子待注入区域与所述第二离子待注入区域分别注入P与Al，并将包括所述4H-SiC衬底(10)的整个材料进行退火处理以在所述4H-SiC外延层(101)中分别形成所述N区(103)与所述P区(102)。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述P区(102)的掺杂浓度为3.8×1020cm-3。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述N区(103)的掺杂浓度为1.0×1020cm-3。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(d)包括：采用直流磁控溅射工艺，在所述P区(102)与所述N区(103)表面依次淀积所述镍、所述钛、所述铝以形成所述接触金属层(104)。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述镍的厚度为所述钛的厚度为所述铝的厚度为
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阻挡金属层(105)的材料为W或者TaSi2/Pt或者W/TaSi2/Pt或者Ti/Pt。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为750～850℃。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理包括：从常温上升到400℃，恒温400℃持续10s，然后以10℃/s的速率升温到800℃，恒温800℃持续2min，然后降温到400℃，最后经水冷420s至常温。
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