CN109786447B - 一种P型SiC欧姆接触材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

为克服现有SiC材料P型欧姆接触存在比接触电阻率高以及退火处理导致的质量问题，本发明提供了一种P型SiC欧姆接触材料，包括SiC衬底、P型外延层和NiAl合金层，所述P型外延层形成于所述SiC衬底上，所述NiAl合金层位于所述P型外延层上，所述P型外延层和所述NiAl合金层的接触位置相互掺杂渗透形成有过渡区。同时，本发明还公开了上述P型SiC欧姆接触材料的制备方法。本发明提供的P型SiC欧姆接触材料及其制备方法有利于P‑SiC与金属之间形成良好的欧姆接触，是一种改良的欧姆接触形成技术。

Description

一种P型SiC欧姆接触材料及其制备方法

技术领域

本发明属于涉及一种P型SiC欧姆接触材料的制备方法。

背景技术

传统的与SiC的欧姆接触典型由金属—硅化物组合物形成，其中镍—硅化物是常用和希望的选择。一般而言，已经发现由与硅可以很好反应的金属形成的欧姆接触可以形成与碳化硅的良好欧姆接触。这些金属包括Ni、Co、W、Ta、Ti、Cr、Mo和Zr。然而，硅化物倾向于“在界面上产生复杂的冶金行为”(美国专利No.5442200第三栏第64-65行)。该专利描述了使用牺牲性硅层作为碳化硅表面和接触金属之间的化学计量限制元素，然后是相对高温度(900-10500C)的退火以产生欧姆特性。

其它研究者已经尝试采用化学计量的NiSi，但只在6H-SiC上，而没有在4H-SiC上取得成功(Deeb等人的A Low Temperature Route To Thermodynamically Stable OhmicContacts To n-Type 6H-SiC,Appl.Phys.Lett.，第84卷，第7期(2004)，第1117-1119页)。而其它人已经尝试采用化学计量的NiSi₂，然后进行高温退火(Nakamura等人的NiSi₂OhmicContact to n-type 4H-SiC,Materials Science Forum，第389-393卷(2002)，第889-892页)。

关于SiC材料P型欧姆接触的研究，主要的研究方法还是实验法，对工艺优化试验的依赖性很大，而在P型SiC欧姆接触机理和形成技术方面的研究比较少；有关这方面的专利，也都集中在多层欧姆接触金属结构的选择、改进，合金退火条件的改良方面(见专利CN201032635.卢嵩岳等.一种PIN结构4H-SiC紫外光电探测器；专利CN1195883.太田顺道等.欧姆电极的形成方法及半导体装置)。从欧姆接触形成技术角度出发的也只有有关镍-硅化物的欧姆接触方面(见专利CN101124660.国际公布2006-02-09，WO2006/014346英.A·沃德三世；J·P·海宁等.用于SiC半导体器件的富硅的镍-硅化物欧姆接触)，在采用碳化物或硅化物层形成良好欧姆接触方面文章有报道过。

目前的镍一硅化物接触在表现欧姆特性之前往往需要高于800℃(有时优选高达1050℃的温度)的处理(“退火”)温度。而退火处理同时也出现了金属-SiC结合劣化的情况，以及金属-SiC与环境气氛发生反应的问题。

受衬底浓度、界面微结构及表面形貌、合金条件差异大的影响，国内外各文献中得到的欧姆接触比接触电阻率的结果参差不齐，可重复性差。

发明内容

针对现有SiC材料P型欧姆接触存在比接触电阻率高以及退火处理导致的质量问题，本发明提供了一种P型SiC欧姆接触材料。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种P型SiC欧姆接触材料，包括SiC衬底、P型外延层和NiAl合金层，所述P型外延层形成于所述SiC衬底上，所述NiAl合金层位于所述P型外延层上，所述P型外延层和所述NiAl合金层的接触位置相互掺杂渗透形成有过渡区。

根据本发明提供的P型SiC欧姆接触材料，通过在SiC衬底及与其欧姆接触的NiAl合金层之间形成一个过渡区，该过渡区有利于P-SiC与金属之间形成良好的欧姆接触，是一种改良的欧姆接触形成技术。这种改良的欧姆接触形成技术可在P型掺杂水平有限的条件下，利用半导体输运过程与半导体能谱理论作为指导，有效调节接触势垒高度，增加遂穿机率，并综合考虑欧姆接触的形成机理、界面成分及微结构、界面形态及连接方式、表面形貌、接触电极的热稳定性等方面对界面过渡区域复合结构的影响，选择最优化的界面过渡层复合结构的制备条件，降低欧姆接触比接触电阻率，并且结果具有可重复性。

可选地，所述P型外延层包括外延区和P型掺杂区，所述外延区形成于所述P型外延层靠近所述SiC衬底的一侧，所述P型掺杂区形成于所述P型外延层靠近所述NiAl合金层的一侧，所述P型掺杂区中注入有Al元素。

可选地，所述过渡区包括富Al层和碳化物混合层，所述富Al层形成于所述过渡区靠近所述P型外延层的一侧，所述碳化物混合层形成于所述过渡区靠近所述NiAl合金层的一侧，所述碳化物混合层为Ni、Si、C三元化合物和Al、C二元化合物的混合层结构，所述碳化物混合层中C与Si的比值高于SiC衬底中的C与Si的比值。

可选地，所述NiAl合金层中Al的原子百分比含量范围为2％-5％。

可选地，所述NiAl合金层的厚度为20-100nm。

可选地，所述P型SiC欧姆接触材料还包括有绝缘层，所述绝缘层覆盖于所述P型外延层上，所述NiAl合金层露出于所述绝缘层。

可选地，还包括有金属电极层，所述金属电极层覆盖于所述NiAl合金层上，所述金属电极层为Al、Ti、Si和Cu中一种或几种组合。

另一方面，本发明还提供了如上所述的P型SiC欧姆接触材料的制备方法，包括如下步骤：

在SiC衬底上形成P型外延层；

在P型外延层上形成NiAl合金层；

对形成有NiAl合金层的SiC衬底进行退火，退火温度为800-1050℃，退火时间2-5min，使P型外延层和NiAl合金层的接触位置相互掺杂渗透形成过渡区；

得到P型SiC欧姆接触材料。

可选地，所述“在SiC衬底上形成P型外延层”包括：

对SiC衬底进行表面清洗和干燥，在SiC衬底表面上形成外延层，通过离子注入的方式往外延层中注入Al离子，高温退火激活Al离子，退火温度为1600～1800℃，退火时间为20～50min，形成P型外延层。

可选地，所述“在P型外延层上形成NiAl合金层”包括：

通过真空溅镀的方式在所述P型外延层上沉积欧姆接触的NiAl合金层，所述NiAl合金层中Al的原子百分比含量范围为2％-5％。

可选地，所述“使P型外延层和NiAl合金层的接触位置相互掺杂渗透形成过渡区”之后还包括：

在所述P型外延层上形成绝缘层，通过蚀刻将NiAl合金层露出于所述绝缘层。

可选地，还包括：

在所述绝缘层和所述NiAl合金层表面沉积金属电极层，通过蚀刻使得所述金属电极层与所述NiAl合金层重叠，所述金属电极层为Al、Ti、Si和Cu中一种或几种组合。

对应上述的P型SiC欧姆接触材料，提供了其制备方法，其中，采用快速热退火方式进行合金化形成欧姆接触，能够有效地使NiAl合金层与SiC衬底之间形成过渡区域，同时避免退火时间过长对碳化硅本身造成的损伤。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的P型SiC欧姆接触材料的第一状态结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的P型SiC欧姆接触材料的第二状态结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的P型SiC欧姆接触材料的第三状态结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的P型SiC欧姆接触材料的第四状态结构示意图；

图5是本发明一实施例提供的P型SiC欧姆接触材料的第五状态结构示意图；

图6是本发明一实施例提供的P型SiC欧姆接触材料的第六状态结构示意图；

图7是本发明一实施例提供的P型SiC欧姆接触材料的第七状态结构示意图；

图8是本发明一实施例提供的TLM测试图像。

说明书附图中的附图标记如下：

1、SiC衬底；2、P型外延层；21、外延区；22、P型掺杂区；3、NiAl合金层；31、电极图案；4、过渡区；5、绝缘层；6、金属电极层；61、金属电极层图案。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图4所示，本发明一实施例公开了一种P型SiC欧姆接触材料，包括SiC衬底1、P型外延层2和NiAl合金层3，所述P型外延层2形成于所述SiC衬底1上，所述NiAl合金层3位于所述P型外延层2上，所述P型外延层2和所述NiAl合金层3的接触位置相互掺杂渗透形成有过渡区4。

本P型SiC欧姆接触材料在SiC衬底1及与其欧姆接触的NiAl合金层3之间形成一个过渡区4，该过渡区4有利于P-SiC与金属之间形成良好的欧姆接触，是一种改良的欧姆接触形成技术。这种改良的欧姆接触形成技术可在P型掺杂水平有限的条件下，利用半导体输运过程与半导体能谱理论作为指导，有效调节接触势垒高度，增加遂穿机率，并综合考虑欧姆接触的形成机理、界面成分及微结构、界面形态及连接方式、表面形貌、接触电极的热稳定性等方面对界面过渡区4域复合结构的影响，选择最优化的界面过渡层复合结构的制备条件，降低欧姆接触比接触电阻率，并且结果具有可重复性。

在本发明的一些实施例中，所述P型外延层2包括外延区21和P型掺杂区22，所述外延区21形成于所述P型外延层2靠近所述SiC衬底1的一侧，所述P型掺杂区22形成于所述P型外延层2靠近所述NiAl合金层3的一侧，所述P型掺杂区22中注入有Al元素。

具体的，所述P型掺杂区22中Al元素的掺杂浓度为6E18/cm³。

在其他实施例中，形成所述P型外延层2还可以是在外延层掺杂B元素得到。

在其他实施例中，所述P型外延层2也可为一整体的P型掺杂区。

当所述P型外延层2是由Al元素掺杂SiC得到时，所述NiAl合金层3与富含Al元素的所述P型外延层2直接接触，通过后续的退火处理得到过渡区4，所述过渡区4包括富Al层和碳化物混合层，所述富Al层形成于所述过渡区4靠近所述P型外延层2的一侧，所述碳化物混合层形成于所述过渡区4靠近所述NiAl合金层3的一侧，所述碳化物混合层为Ni、Si、C三元化合物和Al、C二元化合物的混合层结构，所述碳化物混合层中C与Si的比值高于SiC衬底1中的C与Si的比值。

通过控制所述过渡区4中形成富Al层和碳化物混合层，在所述富Al层中含有游离态的Si，可用于提高SiC衬底表面载流子浓度，增加遂穿机率；由Ni、Si、C三元化合物和Al、C二元化合物混合得到的碳化物混合层，可用于调节势垒高度，使高势垒变为阶梯势垒，形成良好欧姆接触，进一步地改善了P型SiC欧姆接触材料的整体欧姆接触特性。

发明人通过大量的实验发现，当所述NiAl合金层3中Al的原子百分比含量范围为2％-5％时，得到的P型SiC欧姆接触材料具有较低的比接触电阻率，当所述NiAl合金层3中Al的原子百分比含量范围小于2％或大于5％时，均不利于P型SiC欧姆接触材料的比接触电阻率的降低。

在本发明的一些实施例中，所述NiAl合金层3的厚度为20-100nm。需要说明的是，本发明不对所述NiAl合金层3的厚度进行特殊限定，在其他实施例中，根据将P型SiC欧姆接触材料应用于不同的设备环境，本领域技术人员可对所述NiAl合金层3的厚度进行适应性调整。

如图5所示，所述P型SiC欧姆接触材料可应用于不同的半导体领域，应用于电绝缘性要求较高的领域时，所述P型SiC欧姆接触材料还包括有绝缘层5，所述绝缘层5覆盖于所述P型外延层2上，所述NiAl合金层3露出于所述绝缘层5。

所述绝缘层5用于避免外部的电接触干扰，针对不同的应用环境，所述绝缘层5的材料可选择二氧化硅、聚酰亚胺或其他具有电绝缘特性的材料。

如图7所示，在本发明的一些实施例中，所述P型SiC欧姆接触材料还包括有金属电极层6，所述金属电极层6覆盖于所述NiAl合金层3上，其主要作用是保证封装打线或测量时接触良好。

所述金属电极层6为Al、Ti、Si和Cu中一种或几种组合，更优选的，所述金属电极层6选自Al、Ti、AlSi、AlCu、AlSiCu等单质金属或合金材料。

本发明另一实施例公开了上述P型SiC欧姆接触材料的制备方法，包括如下步骤：

在SiC衬底1上形成P型外延层2；

在P型外延层2上形成NiAl合金层3；

对形成有NiAl合金层3的SiC衬底1进行退火，退火温度为800-1050℃，退火时间2-5min，使P型外延层2和NiAl合金层3的接触位置相互掺杂渗透形成过渡区4；

得到P型SiC欧姆接触材料。

发明人通过大量实验发现，采用传统制备方法应用于本实施例中的P型SiC欧姆接触材料制备，对形成有NiAl合金层3的SiC衬底1进行退火时，退火时间过长，通常引起接触中的空隙、接触内和临近的碳区、不希望的镍与硅的结合，使金属-SiC界面展宽，以及使界面形貌粗糙化。进而，导致表面粗糙度，接触中和周围的扩散路径，以及潜在的接触从碳化硅上的分层。这些情况会在实施任何随后淀积其他层时引起问题，并还倾向于更易促使器件和其周围环境之间发生不希望的化学反应，典型为与气氛(氧)或者湿气之间的反应。

本实施例提供的制备方法采用快速热退火方式进行合金化形成欧姆接触，能够有效地使NiAl合金层3与SiC衬底1之间形成过渡区4，同时避免退火时间过长对碳化硅本身造成的损伤。

在本发明的一些实施例中，所述“在SiC衬底1上形成P型外延层2”包括：

对SiC衬底1进行表面清洗和干燥，在SiC衬底1表面上形成外延层，通过离子注入的方式往外延层中注入Al离子，高温退火激活Al离子，退火温度为1600～1800℃，退火时间为20～50min，形成P型外延层2。

在一些实施例中，在SiC衬底1表面上形成外延层的方法可采用化学气相沉积法，在这种方法中，将原料气体(诸如对碳化硅时的硅烷SiH₄和丙烷C₃H₈、乙烯等)引入加热的反应舱室，该舱室还包括SiC衬底1，通过控制温度分布，气体速度，气体浓度，化学性质和压力等因素在SiC衬底1表面形成外延层。

Al离子注入外延层时，会在晶体内产生大量的晶格缺陷，影响载流子浓度和迁移率，通过高温退火处理能够有效消除Al离子注入带来的晶格缺陷问题，恢复其载流子浓度和迁移率。

在本发明的一些实施例中，通过真空溅镀的方式在所述P型外延层2上沉积欧姆接触的NiAl合金层3，所述NiAl合金层3中Al的原子百分比含量范围为2％-5％。

在一些实施例中，根据需要将所述NiAl合金层3蚀刻出特定的电极图案31。

由于所述NiAl合金层3为金属层，所述电极图案31可采用感光膜、菲林、蚀刻液通过曝光显影的方式蚀刻得到。

在其他实施例中，所述NiAl合金层3还可通过电镀或蒸镀等方式在所述P型外延层2上成型。

在其他实施例中，所述电极图案31也可通过在所述P型外延层2上设置掩膜后进行溅镀形成。

在本发明的一些实施例中，所述“使P型外延层2和NiAl合金层3的接触位置相互掺杂渗透形成过渡区4”之后还包括：

在所述P型外延层2上形成绝缘层5，通过蚀刻将NiAl合金层3露出于所述绝缘层5。

在所述绝缘层5和所述NiAl合金层3表面沉积金属电极层6，通过蚀刻使得所述金属电极层6与所述NiAl合金层3重叠，所述金属电极层6为Al、Ti、Si和Cu中一种或几种组合。

在一些实施例中，为了测试比接触电阻率，根据需要对所述金属电极层6进行蚀刻得到金属电极层图案61，所述金属电极层图案61与所述NiAl合金层3的电极图案31重叠。

为了方便对得到的P型SiC欧姆接触材料通过TLM(transmission line model，传输线模型)测试其比接触电阻率，在本发明的一些实施例中，所述电极图案31为传输线模型图案。

以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。

本实施例用于说明本发明公开的P型SiC欧姆接触材料及其制备方法，包括以下操作步骤：

步骤一：如图1所示，对SiC衬底1进行表面清洗和干燥，在SiC衬底1表面上形成外延层，通过离子注入的方式往外延层中注入Al离子，形成P型掺杂区22和外延区21，高温退火激活Al离子，其中掺杂的Al离子浓度为6E18/cm³，退火温度为1600～1800℃，退火时间为20～50min，形成P型外延层2。

步骤二：如图2所示，在P型掺杂区22上沉淀用于欧姆接触的NiAl合金层3，并且刻蚀出传输线模型(TLM)图案，形成欧姆接触的多个电极图案31，如图3所示。其中电极图案31的尺寸都为300μm×200μm，各个电极图案31沿一直线呈线性排列，电极图案31之间的间距依次为50μm、75μm、100μm、125μm、150μm、200μm。NiAl合金层3的厚度范围为20-100nm，其中Al的原子百分比含量范围为2％。

步骤三：快速热退火，使欧姆接触NiAl合金层3的电极图案31与P型掺杂区22合金化，形成过渡区4，退火温度为800-1050℃，退火时间为2min，所述过渡区4包括富Al层和碳化物混合层，所述富Al层形成于所述过渡区4靠近所述P型外延层2的一侧，所述碳化物混合层形成于所述过渡区4靠近所述NiAl合金层3的一侧，所述碳化物混合层为Ni、Si、C三元化合物和Al、C二元化合物的混合层结构，所述碳化物混合层中C与Si的比值高于SiC衬底1中的C与Si的比值，如图4所示。

步骤四：在所述P型外延层2上形成绝缘层5，通过蚀刻使NiAl合金层3的电极图案31显露出绝缘层5，如图5所示。

步骤五：如图6所示，所述绝缘层5和所述NiAl合金层3表面沉积金属电极层6，并且刻蚀出分离出与所述传输线模型图案重合的金属电极层图案61，如图7所示。金属电极层6的材料为Al，厚度为2-5μm，得到P型SiC欧姆接触材料。

性能测试

对上述制备得到的P型SiC欧姆接触材料进行TLM测试，得到的测试结果如图8所示。由图8的结果计算得到所述P型SiC欧姆接触材料的比接触电阻率约为30mΩ·cm²，说明采用本发明提供的制备方法制备得到的P型SiC欧姆接触材料能够有效降低比接触电阻率，具有较好的欧姆接触性能，进而有利于金属-硅化物接触面处的能量损耗降低，提高其应用效果和使用寿命。同时由于本制备方法条件控制简单，具有较好的可重复性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种P型SiC欧姆接触材料，其特征在于，包括SiC衬底、P型外延层和NiAl合金层，所述P型外延层形成于所述SiC衬底上，所述NiAl合金层位于所述P型外延层上，所述P型外延层和所述NiAl合金层的接触位置相互掺杂渗透形成有过渡区；

所述P型外延层包括外延区和P型掺杂区，所述外延区形成于所述P型外延层靠近所述SiC衬底的一侧，所述P型掺杂区形成于所述P型外延层靠近所述NiAl合金层的一侧，所述P型掺杂区中注入有Al元素；

所述过渡区包括富Al层和碳化物混合层，所述富Al层形成于所述过渡区靠近所述P型外延层的一侧，所述碳化物混合层形成于所述过渡区靠近所述NiAl合金层的一侧，所述碳化物混合层为Ni、Si、C三元化合物和Al、C二元化合物的混合层结构，所述碳化物混合层中C与Si的比值高于SiC衬底中的C与Si的比值。

2.根据权利要求1所述的P型SiC欧姆接触材料，其特征在于，所述NiAl合金层中Al的原子百分比含量范围为2％-5％。

3.根据权利要求1所述的P型SiC欧姆接触材料，其特征在于，所述NiAl合金层的厚度为20-100nm。

4.根据权利要求1所述的P型SiC欧姆接触材料，其特征在于，所述P型SiC欧姆接触材料还包括有绝缘层，所述绝缘层覆盖于所述P型外延层上，所述NiAl合金层露出于所述绝缘层。

5.根据权利要求1所述的P型SiC欧姆接触材料，其特征在于，还包括有金属电极层，所述金属电极层覆盖于所述NiAl合金层上，所述金属电极层为Al、Ti、Si和Cu中一种或几种组合。

6.一种P型SiC欧姆接触材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

对SiC衬底进行表面清洗和干燥，在SiC衬底表面上形成外延层，通过离子注入的方式往外延层中注入Al离子，高温退火激活Al离子，退火温度为1600～1800℃，退火时间为20～50min，形成P型外延层；

在P型外延层上形成NiAl合金层；

对形成有NiAl合金层的SiC衬底进行退火，退火温度为800-1050℃，退火时间2-5min，使P型外延层和NiAl合金层的接触位置相互掺杂渗透形成过渡区；

得到P型SiC欧姆接触材料。

7.根据权利要求6所述的P型SiC欧姆接触材料的制备方法，其特征在于，所述在P型外延层上形成NiAl合金层包括：

通过真空溅镀的方式在所述P型外延层上沉积欧姆接触的NiAl合金层，所述NiAl合金层中Al的原子百分比含量范围为2％-5％。

8.根据权利要求6所述的P型SiC欧姆接触材料的制备方法，其特征在于，所述使P型外延层和NiAl合金层的接触位置相互掺杂渗透形成过渡区之后还包括：

在所述P型外延层上形成绝缘层，通过蚀刻将NiAl合金层露出于所述绝缘层。

9.根据权利要求8所述的P型SiC欧姆接触材料的制备方法，其特征在于，还包括：

在所述绝缘层和所述NiAl合金层表面沉积金属电极层，通过蚀刻使得所述金属电极层与所述NiAl合金层重叠，所述金属电极层为Al、Ti、Si和Cu中一种或几种组合。

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