CN109979813B - 一种低温碳化硅欧姆接触的制备方法及金属结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温碳化硅欧姆接触的制作方法，包括以下步骤：步骤S1：准备N型或P型的碳化硅衬底，并准备好需要制作欧姆接触的区域；步骤S2：在所述欧姆接触区域上沉积多层金属形成金属层，金属层从下至上依次包括以蒸发的方式制作的镍薄膜层、以溅射的方式制作的非晶硅薄膜层和以蒸发或者溅射方式制作的钛薄膜层，其中，在镍薄膜层中镍与非晶硅薄膜层中硅的原子比应大于0.25且不超过0.50；步骤S3：将所述金属层进行退火处理，退火温度为600‑780℃，以完成所述欧姆接触结构的制备。本发明不但能降低欧姆接触退火温度，而且还能有效的避免碳析出。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，特指一种低温碳化硅欧姆接触的制备方法及金属结构。
背景技术
碳化硅（SiC）作为宽禁带半导体材料，因其高临界击穿场强、低导通电阻、高电子迁移率及高热导率等优势越发受到人们关注，尤其在功率器件市场，SiC器件应用前景非常广阔。
在SiC功率器件的制造工艺中，电极的制作由于金属-半导体势垒高、钉扎效应及复杂表面态等原因区别于传统硅工艺，一直是SiC工艺的重点和难点。对于制作N型碳化硅欧姆接触，可以选择金属Ni作为接触金属已成为业界常识，然而随着SiC芯片的产业化进程，Ni基SiC欧姆接触及其衍生工艺暴露出了一些无法忽视的短板。
为了制作N型碳化硅欧姆接触实质上的核心膜层NixSiy合金（主要成分包括NiSi2、NiSi、Ni2Si、Ni3Si等相态），通常需要进行800℃-1100℃的高温快速退火，使得Ni与SiC充分反应形成合金。然而，800℃以上的高温将不可逆地损伤部分前道工艺，比如栅氧工艺，高温退火会增大界面态，降低沟道迁移率。因此，出现了寻求低温制作欧姆接触的办法。如专利WO2003038877，先在背面制作高注入掺杂区，再沉积金属以隧穿效应直接形成欧姆接触，但实际操作过程中由于表面态问题该方法的重复性不佳。如专利WO2001084609采用先PECVD一层非晶硅再沉积欧姆接触金属的方法，将退火温度降到200-360℃之间，但该方法退火时间过长（12-18h），不具备产业化现实意义。如专利CN201710233397，其采用锗注入的方法来形成低温欧姆接触，但锗掺杂工艺工业上尚不成熟。因此，目前业界的常用办法仍然是基于Ni金属的高温退火。
Ni基SiC欧姆接触由于在退火过程中形成NixSiy合金，将不可避免地导致未反应的碳外扩散，在目标温度（800℃-1000℃）下碳会析出至合金表面，造成后续工艺如金属电极加厚出现粘附性问题，加厚金属与合金金属之间容易脱落，极大影响器件可靠性。通常，金属钛可以在欧姆接触形成过程中与碳反应抑制碳析出，但为了实现良好的欧姆接触，镍与钛的原子比（at.%）需控制在1.2以上，而满足该条件的钛薄层在欧姆接触退火后不足以完全抑制碳析出。对此，国内外提出了大量针对碳析出问题的解决办法，最常用的办法是在欧姆金属上沉积保护层，如采用TiN、TiW、Ti/Ni、NiSi、Ti/Pt、W或者TaSi2/Pt及其衍生薄层作为欧姆金属保护层，以防止退火过程中的碳析出，然而这些方法在需要图形化的欧姆接触时均存在保护层的图形化问题，另外，退火温度也普遍较高。
因此，本发明人对此做进一步研究，研发出一种低温碳化硅欧姆接触的制备方法及金属结构，本案由此产生。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种低温碳化硅欧姆接触的制备方法及金属结构，不但能降低欧姆接触退火温度，而且还能有效的避免碳析出。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
一种低温碳化硅欧姆接触的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：准备N型或P型的碳化硅衬底，并准备好需要制作欧姆接触的区域；
步骤S2：在所述欧姆接触区域上沉积多层金属形成金属层，金属层从下至上依次包括以蒸发的方式制作的镍薄膜层、以溅射的方式制作的非晶硅薄膜层和以蒸发或者溅射方式制作的钛薄膜层，其中，在镍薄膜层中镍与非晶硅薄膜层中硅的原子比应大于0.25且不超过0.50；
步骤S3：将所述金属层进行退火处理，退火温度为600-780℃，以完成所述欧姆接触结构的制备。
优选的，在步骤S1中，首先，在碳化硅衬底的正面生长N型或P型碳化硅外延，接着，对碳化硅晶圆进行清洗。
优选的，在步骤S1中，首先，对碳化硅衬底进行清洗，接着，在碳化硅衬底表层形成N 型掺杂，其掺杂浓度覆盖1017-1020 cm-3，或者，在碳化硅衬底表层形成P型掺杂，其掺杂浓度覆盖1018-1020 cm-3。
优选的，在步骤S2中，镍薄膜层的厚度范围20-100nm。
优选的，在步骤S2中，钛薄膜层的厚度范围50-300nm。
优选的，在步骤S3中，退火时间范围是2-10min。
一种低温碳化硅欧姆接触金属结构，包括镍薄膜层、非晶硅薄膜层和钛薄膜层；其中，在镍薄膜层中镍与非晶硅薄膜层中硅的原子比应大于0.25且不超过0.50。
优选的，所述金属结构沉积在碳化硅晶圆正面或者背面。
优选的，镍薄膜层的厚度范围20-100nm，钛薄膜层的厚度范围50-300nm。
优选的，镍薄膜层的厚度为40nm，非晶硅薄膜层的厚度为25nm，钛薄膜层的厚度为100nm。
采用上述方案后，本发明采用Ni/Si/Ti（镍/硅/钛）三层薄膜结构，第一层镍采用蒸发方式制作，并通过晶粒大小的控制寻找到一种易于进行碳化硅欧姆合金的镍薄膜状态。第二层非晶硅采用溅射方式制作，溅射时的DC能量足够高，同时，由于第一层的镍薄膜为蒸发金属，使得在溅射过程中非晶硅与镍薄膜就有一个混合的过程。如此，在相对低温（如600℃-780℃）的退火条件下，就可以形成碳化硅欧姆接触必须的NiSi2、NiSi、Ni2Si、Ni3Si各个相态，尤其是最关键的NiSi、Ni2Si两种合金，实现欧姆接触。本发明是通过合理的Ni与Si的成分比，以及相对低温退火的方式，形成比接触电阻率低、表面光洁无碳析出的欧姆接触。
本发明具有以下优点：
1．在欧姆接触金属结构的最外层进行Ti薄膜保护，由于本发明欧姆接触机理不是单纯的SiC与Ni相互扩散，而是SiC与非晶硅从镍层两边同时向内扩散，因此最外层的Ti足够厚，既可以保证游离碳不会析出至金属表面，又不会影响欧姆接触性能，从而完美解决碳析出问题，另外，采用Ti作为欧姆接触最外层，在电极加厚工艺中可以有效避免加厚金属起皮（Peeling）现象；
2．本发明采用的欧姆接触金属结构中Ni和Ti均是SiC产业中最常用金属，而非晶硅由于其绝缘性质可以不做图形化处理，充当钝化层，因此，本发明不存在背景技术中所述的图形化困难问题，避免了制作需图形化欧姆接触时的非常用膜层（如TiN、TiW、NiSi、W、TaSi2等）的使用；
3．本发明的退火条件是在相对低温600℃-780℃，克服了背景技术中高温退火产生的技术问题。
附图说明
图1是本发明的制备方法流程图；
图2是本发明金属结构的示意图；
图3是本发明实施例步骤S1的示意图；
图4是本发明实施例的结构示意图。
标号说明
碳化硅晶圆1 欧姆接触区域10 P+高掺杂区域11
N+高掺杂区域12 P阱13 镍薄膜层2
非晶硅薄膜层3 钛薄膜层4 栅极氧化硅5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。在此需要说明的是，下面所描述的本发明各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合，所描述的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明所揭示的是一种低温碳化硅欧姆接触的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤S1：准备N型或P型的碳化硅衬底，并形成需要制作欧姆接触的区域10。该区域可以是碳化硅衬底背面，也可以是正面N型外延或P型外延区域，也可以是正面N型注入或P型注入区域。
步骤S2：在所述欧姆接触区域10上沉积多层金属形成金属层，金属层从下至上依次包括镍薄膜层2、非晶硅薄膜层3和钛薄膜层4。
镍薄膜层2以蒸发的方式制作，蒸发时调节蒸发速率与温度使得沉积的镍金属晶粒足够大，典型地，如40nm以上。在镍薄膜层2镀膜完毕后，如需制作图形化欧姆接触，其方法可以是湿法腐蚀、干法刻蚀或剥离法（Lift-off）。
在上述镍薄膜层2上以溅射的方式沉积非晶硅膜层3，硅与上述镍的原子比应大于0.25且不超过0.50。应注意需要采用溅射的方式沉积非晶硅薄膜，溅射时轰击靶材的能量应足够大，典型地，如采用直流磁控溅射其DC功率应大于8000W。由于非晶硅的绝缘性，如果欧姆接触需要图形化，本步骤的非晶硅薄膜可以留在非欧姆接触区域不做处理，也可以通过湿法腐蚀、干法刻蚀或剥离手段进行图形化。
在上述非晶硅膜层3上沉积钛薄膜层4，其方法可以是蒸发或者溅射，其作用是欧姆接触的保护层，防止碳析出。钛薄膜层4完毕后，如需制作图形化欧姆接触，其方法可以是湿法腐蚀、干法刻蚀或剥离法（Lift-off）。另外，也可以在上述镍薄膜层2、非晶硅薄膜层3和钛薄膜层4的膜层全部完成沉积后，再一并进行图形化。
步骤S3：将所述金属层进行退火处理，退火温度为600-800℃，以完成所述欧姆接触结构的制备。
所述碳化硅欧姆接触，具体指N型碳化硅欧姆接触以及P型碳化硅欧姆接触。对于需要形成N型欧姆接触的区域，需要至少在碳化硅表层形成N型掺杂，其掺杂浓度覆盖1017-1020 cm-3，其方法可以是衬底生长掺杂，如业界大多数碳化硅衬底为掺杂浓度约1018 cm-3的N型衬底，也可以是外延生长掺杂或者离子注入接激活退火。对于需要形成P型欧姆接触的区域，需要至少在碳化硅表层形成P型掺杂，其掺杂浓度覆盖1018-1020 cm-3，其方法同样可以是衬底生长掺杂、外延生长掺杂以及离子注入接激活退火。如果要求形成低比接触电阻率，典型地，N型掺杂需要在1018 cm-3以上，P型掺杂需要在1019 cm-3以上。并且掺杂区应保证足够高的电激活率（＞90%），在离子注入掺杂方式下这通常意味着要进行1600-1900℃的高温激活退火。
优选的，在步骤S1中，首先，在碳化硅衬底的正面生长N型或P型碳化硅外延，接着，对碳化硅晶圆1进行清洗。
优选的，在步骤S1中，首先，对碳化硅衬底进行清洗，接着，在碳化硅衬底表层形成N 型掺杂，其掺杂浓度覆盖1017-1020 cm-3，或者，在碳化硅衬底表层形成P型掺杂，其掺杂浓度覆盖1018-1020 cm-3。
优选的，在步骤S2中，镍薄膜层2的厚度范围20-100nm。
优选的，在步骤S2中，钛薄膜层4的厚度范围50-300nm。
优选的，在步骤S3中，退火时间范围是2-10min。
如图2所示，本申请另一实施例提供了一种低温碳化硅欧姆接触金属结构，包括镍薄膜层2、非晶硅薄膜层3和钛薄膜层4；其中，在镍薄膜层2中镍与非晶硅薄膜层3中硅的原子比应大于0.25且不超过0.50。
优选的，所述金属结构沉积在碳化硅晶圆1正面或者背面。本发明涉及的碳化硅欧姆接触金属结构，除衬底欧姆接触外（在SiC晶圆背面整面制作欧姆接触），还包括需图形化的欧姆接触，这通常会在碳化硅晶圆正面制作场氧或其它钝化层，以光刻的方式刻蚀出欧姆接触窗口，再在窗口中沉积欧姆接触金属；另外，也有不制作场氧或钝化层，直接在目标区域制作图形化欧姆接触金属的做法。以上做法均不脱离本发明所述的欧姆接触制作方法。
优选的，镍薄膜层2的厚度范围20-100nm，钛薄膜层4的厚度范围50-300nm。
如图3和图4所示，以SiC MOSFET的源极欧姆接触为例，对本发明作进一步详述。
首先，MOSFET器件需要在源极区域形成欧姆接触。先在源极P-Base区域（P阱）13形成N+高掺杂区域12与P+高掺杂区域11并完成栅极（Gate）氧化硅5。其中N+注入浓度8×1018cm-3，P+注入浓度2×1019cm-3，均通过离子注入方式掺杂，激活退火条件为1700℃ 激活退火的时间为30min。栅极氧化硅5以PECVD方式生长，并通过光刻与ICP刻蚀SiO2打开源极接触窗口（即欧姆接触区域10），如图3所示。
接着，短暂DHF清洗以保证源极接触窗口清洁，随即在碳化硅晶圆1正面首先以蒸镀的方式沉积一层金属镍，形成镍薄膜层2，厚度40nm，镍薄膜晶粒尺寸大于40nm。
在碳化硅晶圆1正面以直流磁控溅射的方式沉积一层非晶硅，在镍薄膜层2上形成非晶硅薄膜层3，其厚度25nm，溅射直流功率10kW。
在碳化硅晶圆1正面以直流磁控溅射的方式沉积一层金属钛，在非晶硅薄膜层3上形成钛薄膜层4，其厚度100nm。
采用金属刻蚀方式去除非源极区域薄膜，形成源极金属图形。
对晶圆进行700℃ 5min的快速退火处理（RTA），形成源极区域的P型与N型欧姆接触。其中，N+区欧姆接触的比接触电阻率可达到10-6 Ω·cm-2，P+区欧姆接触的比接触电阻率约10-3 Ω·cm-2。制备的欧姆接触结构比接触电阻低，热稳定性良好，抗氧化。
本发明保护范围不限于以上SiC MOSFET源极欧姆接触，还应包括所有可以达成本发明增益效果的SiC欧姆接触，理论上适用于所有N/P型碳化硅衬底欧姆接触、N/P型碳化硅外延欧姆接触以及离子注入形成的N/P型碳化硅欧姆接触。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (10)
1.一种低温碳化硅欧姆接触的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：准备N型或P型的碳化硅衬底，并准备好需要制作欧姆接触的区域；
步骤S2：在所述欧姆接触区域上沉积多层金属形成金属层，金属层从下至上依次包括以蒸发的方式制作的镍薄膜层，蒸发时调节蒸发速率与温度控制沉积的镍金属晶粒大于40nm；以直流磁控溅射的方式制作的非晶硅薄膜层，其DC功率大于8000W；以蒸发或者溅射方式制作的钛薄膜层，其中，在镍薄膜层中镍与非晶硅薄膜层中硅的原子比大于0.25且不超过0.50；
步骤S3：将所述金属层进行退火处理，退火温度为600-780℃，以完成所述欧姆接触结构的制备。
2.根据权利要求1所述的一种低温碳化硅欧姆接触的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，首先，在碳化硅衬底的正面生长N型或P型碳化硅外延，接着，对碳化硅晶圆进行清洗。
3.根据权利要求1所述的一种低温碳化硅欧姆接触的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，首先，对碳化硅衬底进行清洗，接着，在碳化硅衬底表层形成N型掺杂，其掺杂浓度覆盖1017-1020cm-3，或者，在碳化硅衬底表层形成P型掺杂，其掺杂浓度覆盖1018-1020cm-3。
4.根据权利要求1所述的一种低温碳化硅欧姆接触的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，镍薄膜层的厚度范围20-100nm。
5.根据权利要求1所述的一种低温碳化硅欧姆接触的制备方法，其特征在于：在步骤S2中，钛薄膜层的厚度范围50-300nm。
6.根据权利要求1所述的一种低温碳化硅欧姆接触的制备方法，其特征在于：在步骤S3中，退火时间范围是2-10min。
7.一种采用权利要求1所述方法制备的低温碳化硅欧姆接触金属结构，其特征在于：包括镍薄膜层、非晶硅薄膜层和钛薄膜层；其中，在镍薄膜层中镍与非晶硅薄膜层中硅的原子比大于0.25且不超过0.50。
8.根据权利要求7所述的一种低温碳化硅欧姆接触金属结构，其特征在于：所述金属结构沉积在碳化硅晶圆正面或者背面。
9.根据权利要求7所述的一种低温碳化硅欧姆接触金属结构，其特征在于：镍薄膜层的厚度范围20-100nm，钛薄膜层的厚度范围50-300nm。
10.根据权利要求7所述的一种低温碳化硅欧姆接触金属结构，其特征在于：镍薄膜层的厚度为40nm，非晶硅薄膜层的厚度为25nm，钛薄膜层的厚度为100nm。
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