CN102931054B - 一种实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，针对TiAl基金属化系统，该方法采用两步退火方式实现P型SiC材料低温欧姆接触，第一步退火为预退火，第二步退火为高温快速退火，其中：第一步预退火是通过预退火方式形成Al的合金体系，促进TiAl基欧姆接触金属与P型SiC的界面反应，形成界面过渡层；第二步高温快速退火是利用预退火过程中形成的界面反应催化剂，在低于常规快速退火温度下，实现Ti、Al与SiC的反应，形成低势垒、高载流子密度的碳化物或者硅化物过渡层。本发明提出的两步退火方法，可有效降低合金退火温度，也可以适用于其它半导体材料，尤其是宽禁带材料的欧姆接触领域。
Description
技术领域
本发明涉及P型宽禁带材料欧姆接触合金退火技术领域，特别涉及一种采用两步退火方式实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法。
背景技术
宽禁带碳化硅(SiC)材料的良好欧姆接触质量的获得是实现SiC器件高温、高压、高频及大功率应用的关键因素。但是，大部分文献中报道的Ti/Al基和硅化物欧姆电极的合金退火都在900-1180℃之间，高温退火不仅会引起表面形貌粗糙问题，而且可能导致器件性能的下降。实验证明，由原子力显微镜(AFM)或扫描电镜(SEM)得到表面粗糙度越小的样品，欧姆接触质量就越好。采用两步退火方式，利用催化剂金属的作用，在较低温退火条件下，促使欧姆电极金属与SiC层形成良好欧姆接触，是有效降低欧姆合金退火温度的有效方式之一。
目前，在P型SiC材料欧姆合金退火方面，主要是通过优化选择金属化系统，实现低温欧姆合金退火。已经有报道的有，采用Ge/Ti/Al金属化系统可使合金温度降至600℃，且表面形貌平整，获得低欧姆接触比电阻率。有关这方面的专利，也都集中在多层欧姆接触金属结构的改进和退火装置的改进方面(见专利CN1868036.美国克里公司D·B小斯拉特等.金属-碳化硅欧姆接触的局部退火及其形成的装置；专利CN1195883.太田顺道等.欧姆电极的形成方法及半导体装置；专利CN101567383.陈小龙等.一种用于碳化硅的欧姆电极结构及其制造方法；专利CN101369600.姜岩峰等.P型碳化硅器件及其制作方法)。通过专利调研发现，降低欧姆接触合金退火温度方面的专利甚少，特别是采用两步退火方式来实现低温合金欧姆接触方面的专利，未见报道。
要形成良好P型SiC欧姆接触，除了能形成良好界面过渡层微结构外，其形态和表面形貌的好坏也很重要。因为好的欧姆接触要求界面过渡层连续，表面粗糙度大、表面不平整都会导致界面过渡层的不连续并产生界面态。而SiC的肖特基势垒高度微弱的依赖金属的功函数，界面态会导致部分的费米能级扎钉。同时界面的化学连接对确定势垒高度也起着重要的作用。因此，采用低温欧姆合金退火方法，在源头消除引起表面形貌、界面形态不平整、不连续的因素，实现P型SiC材料的良好欧姆接触是十分必要的。采用本发明提供的两步退火方式，是一种改良的欧姆合金技术。采用这种改良的欧姆合金退火技术，不但可以保证低温下形成界面过渡层结构，而且得到的样品表面粗糙度低、表面形貌良好，有效避免了表面态和能带的不连续性对欧姆接触的影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，以在较低欧姆合金退火温度下，使欧姆接触金属与P型SiC界面发生反应，形成连续的界面过渡层结构，从而实现P型SiC材料的良好欧姆接触。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，针对TiAl基金属化系统，该方法采用两步退火方式实现P型SiC材料低温欧姆接触，第一步退火为预退火，第二步退火为高温快速退火，其中：第一步预退火是通过预退火方式形成Al的合金体系，促进TiAl基欧姆接触金属与P型SiC的界面反应，形成界面过渡层；第二步高温快速退火是利用预退火过程中形成的界面反应催化剂，在低于常规快速退火温度下，实现Ti、Al与SiC的反应，形成低势垒、高载流子密度的碳化物或者硅化物过渡层(ISL)。
上述方案中，所述Al的合金体系包括在预退火条件下形成的Al熔融态和催化剂金属，该Al的合金体系用于作为界面反应催化剂，促使游离态的Si出现在Al层中，提高SiC中Si受主的浓度。所述催化剂金属用于在较低温度下与熔融态Al形成Al的合金体系，促进欧姆接触金属与衬底材料的界面反应。
上述方案中，所述第一步预退火中，预退火温度控制在400-660℃之间，并短时间预退火，其退火时间控制在60秒，并小于第二步高温退火时间。
上述方案中，所述第二步高温快速退火中，其退火温度范围为600-1000℃，退火时间范围为2分钟-30分钟。
上述方案中，所述形成低势垒、高载流子密度的碳化物或者硅化物过渡层是形成Al4C3，Ti3SiC2或Al3Ti过渡层。
上述方案中，在所述两步退火过程中，温度的上升和下降都有一定的缓冲时间，上升阶段为5秒-10秒，下降阶段为20秒-120秒，其中，升温速率为60-80℃/秒。
上述方案中，在下降阶段，降温过程呈现阶段变化，设置阶段性降温温度点，此温度处保持10秒左右，且此温度要高于预退火温度，用于保护形成的Al的合金体系。设置的阶段性降温温度范围为500-600℃之间，要求大于预退火温度，小于高温快速退火温度。
(三)有益效果
本发明提供的实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，简单、易操作，可重复性高，因有效降低了欧姆合金退火温度，在源头消除了引起表面形貌、界面形态不平整、不连续的因素，样品表面粗糙度小，界面过渡层连续可靠，有效避免了因表面态和能带的不连续性对欧姆接触的质量。采用本发明提供的两步退火方法，是一种改良的欧姆合金退火技术。这种改良的欧姆合金退火技术可在较低温度下，形成界面催化剂促进界面过渡层的形成，从而形成P型碳化硅材料的良好欧姆接触，也可适用于其他宽禁带材料欧姆合金退火技术领域。
附图说明
图1是依照本发明实施例的实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的示意图。其中：1-从室温升温到预退火温度；2-在预退火温度处保持一定时间；3-从预退火温度升温至高温退火温度；4-在高温退火温度处保持一定时间；5-从高温退火温度降至阶段性降温温度；6-在阶段性降温温度处保持一定时间；7-从阶段性降温温度处降至室温。
图2是依照本发明实施例完成整个欧姆合金退火过程完成后对样品表面进行TLM图形测试分析得到的I-V特性图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提出了一种采用两步退火方式实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，通过控制合金退火步骤、两步退火温度和时间、单步升温速率、单步降温速率、阶段性降温温度点，降低Ti/Al基接触金属与P型SiC界面的反应温度，实现在较低退火温度条件下的P型SiC材料良好欧姆接触。
为获得P型SiC材料的良好欧姆接触，高温合金退火技术得到了广泛应用，一般Ti/Al基和硅化物欧姆电极的合金退火都在900-1180℃之间，然而，高温退火不仅会引起表面形貌粗糙问题，而且可能导致器件性能的下降。
如图1所示，针对TiAl基金属化系统，本发明采用两步退火方式实现P型SiC材料低温欧姆接触，第一步退火为预退火，第二步退火为高温快速退火，其中：第一步预退火是通过预退火方式形成Al的合金体系，促进TiAl基欧姆接触金属与P型SiC的界面反应，形成界面过渡层；第二步高温快速退火是利用预退火过程中形成的界面反应催化剂，在低于常规快速退火温度下，实现Ti、Al与SiC的反应，形成低势垒、高载流子密度的碳化物或者硅化物过渡层(ISL)，从而形成良好欧姆接触。该低势垒、高载流子密度的碳化物或者硅化物过渡层是Al4C3，Ti3SiC2或Al3Ti过渡层。
其中，所述Al的合金体系包括在预退火条件下形成的Al熔融态和催化剂金属，该Al的合金体系用于作为界面反应催化剂，促使游离态的Si出现在Al层中，提高SiC中Si受主的浓度。所述催化剂金属用于在较低温度下与熔融态Al形成Al的合金体系，促进欧姆接触金属与衬底材料的界面反应。
在第一步预退火中，预退火温度控制在400-660℃之间，并短时间预退火，其退火时间控制在60秒，并小于第二步高温退火时间。在第二步高温快速退火中，其退火温度范围为600-1000℃，退火时间范围为2分钟-30分钟。
在两步退火过程中，温度的上升和下降都有一定的缓冲时间，上升阶段为5秒-10秒，下降阶段为20秒-120秒，其中，升温速率为60-80℃/秒。在下降阶段，降温过程呈现阶段变化，设置阶段性降温温度点，此温度处保持10秒左右，且此温度要高于预退火温度，用于保护形成的Al的合金体系。设置的阶段性降温温度范围为500-600℃之间，要求大于预退火温度，小于高温快速退火温度。
在本发明的一个优选实施例中，本发明提供的采用两步退火方式实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，具体工艺步骤如下：
(1)设置好退火程序，按此程序高温退火炉空跑一次，有效去除炉中杂质气体，并且使高温退火炉的温度处于稳定可控状态；
(2)将待退火样品放入高温合金退火炉中，从室温升温到预退火温度，升温时间控制在5s左右；
(3)进行第一步退火(预退火)，预退火温度控制在Al与催化剂金属的合金熔点温度附近(400-660℃之间)，在预退火温度处保持60s，其作用为使金属Al变为熔融态Al，并与催化金属一起形成Al的合金体系，相当于界面催化剂作用；
(4)从预退火温度处升温至高温退火温度，升温时间控制在10s左右；
(5)进行第二次退火(高温快速退火)，高温快速退火温度根据金属体系的不同，其温度范围为600-1000℃之间，在高温退火温度处保持的时间范围为2min-30min，根据不同的催化剂金属和欧姆接触金属选择不同的温度和时间，一般温度与时间的选择成反比。其作用为利用预退火过程中产生的界面催化剂，在较低温度下，形成界面过渡层；
(6)从高温退火温度降至阶段性降温温度，降温时间控制在20s左右；
(7)阶段性降温，其阶段性降温温度控制在500-600℃之间，大于预退火温度，小于高温快速退火温度，并在此阶段性降温温度处保持10s；
(8)降温过程，从阶段性降温温度处降至室温，降温时间控制在20s-120s之间。
在本发明的另一个优选实施例中，采用两步退火方式实现TiAl基电极材料与P型SiC的良好欧姆接触，其主要步骤包括：设置好退火程序，按此程序高温退火炉空跑一次，有效去除炉中杂质气体，并且稳定炉温；将待退火的Ni/Ti/Al欧姆电极样品放入高温合金退火炉中，从室温升温到预退火温度，升温时间控制在5s左右；进行第一步退火(预退火)，预退火温度控制在400℃，预退火时间为60s，其作用为使金属Al变为熔融态Al，并与催化金属Ni一起形成Al的合金体系，相当于界面催化剂作用；从预退火温度处升温至高温退火温度，升温时间控制在10s左右；进行第二次退火(高温快速退火)，退火温度为850℃，退火时间为10min，其作用为利用预退火过程中产生的界面催化剂，在此温度下，形成界面过渡层；从高温退火温度降至阶段性降温温度，降温时间控制在20s左右；阶段性降温，其阶段性降温温度为500℃，保持10s；最后，为缓慢降温过程，从500℃降温至室温，降温时间为2min。整个欧姆合金退火过程完成，样品表面形貌良好，且进行TLM图形测试分析，发现I-V特性曲线成线性关系，说明已形成良好欧姆接触。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，其特征在于，针对TiAl基金属化系统，该方法采用两步退火方式实现P型SiC材料低温欧姆接触，第一步退火为预退火，第二步退火为高温快速退火，其中：
第一步预退火是通过预退火方式形成Al的合金体系，促进TiAl基欧姆接触金属与P型SiC的界面反应，形成界面过渡层；
第二步高温快速退火是利用预退火过程中形成的界面反应催化剂，在低于常规快速退火温度下，实现Ti、Al与SiC的反应，形成低势垒、高载流子密度的碳化物或者硅化物过渡层(ISL)。
2.根据权利要求1所述的实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，其特征在于，所述Al的合金体系包括在预退火条件下形成的Al熔融态和催化剂金属，该Al的合金体系用于作为界面反应催化剂，促使游离态的Si出现在Al层中，提高SiC中Si受主的浓度。
3.根据权利要求2所述的实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，其特征在于，所述催化剂金属用于在较低温度下与熔融态Al形成Al的合金体系，促进欧姆接触金属与衬底材料的界面反应。
4.根据权利要求1所述的实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，其特征在于，所述第一步预退火中，预退火温度控制在400-660℃之间，并短时间预退火，其退火时间控制在60秒，并小于第二步高温退火时间。
5.根据权利要求1所述的实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，其特征在于，所述第二步高温快速退火中，其退火温度范围为600-1000℃，退火时间范围为2分钟-30分钟。
6.根据权利要求1所述的实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，其特征在于，所述形成低势垒、高载流子密度的碳化物或者硅化物过渡层是形成Al4C3，Ti3SiC2或Al3Ti过渡层。
7.根据权利要求1所述的实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，其特征在于，在所述两步退火过程中，温度的上升和下降都有一定的缓冲时间，上升阶段为5秒-10秒，下降阶段为20秒-120秒，其中，升温速率为60-80℃/秒。
8.根据权利要求7所述的实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，其特征在于，在下降阶段，降温过程呈现阶段变化，设置阶段性降温温度点，此温度处保持10秒，且此温度要高于预退火温度，用于保护形成的Al的合金体系。
9.根据权利要求8所述的实现P型SiC材料低温欧姆合金退火的方法，其特征在于，设置的阶段性降温温度范围为500-600℃之间，要求大于预退火温度，小于高温快速退火温度。
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| US6043513A (en) * | 1995-01-18 | 2000-03-28 | Telefonaktiebolaget Lm Ericsson | Method of producing an ohmic contact and a semiconductor device provided with such ohmic contact |
| CN101777544A (zh) * | 2010-01-06 | 2010-07-14 | 北方工业大学 | P型碳化硅器件及提高其欧姆接触性能的方法 |
| CN102569039A (zh) * | 2012-01-04 | 2012-07-11 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种金属-碳化硅欧姆接触快速退火方法 |
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