CN111785620A - 一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法 - Google Patents

一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及功率半导体封装技术领域，涉及一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法，该方法的步骤依次包括；使用RCA清洗法清洗SiC衬底；使用干氧氧化法，使SiC衬底表面形成SiO2绝缘层；使用光刻工艺对SiO2绝缘层进行蚀刻，制作出掺杂窗口；形成P型掺杂SiC外延层；对SiC衬底进行等离子处理；在SiC衬底上依次沉积金属Ti、Co、Al；SiC衬底进行退火处理，形成欧姆接触电极；蚀刻掉未参与反应的金属以及欧姆接触电极表面的富铝层；在欧姆接触电极表面沉积金属Au，该制作方法可在较低的温度下实现P型SiC欧姆接触电极，同时可形成平整的、耐氧化的电极表面。

Description

一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法
技术领域
本发明涉及功率半导体封装技术领域，特别是涉及一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法。
背景技术
新一代半导体材料碳化硅(SiC)具有高频率、高热导率、高电压、低损耗等优异特性，被认为是制备高效节能的功率器件最理想的半导体材料，具有广阔的应用前景。要使SiC在高温、高频等领域的应用潜力得以充分发挥，其中一个关键的因素就是制备低电阻率、高稳定性的SiC欧姆接触电极。目前N型SiC欧姆接触电极的形成工艺机理和理论取得了较大的进展。然而，P型SiC形成欧姆接触电极使用的Ti-Al体系金属，需要在1000℃以上退火才能获得比接触电阻率低的欧姆接触电极，过高的温度使金属电极和界面出现缺陷，影响欧姆接触电极的稳定性；金属Al在退火之后形成的电极表面粗糙，抗氧化性低，不利于后续封装的键合。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法，可在较低的温度下实现P型SiC欧姆接触电极，同时可形成平整的、耐氧化的电极表面。
本发明的技术方案如下：
一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法，关键在于，所述的制作方法包括以下步骤：
A.使用RCA清洗法清洗SiC衬底；
B.使用干氧氧化法，使清洗后的SiC衬底表面形成SiO2绝缘层；
C.使用光刻工艺对SiO2绝缘层进行蚀刻，制作出掺杂窗口；
D.通过550-600℃Al离子注入的方法在掺杂窗口形成P型掺杂SiC外延层；
E.在180-220℃的温度环境下，激发氢气与氮气的混合气体，对带有P型掺杂SiC外延层的SiC衬底进行等离子处理；
F.在真空环境下，在等离子处理后的SiC衬底上依次沉积金属Ti、Co、Al；
G.在真空环境下，对沉积金属后的SiC衬底进行退火处理，形成欧姆接触电极；
H.将带有欧姆接触电极的SiC衬底放入蚀刻溶液蚀刻1-3min，蚀刻掉未参与反应的金属以及欧姆接触电极表面的富铝层，蚀刻溶液包括。
该制作方法还包括以下步骤：
I.在真空环境下，在经过蚀刻后的欧姆接触电极表面沉积金属Au。
所述的步骤A中使用的RCA清洗法的清洗步骤包括：
预处理：在去离子水中对SiC衬底进行超声清洗3-6min；
碱洗：将经过预处理的SiC衬底在70-80℃的混合溶液A中进行清洗3-6min，所述的混合溶液A的组分比为去离子水：氨水：双氧水＝(3-5)：1：1，SiC衬底经过混合溶液A清洗后，使用HF酸缓冲液清洗2-4min，使用去离子水清洗，去离子清洗次数≥2；
酸洗：将经过碱洗的SiC衬底在70-80℃的混合溶液B中进行清洗3-6min，所述的混合溶液B的组分体积比为去离子水：盐酸：双氧水＝(3-5)：1：1，SiC衬底经过混合溶液B清洗后，使用HF酸缓冲液清洗2-4min，使用去离子水清洗，去离子清洗次数≥2；
所述的步骤B中的干氧氧化法包括以下步骤：
将清洗后的SiC衬底在氧化炉炉口预热10-20min，推入氧化炉，使SiC衬底的温度升温至1100-1300℃，向氧气炉中通入氧气开始氧化，保持0.8-1.2h；
保持0.8-1.2h后，向氧气炉中通入氮气，使氧气炉内的温度降温至750-850℃；
在750-850℃的温度下，再次向氧气炉中通入氧气，并保持SiC衬底在氧气炉保持20-40min。
所述的步骤D中Al离子的掺杂浓度为7×1018cm-3，P型掺杂SiC外延层厚度为3.7-4.2um。
所述的步骤E中混合气体中氢气与氮气的比例为(1.5-2.5)：1。
所述的步骤F、步骤I中的金属的沉积均采用电子束蒸发法，步骤F中的真空环境的真空度低于1×10-6Torr，所述的沉积金属Ti的厚度为24-36nm，Co的厚度为8-12nm，Al的厚度为220-280nm，所述的沉积金属Au的厚度为8-12nm。
所述的步骤G中的真空环境的真空度低于1×10-9Torr，以800℃的温度进行退火，退火时间为2min。
所述的步骤H中，蚀刻溶液的组分按体积百分比浓度，包括70-80％磷酸、4-10％硝酸和5-20％水。
本发明的工作原理及有益效果为：
本发明依次通过RCA清洗法、干氧氧化法、光刻工艺、蚀刻、Al离子注入、等离子处理、沉积金属Ti、Co、Al、退火处理对SiC衬底进行处理最终形成欧姆接触电极，再对欧姆接触电极进行蚀刻，去除未参与反应的金属以及欧姆接触电极表面的富铝层，使欧姆接触电极表面具有良好的平整度。
SiC衬底在表面形成SiO2绝缘层的过程中，在SiC/SiO2的结合处会产生大量的界面态和游离的C簇，过高的界面态密度和C元素含量会影响欧姆接触电极的形成，本发明在SiC衬底清洗后增设干氧氧化法制作SiO2绝缘层，可以有效降低氧化层(SiO2绝缘层)中的C含量，同时利用氢气和氮气的混合气体对SiC衬底进行的等离子处理，有利于界面态密度的降低，以实现更高的掺杂浓度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为步骤A的SiC衬底的结构示意图；
图2为步骤B的SiC衬底的结构示意图；
图3为步骤C的SiC衬底的结构示意图；
图4为步骤D的SiC衬底的结构示意图；
图5为步骤F的SiC衬底的结构示意图；
图6为步骤G的SiC衬底的结构示意图；
图7为步骤H的SiC衬底的结构示意图；
图8为步骤I的SiC衬底的结构示意图；
图9为Ti-Al合金与Ti-Co-Al合金的I-V曲线；
附图中，1、SiC衬底，2、SiO2绝缘层，3、掺杂窗口，4、P型掺杂SiC外延层，5、欧姆接触电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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，都涉及本发明保护的范围。
具体实施例，如图1-9所示，一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法，制作时先选择N型4H-SiC作为SiC衬底1，ND＝1×1016cm-3。
能提供自由电子的Al杂质原子因能带正电荷而成为正离子，因此被称为施主杂质，ND表示施主原子浓度。
所述的制作方法包括以下步骤：
A.使用RCA清洗法清洗SiC衬底1，具体的清洗步骤为：
预处理：在去离子水中对SiC衬底1进行超声清洗，清洗时间为5min；
碱洗：将经过预处理的SiC衬底1在75℃的混合溶液A中进行清洗5min，所述的混合溶液A的组分比为去离子水：氨水：双氧水＝4：1：1，SiC衬底1经过混合溶液A清洗后，使用HF酸缓冲液清洗3min，使用去离子水清洗，去离子清洗次数≥2；
酸洗：将经过碱洗的SiC衬底1在75℃的混合溶液B中进行清洗5min，所述的混合溶液B的组分体积比为去离子水：盐酸：双氧水＝4：1：1，SiC衬底1经过混合溶液B清洗后，使用HF酸缓冲液清洗3min，使用去离子水清洗，去离子清洗次数≥2；
B.使用干氧氧化法，使清洗后的SiC衬底1表面形成SiO2绝缘层2，具体操作为：
将清洗后的SiC衬底1在氧化炉炉口预热15min，推入氧化炉，使SiC衬底的温度升温至1200℃，向氧气炉中通入氧气开始氧化，保持1h；氧化炉的初始温度为1100-1300℃。
1h后，向氧气炉中通入氮气，使氧气炉内的温度降温至750-850℃，优选800℃，此温度是C和氧气反应的最佳温度；
在800℃的温度下，再次向氧气炉中通入氧气，并保持SiC衬底1在氧气炉保持30min，进一步降低氧化层中C的含量，同时将界面态密度降低至7.638*1010cm-2eV-1，以实现更高的掺杂浓度；
C.使用光刻工艺对SiO2绝缘层2进行蚀刻，制作出掺杂窗口3，具体操作为，
将SiC衬底1安装在甩胶机上，在蚀刻后的SiC衬底1表面滴入正性光刻胶，然后通过甩胶机匀速转动即得到均匀的光刻胶膜；
将得到光刻胶膜的SiC衬底1置于100℃的加热台上进行前烘，烘烤85-95s，优选90s；
使用光刻机，用显微镜将前烘后的SiC衬底1与掩模板上所选图形进行对准，然后用波长为360-370nm的紫外光曝光180s；
将曝光后的SiC衬底1置于正胶显影液不少于1分钟，用去离子水冲洗不少于30s，直至除掉显影液残留，再用氮气吹干即可得到光刻后带有电极图像(掺杂窗口3)的SiC衬底1。
D.通过550-600℃Al离子注入的方法在掺杂窗口3形成P型掺杂SiC外延层4，其中，Al离子的掺杂浓度为7×1018cm-3，P型掺杂SiC外延层4厚度约为4um；
E.在200℃的温度环境下，利用ECR系统，微波功率设定为500W，激发氢气与氮气的混合气体，氢气与氮气的比例为2:1，混合气体转化为等离子状态，对带有P型掺杂SiC外延层4的SiC衬底1进行等离子处理，降低在高温氧化环境下产生的界面态密度；
等离子处理可以去除SiC衬底表面的C和氧污染物，经过等离子处理的SiC衬底在退火时容易形成欧姆接触，降低工艺难度。
F.在真空度低于1×10-6Torr的真空环境下，使用电子束蒸发法在等离子处理后的SiC衬底1上依次沉积金属Ti、Co、Al，Ti的厚度为30nm，Co的厚度为10nm，Al的厚度为250nm；
G.在真空度低于1*10-9Torr的超高真空环境下，以800℃的温度对沉积金属后的SiC衬底1进行快速退火处理，退火时间为2min，之后利用退火炉水冷迅速降温；Co和Al在此退火温度下可以反应形成液相的共晶，推动金属Ti和SiC衬底1发生反应，促进了Ti3SiC2合金的形成，Ti3SiC2对欧姆接触的形成有重要的作用，同时也形成了包括Ni2Si、NiAl3在内的合金，这些合金金属作为中间相将金属与SiC接触界面较高的势垒分割为两个较矮的势垒，达到了降低势垒高度的目的，增强了金属－半导体界面的电流传导，促进了欧姆接触电极5的形成。
如图9所示，通过I-V曲线可以看出，在相同的退火条件(800℃)下，Ti-Al合金呈现出肖特基特征，而Ti-Co-Al合金则出现了明显的欧姆接触特征。
利用原子粒显微镜(AFM)对欧姆接触电极5表面进行测试，可以看出金属Al退火后出现较为粗糙的表面，其表面粗糙度为35nm。
H.将衬底放入蚀刻溶液中，蚀刻2min，蚀刻掉未参与反应的金属以及欧姆接触电极5表面的富铝层，蚀刻溶液由80％磷酸、5％硝酸和15％水混合而成；之后依次通过酒精、去离子水各超声清洗3-5min；
I.在真空度低于1×10-6Torr的高真空环境下，利用电子束蒸发法，在经过蚀刻后的欧姆接触电极5表面沉积金属Au，Au的厚度为10nm。经过原子力显微镜(AFM)测试，经过二次沉积金属Au，表面粗糙度由35nm降为5nm，表面粗糙度大幅度降低，有利于提高铝线键合的可靠性，并提供优秀的抗氧化能力。
本发明独创地了二次沉积金属的方式，避免了因Au的熔点在1000度以上而导致的高退火温度，本发明的制作方法先利用Ti-Co-Al退火形成欧姆接触电极5，随后蚀刻掉粗糙的Al，再沉积Au形成新的平整度极高的电极表面，这样既可以在较低温度下实现欧姆接触，又可以利用Au提高电极表面的抗氧化能力。
以上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、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欧姆接触电极的制作方法，其特征在于，所述的制作方法包括以下步骤：
A.使用RCA清洗法清洗SiC衬底；
B.使用干氧氧化法，使清洗后的SiC衬底表面形成SiO2绝缘层；
C.使用光刻工艺对SiO2绝缘层进行蚀刻，制作出掺杂窗口；
D.通过550-600℃Al离子注入的方法在掺杂窗口形成P型掺杂SiC外延层；
E.在180-220℃的温度环境下，激发氢气与氮气的混合气体，对带有P型掺杂SiC外延层的SiC衬底进行等离子处理；
F.在真空环境下，在等离子处理后的SiC衬底上依次沉积金属Ti、Co、Al；
G.在真空环境下，对沉积金属后的SiC衬底进行退火处理，形成欧姆接触电极；
H.将带有欧姆接触电极的SiC衬底放入蚀刻溶液蚀刻1-3min，蚀刻掉未参与反应的金属以及欧姆接触电极表面的富铝层。
2.根据权利要求1所述的一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法，其特征在于，该制作方法还包括以下步骤：
I.在真空环境下，在经过蚀刻后的欧姆接触电极表面沉积金属Au。
3.根据权利要求1所述的一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法，其特征在于，所述的步骤A中使用的RCA清洗法的清洗步骤包括：
预处理：在去离子水中对SiC衬底进行超声清洗3-6min；
碱洗：将经过预处理的SiC衬底在70-80℃的混合溶液A中进行清洗3-6min，所述的混合溶液A的组分比为去离子水：氨水：双氧水＝(3-5)：1：1，SiC衬底经过混合溶液A清洗后，使用HF酸缓冲液清洗2-4min，使用去离子水清洗，去离子清洗次数≥2；
酸洗：将经过碱洗的SiC衬底在70-80℃的混合溶液B中进行清洗3-6min，所述的混合溶液B的组分体积比为去离子水：盐酸：双氧水＝(3-5)：1：1，SiC衬底经过混合溶液B清洗后，使用HF酸缓冲液清洗2-4min，使用去离子水清洗，去离子清洗次数≥2。
4.根据权利要求1所述的一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法，其特征在于，所述的步骤B中的干氧氧化法包括以下步骤：
将清洗后的SiC衬底在氧化炉炉口预热10-20min，推入氧化炉，使SiC衬底的温度升温至1100-1300℃，向氧气炉中通入氧气开始氧化，保持0.8-1.2h；
保持0.8-1.2h后，向氧气炉中通入氮气，使氧气炉内的温度降温至750-850℃；
在750-850℃的温度下，再次向氧气炉中通入氧气，并保持SiC衬底在氧气炉保持20-40min。
5.根据权利要求1所述的一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法，其特征在于，所述的步骤D中Al离子的掺杂浓度为7×1018cm-3，P型掺杂SiC外延层厚度为3.7-4.2um。
6.根据权利要求1所述的一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法，其特征在于，所述的步骤E中混合气体中氢气与氮气的比例为(1.5-2.5)：1。
7.根据权利要求2所述的一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法，其特征在于，所述的步骤F、步骤I中的金属的沉积均采用电子束蒸发法，步骤F中的真空环境的真空度低于1×10- 6Torr，所述的沉积金属Ti的厚度为24-36nm，Co的厚度为8-12nm，Al的厚度为220-280nm，所述的沉积金属Au的厚度为8-12nm。
8.根据权利要求1所述的一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法，其特征在于，所述的步骤G中的真空环境的真空度低于1×10-9Torr，以800℃的温度进行退火，退火时间为2min。
9.根据权利要求1所述的一种P型SiC欧姆接触电极的制作方法，其特征在于，所述的步骤H中，蚀刻溶液的组分按体积百分比浓度，包括70-80％磷酸、4-10％硝酸和5-20％水。
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