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CN101567383A - 一种用于碳化硅的欧姆电极结构及其制造方法 - Google Patents

一种用于碳化硅的欧姆电极结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于碳化硅的欧姆电极结构，包括在衬底碳化硅(1)上依次形成的第一层钽(Ta)膜(2)、第二层铂(Pt)膜(3)和第三层钽(Ta)膜(4)的欧姆电极，其中，第一层钽膜(2)的厚度为20－40nm，第二层铂膜(3)的厚度为20－60nm，第三层钽膜(4)的厚度为10－30nm。本发明还提供了一种用于碳化硅的欧姆电极结构的制造方法。本发明的欧姆电极结构在900－1200℃之间退火后可获得理想一致、接触电阻低的欧姆接触，减少了形成欧姆接触的退火过程中带来的接触层中多余的碳原子对电学性能的损害，并提供了改善的表面形貌，提高了电极稳定性。

Description

一种用于碳化硅的欧姆电极结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种欧姆电极结构，特别涉及一种用于碳化硅器件的欧姆接触电极结构及其制造方法。
背景技术
碳化硅(SiC)是第三代半导体的核心材料之一，与第一代半导体材料如硅(Si)和第二代半导体材料如砷化镓(GaAs)相比，它具有宽禁带(2.4-3.3eV)、高热导率(5-7W·cm-1·K-1)、高饱和载流子漂移速率(2.0×107cm·s-1)、高临界击穿场强(＞2.0×105V·cm-1)、化学性能稳定、高硬度、抗磨损、高键合能以及抗辐射等优点等特性，决定SiC器件可以在高温、大功率和高频下工作，在国民经济各方面具有广泛的应用。当前，SiC材料与器件的研制已经成为研究热点(Casady J B，et al.，Solid-State Electronics 39(1996)1409，本文以引用的方式并入本文)。
而制备SiC器件的关键工艺之一是实现SiC与金属的欧姆接触，其作用就是通过金属电极实现半导体器件内部与外部的互联。欧姆接触质量的好坏、接触电阻的大小直接影响器件的效率、增益和开关速度等性能指标。因此寻求更多的低电阻、高稳定性的SiC接触材料是当前十分紧迫的任务。
目前公知的在SiC上制备欧姆电极的方法是通过真空蒸发、直流/射频溅射等方法沉积金属膜，然后于惰性气氛或真空中高温下退火得到。在SiC欧姆接触的金属方面，很多过渡及难熔金属能与之形成欧姆接触，有Ni，Pt，Cr，Ta，W，Ti，TiAl，TiW，NiCr等金属或合金(参考文献：Porter L M，et al.，Mater.Sci.Eng.B 34(1995)83，本文结合参照)。但是，要实现低接触电阻，需要进行热处理，由于金属/SiC界面热力学不稳定，而Ni、Pt等金属与SiC只能形成硅化物，因此SiC热分解产生的多余的C以石墨态或无定形态聚集在界面或贯穿整个接触层，会导致表面形貌的恶化，并成为器件电学不稳定的潜在因素，尤其是器件在高温下长时间操作后，会引起器件功能和寿命恶化的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是设计一种制备重复性好，适用于SiC的欧姆电极结构，它能够减少形成欧姆接触的退火过程中带来的接触层中多余的碳原子对电学性能的损害和提供改善的表面形貌，从而提高电极稳定性。
本发明的另一目的是提供一种制造用于碳化硅的欧姆电极结构的制造方法。
为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
本发明的用于碳化硅的欧姆电极结构，包括在衬底碳化硅(1)上依次形成的第一层钽(Ta)膜(2)、第二层铂(Pt)膜(3)和第三层钽(Ta)膜(4)的欧姆电极，其中，第一层钽膜(2)的厚度为20-40nm，第二层铂膜(3)的厚度为20-60nm，第三层钽膜(4)的厚度为10-30nm。
其中，衬底碳化硅的类型包括6H-SiC，4H-SiC，15R-SiC等。
其中，衬底碳化硅的类型包括n型SiC或p型SiC，其中所用的n型SiC的载流子浓度大于1017cm-3。
本发明的用于碳化硅的欧姆电极结构的制造方法，包括以下步骤：
1)衬底清洗
分别用10％HF，10％HCl和丙酮超声清洗SiC晶片，清洗时间为5-10分钟，然后用去离子水清洗，最后用N2吹干，以清除表面杂质；
2)制作电极掩膜板
采用紫外曝光技术，在SiC晶片表面制作预期的圆形传输线(TransmissionLine Method，简称TLM法)电极图案；
3)形成电极膜
在步骤2)获得的SiC晶片上依次形成第一层Ta膜、第二层Pt膜和第三层Ta膜的欧姆电极，第一层Ta膜的厚度为20-40nm，第二层Pt膜的厚度为20-60nm，第三层Ta膜的厚度为10-30nm；
4)剥离
利用丙酮及超声剥离方法清洗样品，并将多层膜上不需要的部分剥离，得到预期的测试电极；
5)退火
将步骤4)获得的样品置于真空退火炉中于Ar气氛下或真空中进行热处理，真空度大于10-3Pa，热处理温度在900℃～1200℃之间，退火时间从1分钟到10分钟；退火结束后降低衬底温度至室温即得。
其中，步骤3)中电极膜分别由分子束外延法、溅射法、电子束蒸发法形成，优选磁控溅射法。
进一步地，步骤3)具体是利用直流磁控溅射来沉积电极膜，用高纯金属单质Ta(99.9wt％)、Pt(99.99wt％)做溅射靶，先对靶清洁预溅射5-10分钟，然后利用挡板挡住样品，各种靶材的溅射速率为0.05-0.3nm/s左右，衬底温度为100℃；所有金属膜均生长在SiC的Si面上，首先生长Ta层，紧接着在其上生长Pt层，最后在其上生长外层Ta层。
在本发明中，用于SiC的电极是指在SiC半导体上形成的电极，使用本发明的用于SiC的欧姆接触电极的SiC半导体的类型不应受晶型的限制，可以包括6H-SiC，4H-SiC，15R-SiC等。
更进一步，在本发明中，SiC半导体的类型不应受半导体导电性的限制，可以包括n型SiC和p型SiC。
本发明采用Ta和Pt多层金属膜作为电极材料，高温退火后，SiC表面开始分解，电极内形成了Pt2Si和TaC。Pt层向金属/SiC初始界面扩散，在与SiC相邻处形成铂的硅化物，Ta原子则穿越硅化物层向电极表面扩散，并与释放的C原子生成TaC层，减少了接触界面处多余的C原子的聚集，因此在单层金属电极Pt/SiC中引入Ta提高了电极的稳定性并改善了电极的表面形貌，并且形成的TaC和Pt2Si均具有高熔点、低电阻的特性。退火后C原子的外逸使得Pt2Si/SiC界面处产生了C的空位，而C空位的产生使耗尽层宽度变窄，或降低了电子输运的有效肖特基势垒ΦB，对Ta/Pt/Ta/SiC电极欧姆接触的形成起到了关键作用。与现有技术相比，本发明采用的用于SiC器件的欧姆接触电极，能在900-1200℃之间退火获得理想一致、接触电阻低的欧姆接触，减少了退火过程中接触层中多余的碳原子的堆积，并且合金后金属的形貌比较平整，提高了金属电极的可靠性，具有工艺简单、容易实现等特点。
附图说明
图1表示根据本发明的电极热处理前剖面结构示意图。
图2为实施例1中制备的欧姆电极的电流-电压(I-V)特性曲线图，其中，“5”代表实例1中在Ar气中900℃下退火5分钟的样品的实验值，“6”代表实施例1中在Ar气中1000℃下退火5分钟的样品的实验值。
图3为实施例1中制备的电极退火前后的表面形貌比较图；“7”为退火前，“8”为1000℃退火后。
图4为实施例1中制备的经1000℃退火的欧姆电极，接触层界面上的各元素浓度深度分布的俄歇电子能谱(AES)图。
图5为实施例2中制备的电极的I-V特性曲线，其中，“9”代表实施例2中在Ar气中900℃下热退火10分钟的样品的实验值，“10”代表实施例2中在Ar气中1000℃下快速退火10分钟的样品的实验值。
图6为实施例3中，Ta层和Pt层厚度不同的各电极经1000℃退火3分钟后的I-V特性曲线，其中，
“11”：Ta(10nm)/Pt(20nm)/Ta(20nm)/SiC多层结构
“12”：Ta(10nm)/Pt(60nm)/Ta(20nm)/SiC多层结构
“13”：Ta(10nm)/Pt(20nm)/Ta(40nm)/SiC多层结构
“14”：Ta(10nm)/Pt(60nm)/Ta(40nm)/SiC多层结构。
具体实施方式
本发明提出了一种用于碳化硅的欧姆接触电极结构，该电极结构包括自SiC半导体衬底1表面向上：第一层难熔金属钽(Ta)膜2，第二层铂(Pt)膜3和第三层难熔金属钽(Ta)膜4，图1给出了本发明的电极热处理前剖面结构示意图。本发明在形成电极材料层之前，首先清洗SiC晶片，然后采用紫外曝光技术，在SiC晶片表面制作预期的圆形TLM电极形状；随后形成金属薄膜，最后对SiC上金属层进行热处理，在SiC半导体层和本发明的用于SiC的电极之间形成欧姆接触。
为进一步说明本发明的特征和技术方案，以下结合附图通过对具体实施例的描述，进一步详细说明本发明的结构、优点和性能。
实施例1
分别用10vol％HF，10vol％HCl和丙酮超声清洗6H-SiC晶片，清洗时间为10分钟，然后用去离子水清洗，N2吹干。采用紫外曝光技术，在SiC晶片表面制作预期的电极形状；随后利用直流磁控溅射技术沉积薄膜，用高纯金属单质Ta(99.9wt％)、Pt(99.99wt％)做溅射靶，制造的电极结构为Ta(10nm)/Pt(60nm)/Ta(20nm)/SiC多层，衬底采用载流子浓度为2×1018cm-3的n型SiC。生长结束后，利用超声剥离(lift-off)方法，用丙酮清洗样品，将多层膜上不需要的部分剥离，得到预期的圆形TLM测试电极。完成上述步骤后，将样品置于真空退火炉中于Ar气氛下进行热处理，真空环境达10-3Pa，退火温度分别为900℃和1000℃，退火时间均为5min；退火结束后降低衬底温度至室温并取出样品。利用半导体测量系统半测量该电极室温下的电流-电压(I-V)特性，结果如图2所示，很明显该接触的I-V曲线显示出良好的线性关系，证明得到了很好的欧姆接触电极。图3显示电极经1000℃退火后表面形貌平整，与退火前相似，从而保证了欧姆接触后的合金形貌。参考图4，金属/SiC界面在热处理过程中，通过扩散和相变反应，化学成分和结构将发生显著的变化，从图上可以清晰地看到各元素在薄膜中的分布情况。
实施例2
分别用10vol％HF，10vol％HCl和丙酮超声清洗4H-SiC晶片，清洗时间为5分钟，然后用去离子水清洗，N2吹干。采用紫外曝光技术，在SiC晶片表面制作预期的电极形状；随后利用直流磁控溅射技术沉积薄膜，用高纯金属单质Ta(99.9wt％)、Pt(99.99wt％)做溅射靶，制造的电极结构为Ta(10nm)/Pt(60nm)/Ta(20nm)/SiC多层，衬底采用载流子浓度为1017cm-3的n型SiC。生长结束后，利用超声剥离(lift-off)方法，用丙酮清洗样品，将多层膜上不需要的部分剥离，得到预期的圆形TLM测试电极。完成上述步骤后，将样品置于真空退火炉中于Ar气氛下进行热处理，退火温度为900℃和1000℃，退火时间均为10min；退火结束后降低衬底温度至室温并取出样品。I-V曲线的测量在室温下进行，对于载流子浓度较低的样品，900℃热处理不能产生欧姆特性，如图5所示，而1000℃热处理后I-V曲线呈良好线性，证明得到了很好的欧姆接触电极。
实施例3
分别用10vol％HF，10vol％HCl和丙酮超声清洗6H-SiC晶片，清洗时间为10分钟，然后用去离子水清洗，N2吹干。采用紫外曝光技术，在SiC晶片表面制作预期的电极形状；随后利用直流磁控溅射技术沉积薄膜，用高纯金属单质Ta(99.9wt％)、Pt(99.99wt％)做溅射靶，制造不同Ta层和Pt层厚度的电极结构，如Ta(10nm)/Pt(20nm)/Ta(20nm)/SiC、Ta(10nm)/Pt(60nm)/Ta(20nm)/SiC、Ta(10nm)/Pt(20nm)/Ta(40nm)/SiC或Ta(10nm)/Pt(60nm)/Ta(40nm)/SiC，衬底采用载流子浓度为2×1018cm-3的n型SiC。生长结束后，利用超声剥离(lift-off)方法，用丙酮清洗样品，将多层膜上不需要的部分剥离，得到预期的圆形TLM测试电极。完成上述步骤后，将样品置于真空退火炉中于Ar气氛下进行热处理，退火温度为1000℃，退火时间为3min；退火结束后降低衬底温度至室温并取出样品。所有样品的I-V曲线呈良好线性，如图6所示，从而证明得到了很好的欧姆接触电极，且电极中各层金属的厚度具有一定的变化范围。
实施例4
分别用10vol％HF，10vol％HCl和丙酮超声清洗SiC晶片，该SiC晶片中同时存在4H-SiC、6H-SiC和15R-SiC三种晶型，清洗时间为10分钟，然后用去离子水清洗，N2吹干。采用紫外曝光技术，在SiC晶片表面制作预期的电极形状；随后利用电子束蒸发法沉积薄膜，用高纯金属单质Ta(99.9wt％)、Pt(99.99wt％)做溅射靶，制造不同Ta层和Pt层厚度的电极结构，如Ta(10nm)/Pt(20nm)/Ta(20nm)/SiC、Ta(10nm)/Pt(60nm)/Ta(20nm)/SiC、Ta(10nm)/Pt(40nm)/Ta(30nm)/SiC或Ta(30nm)/Pt(60nm)/Ta(40nm)/SiG，衬底采用载流子浓度为5×1018cm-3的p型SiC。生长结束后，利用超声剥离(lift-off)方法，用丙酮清洗样品，将多层膜上不需要的部分剥离，得到预期的圆形TLM测试电极。完成上述步骤后，将样品置于真空退火炉中进行热处理，真空环境达10-3Pa，退火温度为1200℃，退火时间为5min；退火结束后降低衬底温度至室温并取出样品。所有样品的I-V曲线呈良好线性，证明得到了很好的欧姆接触电极。
应该指出，上述的实施例只是用具体的实例来说明本发明，它不应是对本发明的限制。对于本领域的技术人员而言，在不偏离权利要求的宗旨和范围时，可以有多种形式和细节的变化。

Claims (8)

1、一种用于碳化硅的欧姆电极结构，包括在衬底碳化硅(1)上依次形成的第一层钽(Ta)膜(2)、第二层铂(Pt)膜(3)和第三层钽(Ta)膜(4)的欧姆电极，其中，第一层钽膜(2)的厚度为20-40nm，第二层铂膜(3)的厚度为20-60nm，第三层钽膜(4)的厚度为10-30nm。
2、如权利要求1所述的欧姆电极结构，其特征在于，所述衬底碳化硅的类型包括6H-SiC，4H-SiC，15R-SiC。
3、如权利要求1所述的欧姆电极结构，其特征在于，所述衬底碳化硅的类型包括n型SiC或p型SiC。
4、如权利要求3所述的欧姆电极结构，其特征在于，所述n型SiC的载流子浓度大于1017cm-3。
5、一种权利要求1-4任一项所述用于碳化硅的欧姆电极结构的制造方法，包括以下步骤：
1)衬底清洗
分别用10％HF，10％HCl和丙酮超声清洗SiC晶片，清洗时间为5-10分钟，然后用去离子水清洗，最后用N2吹干，以清除表面杂质；
2)制作电极掩膜板
采用紫外曝光技术，在SiC晶片表面制作预期的圆形传输线电极图案；
3)形成电极膜
在步骤2)获得的SiC晶片上依次形成第一层Ta膜、第二层Pt膜和第三层Ta膜的欧姆电极，第一层Ta膜的厚度为20-40nm，第二层Pt膜的厚度为20-60nm，第三层Ta膜的厚度为10-30nm；
4)剥离
利用丙酮及超声剥离方法清洗样品，并将多层膜上不需要的部分剥离，得到预期的测试电极；
5)退火
将步骤4)获得的样品置于真空退火炉中于Ar气氛下或真空中进行热处理，真空度大于10-3Pa，热处理温度在900℃～1200℃之间，退火时间从1分钟到10分钟；退火结束后降低衬底温度至室温即得。
6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3)中电极膜分别由分子束外延法、溅射法、电子束蒸发法形成。
7、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述溅射法为磁控溅射法。
8、如权利要求7所述的方法，其中，步骤3)具体是利用直流磁控溅射来沉积电极膜，用纯度99.9wt％的高纯金属单质Ta和纯度99.99wt％的Pt做溅射靶，先对靶清洁预溅射5-10分钟，然后利用挡板挡住样品，各种靶材的溅射速率为0.05-0.3nm/s左右，衬底温度为100℃；所有金属膜均生长在SiC的Si面上，首先生长Ta层，紧接着在其上生长Pt层，最后在其上生长外层Ta层。
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Application publication date: 20091028

Assignee: Shenzhen Reinvested Tianke Semiconductor Co.,Ltd.

Assignor: TANKEBLUE SEMICONDUCTOR Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023990000683

Denomination of invention: A Manufacturing Method for Ohmic Electrode Structure Used for Silicon Carbide

Granted publication date: 20101013

License type: Common License

Record date: 20230725