CN102931224A - 用于P-SiC欧姆接触的界面过渡层复合结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于P-SiC欧姆接触的界面过渡层复合结构，该界面过渡层复合结构处于SiC衬底与金属层之间，包括富Al层和特定化学成分配比的碳化物混合层，其中，富Al层形成于SiC衬底之上，特定化学成分配比的碳化物混合层形成于富Al层之上，金属层形成于特定化学成分配比的碳化物混合层之上。本发明同时公开了一种制作界面过渡层复合结构的方法。利用本发明提出的界面过渡层复合结构，可有效调节接触势垒高度，提高接触层载流子浓度，增加载流子隧穿机率，有效实现P型SiC材料的良好欧姆接触，且本发明公开的界面过渡层复合结构制作方法简单、可重复性高。
Description
技术领域
本发明涉及P型宽禁带材料欧姆接触形成技术和合金技术领域，特别涉及一种用于P-SiC欧姆接触的界面过渡层复合结构及其制备方法。
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。然而，由于空穴的隧穿质量远大于电子隧穿质量，且在SiC材料中p型杂质的离化能比n型杂质的离化能高，SiC材料P型掺杂浓度难于做到n型SiC的掺杂水平，特别是采用离子注入的方式形成P型掺杂时，即使掺杂浓度达1E20cm-3量级，但受激活退火、不完全离化等因素的影响，一般来说，激活的有效载流子浓度都在1E17-1E18cm-3范围之间，同时，受高温激活退火及合金退火等因素的影响，接触表面形貌及界面微结构的质量对欧姆接触的质量也造成很大影响，要形成良好的、可重复性高的P型SiC材料欧姆接触仍然是一个相当大的挑战。
目前，国内外已有很多关于SiC材料P型欧姆接触的研究，但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，但采用本发明提供的改良型复合结构形成良好欧姆接触方面的文章或专利都未见报道。
因此，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。采用本发明提供的界面过渡层复合结构，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层复合结构的影响，选择最优化的界面过渡层复合结构的制备条件，提高欧姆接触比接触电阻率结果获得的可重复性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于P-SiC欧姆接触的界面过渡层复合结构及其制备方法，以解决在P型掺杂水平有限的条件下，P型SiC材料欧姆接触难问题，达到可重复性获得低比接触电阻率的目的。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种界面过渡层复合结构，该界面过渡层复合结构处于SiC衬底与金属层之间，包括富Al层和特定化学成分配比的碳化物混合层，其中，富Al层形成于SiC衬底之上，特定化学成分配比的碳化物混合层形成于富Al层之上，金属层形成于特定化学成分配比的碳化物混合层之上。
上述方案中，所述富Al层中含有游离态的Si，用于提高SiC衬底表面载流子浓度，增加遂穿机率。所述特定化学成分配比的碳化物混合层是一种或者两种碳化物的混合层结构，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。
上述方案中，所述特定化学成分配比的碳化物混合层，其C与Si的比值高于SiC中的C与Si的比值。所述特定化学成分配比的碳化物混合层为Ti、Si、C三元化合物和Al、C二元化合物的混合层结构，用于与SiC衬底表面反应生产界面过渡层。所述Ti、Si、C三元化合物中Ti原子的分数大于等于3小于等于4，Si原子的分数为1，C原子的分数为2。所述Al、C二元化合物中Al原子的分数为4，C原子的分数为3。所述特定化学成分配比的碳化物混合层中部分C来源于工艺过程中残留的C。所述特定化学成分配比的碳化物混合层，其功函数大于等于5eV小于6.5eV。
为达到上述目的，本发明还提供了一种制作界面过渡层复合结构的方法，包括：
步骤1：清洗SiC衬底；
步骤2：干燥SiC衬底；
步骤3：在SiC衬底上制备用于台面刻蚀的掩膜；
步骤4：对SiC衬底进行台面刻蚀；
步骤5：在刻蚀后的SiC衬底上匀胶光刻，形成金属剥离图形；
步骤6：对SiC衬底进行表面处理，活化表面性能，有利于形成界面过渡层；
步骤7：在进行了表面处理的SiC衬底上蒸发Ti/A1金属层；
步骤8：剥离沉积在光刻胶上的Ti/Al金属层；
步骤9：在蒸发了Ti/Al金属层的SiC衬底上溅射Ni/Au盖层金属；
步骤10：加温；
步骤11：高温合金退火，形成界面过渡层复合结构。
上述方案中，步骤1中所述清洗SiC衬底，是使用丙酮、乙醇、去离子水依次冲洗SiC衬底表面，并用N2吹干；其中该SiC衬底从上到下有三个区域，从上到下依次为N+区、N-区和P区。
上述方案中，步骤2中所述干燥SiC衬底是将SiC衬底放入120℃的烘箱中，在N2氛围下烘10分钟。
上述方案中，步骤3中所述在SiC衬底上制备用于台面刻蚀的掩膜，是在SiC衬底表面涂敷厚度3μm的9920光刻胶作为台面刻蚀的掩膜，然后对光刻胶进行光刻形成台面隔离的图形。
上述方案中，步骤4中所述对SiC衬底进行台面刻蚀，是以形成的台面隔离的图形为掩模，对SiC衬底进行ICP干法刻蚀，刻蚀至SiC衬底的N-区，SiC衬底的P区完全刻透。
上述方案中，步骤5中所述在刻蚀后的SiC衬底上匀胶光刻，形成剥离图形，是使用AZ5214E光刻胶，在刻蚀后的SiC衬底表面涂敷一层厚度为2.2μm的光刻胶，然后进行光刻显影。
上述方案中，步骤6中所述对SiC衬底进行表面处理，活化表面性能，是采用HF∶H2O(体积比为1∶10)的溶液腐蚀30秒，并用N2吹干。
上述方案中，步骤7中所述在进行了表面处理的SiC衬底上蒸发Ti/Al金属层，是使用蒸发台，蒸发Ti/Al金属膜，其中Al原子在Ti/Al金属膜中的原子百分比为70-80at.％，Ti/Al金属膜总厚度为190nm至400nm。
上述方案中，步骤8中所述剥离沉积在光刻胶上的Ti/Al金属层，是将蒸发完Ti/Al金属膜的SiC衬底浸没在丙酮溶液中，浸泡20分钟，然后在超声容器内超声3分钟，再将SiC衬底取出放入无水乙醇溶液中，超声3分钟，再用去离子水冲洗6遍，最后吹干。
上述方案中，步骤9中所述在蒸发了Ti/Al金属层的SiC衬底上溅射Ni/Au盖层金属，是使用溅射台，溅射Ni/Au盖层金属膜，其中Ni金属膜的厚度范围为55nm至150nm之间，Au层金属膜厚度小于Ni层金属厚度。
上述方案中，步骤10中所述加温，是将具有Ni/Au盖层金属和Ti/Al金属层的SiC衬底放入高温炉中加热到一定温度，此温度低于Ti或Al元素与碳化硅发生反应的温度。
上述方案中，步骤11中所述高温合金退火，是使用高温退火炉，采用高温合金技术进行退火，其中，退火温度为800℃-1000℃之间，时间2-10分钟。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，由于采用了界面过渡层复合结构，而不是金属与SiC衬底直接接触，使金属与SiC直接接触的高势垒分解为阶梯势垒，所以有效降低了接触势垒高度，是一种改良的欧姆接触形成技术；
2、利用本发明，由于界面过渡层复合结构中特定化学成分配比的碳化物层，不仅可以调节接触势垒高度，还可以有效去除工艺过程中产生的C残留，所以减小了工艺对器件性能的影响；
3、利用本发明，由于在金属与SiC衬底之间插入了一个界面过渡层复合结构，使之金属层与SiC衬底隔离开，所以受SiC衬底P型掺杂水平、激活退火、不完全离化等因素的影响小，易于形成良好欧姆接触。
4、利用本发明，由于界面过渡层复合结构中富Al层的存在，一方面可以与碳化物层形成良好接触，另一方面又可以提高载流子浓度，所以很容易与P型SiC形成良好接触；
5、利用本发明，由于界面过渡层复合结构中靠近SiC衬底的是富Al层，且此层中含有游离态的Si，可以提高SiC衬底表面载流子浓度，所以的有效规避了SiC材料P型掺杂水平有限对遂穿机制的影响，增加了载流子遂穿机率。
6、利用本发明，由于界面过渡层复合结构，制作步骤简单，可重复性高，所以受衬底浓度、界面微结构及表面形貌的影响小，得到的欧姆接触比接触电阻率的结果可重复性高。
附图说明
图1是依照本发明实施例的界面过渡层复合结构的示意图；
图2是依照本发明实施例的制作界面过渡层复合结构的方法流程图。
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。
通过能带和载流子输运分析，建立界面过渡层复合结构能带模型，提出势垒薄而低、载流子浓度高的界面过渡层复合结构。
如图1所示，图1是依照本发明实施例的界面过渡层复合结构的示意图；其中，1是SiC衬底；2是富Al层；3是一种或者两种碳化物的混合层结构，此界面过渡层复合结构的碳化物层为Ti、Si、C三元化合物和Al、C二元化合物的混合层结构，其中C/Si比高于SiC的C/Si比；4是金属层，此金属层为多层金属结构，包括Ti/Al金属层层和Ni/Au盖层。
图1所示的界面过渡层复合结构处于SiC衬底与金属层之间，包括富Al层和特定化学成分配比的碳化物混合层，其中，富Al层形成于SiC衬底之上，特定化学成分配比的碳化物混合层形成于富Al层之上，金属层形成于特定化学成分配比的碳化物混合层之上。富Al层中含有游离态的Si，用于提高SiC衬底表面载流子浓度，增加遂穿机率。特定化学成分配比的碳化物混合层是一种或者两种碳化物的混合层结构，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。
其中，特定化学成分配比的碳化物混合层，其C与Si的比值高于SiC中的C与Si的比值。特定化学成分配比的碳化物混合层为Ti、Si、C三元化合物和Al、C二元化合物的混合层结构，用于与SiC衬底表面反应生产界面过渡层。Ti、Si、C三元化合物中Ti原子的分数大于等于3小于等于4，Si原子的分数为1，C原子的分数为2。Al、C二元化合物中Al原子的分数为4，C原子的分数为3。特定化学成分配比的碳化物混合层中部分C来源于工艺过程中残留的C。特定化学成分配比的碳化物混合层，其功函数大于等于5eV小于6.5eV。
基于图1所示的界面过渡层复合结构，图2示出了制作该界面过渡层复合结构的工艺步骤，该界面过渡层复合结构是通过蒸发Ti/Al基复合金属化系统，采用淀积膜加温方法和高温合金退火方法相结合形成的。富Al层是通过调节Al成分和合金退火条件来实现，碳化物层的成分及微结构、功函数等物理参数、界面形态及连接方式是通过控制复合金属化系统中各层金属的种类、成分配比、厚度、合金退火条件来控制。其中，此金属化系统为多层金属结构，包括Ti/Al层和Ni/Au盖层，Ti/Al层为金属层，Ni/Au盖层的作用为防止Al溅塌在器件表面，保障合金形貌和器件性能。并严格控制Ti/Al膜中Al成分占比和膜总厚度，并使Ni/Au膜中Ni膜厚度大于Au膜厚度。其具体制作步骤包括：
步骤1：清洗SiC衬底；使用丙酮、乙醇、去离子水依次冲洗SiC衬底表面，并用N2吹干；其中该SiC衬底从上到下有三个区域，从上到下依次为N+区、N-区和P区。
步骤2：干燥SiC衬底；将SiC衬底放入120℃的烘箱中，在N2氛围下烘10分钟。
步骤3：在SiC衬底上制备用于台面刻蚀的掩膜；在SiC衬底表面涂敷厚度3μm的9920光刻胶作为台面刻蚀的掩膜，然后对光刻胶进行光刻形成台面隔离的图形。
步骤4：对SiC衬底进行台面刻蚀；以形成的台面隔离的图形为掩模，对SiC衬底进行ICP干法刻蚀，刻蚀至SiC衬底的N-区，SiC衬底的P区完全刻透。
步骤5：在刻蚀后的SiC衬底上匀胶光刻，形成剥离图形；使用AZ5214E光刻胶，在刻蚀后的SiC衬底表面涂敷一层厚度为2.2μm的光刻胶，然后进行光刻显影。
步骤6：对SiC衬底进行表面处理，活化表面性能，有利于形成界面过渡层；采用HF∶H2O(体积比为1∶10)的溶液腐蚀30秒，并用N2吹干。
步骤7：在进行了表面处理的SiC衬底上蒸发Ti/Al金属层；使用蒸发台，蒸发Ti/Al金属膜，其中Al原子在Ti/Al金属膜中的原子百分比为70-80at.％，Ti/Al金属膜总厚度为190nm至400nm。
步骤8：剥离沉积在光刻胶上的Ti/Al金属层；将蒸发完Ti/Al金属膜的SiC衬底浸没在丙酮溶液中，浸泡20分钟，然后在超声容器内超声3分钟，再将SiC衬底取出放入无水乙醇溶液中，超声3分钟，再用去离子水冲洗6遍，最后吹干。
步骤9：在蒸发了Ti/Al金属层的SiC衬底上溅射Ni/Au盖层金属；使用溅射台，溅射Ni/Au盖层金属膜，其中Ni金属膜的厚度范围为55nm至150nm之间，Au层金属膜厚度小于Ni层金属厚度。
步骤10：加温；将具有Ni/Au盖层金属和Ti/Al金属层的SiC衬底放入高温炉中加热到一定温度，此温度低于Ti或Al元素与碳化硅发生反应的温度。
步骤11：高温合金退火，形成界面过渡层复合结构。使用高温退火炉，采用高温合金技术进行退火，其中，退火温度为800℃-1000℃之间，时间2-10分钟，形成界面过渡层复合结构。
实施例：
1)界面过渡层复合结构。通过对界面过渡层复合结构能带模型的分析，选定的复合结构为富Al层加上Ti3SiC2碳化物的结构。
2)界面过渡层复合结构的制备工艺。
其主要步骤包括：针对最高能量为550Kev(P型注入层的厚度约为0.7um)的离子注入高温激活样品，进行严格清洗步骤，并采用烘箱120℃，10min进行烘干；使用9920光刻胶，2000rpm，制作出3.1um厚光刻胶，作为台面刻蚀的掩膜；采用ICP刻蚀400s，台面刻蚀深度约0.8um；使用AZ5214E光刻胶，制作出厚度约2.2um的光刻胶剥离层；采用HF∶H2O(1∶10)的溶液腐蚀约30sec，N2充分吹干；使用蒸发台，蒸发Ti/Al(50/140nm)金属膜；将做完溅射的芯片浸没在丙酮溶液中，浸泡20min，然后在超声容器内超声3min，将芯片取出马上放入无水乙醇溶液中，超声3min，再用去离子水冲洗6遍。最后吹干芯片；使用溅射台，溅射Ni/Au(55/45nm)盖层金属膜；将此淀积膜放入高温炉中加热到650℃，保持10min；采用高温退火炉，合金条件为1000℃，2min；器件制备完成，进行TLM图形测试分析，I-V特性曲线成线性关系，说明已形成欧姆接触。
综上所述，本发明提供的界面过渡层复合结构，势垒薄而低、载流子浓度高，其中，碳化物层功函数处于金属与P型SiC材料之间，可有效调节接触势垒，使接触高势垒分解为阶梯势垒，从而有效降低肖特基势垒高度；且特定化学成分配比的碳化物的形成有利于去除工艺过程中产生的C残留；富Al层，一方面可以与碳化物层形成良好欧姆接触，另一方面载流子浓度高，很容易与P型SiC形成良好接触；因此，当载流子被激发到较高能量，遇到这个界面过渡层复合结构，就导致了隧道穿透机率增加，从而形成良好欧姆接触的方法。
同时，本发明提供的界面过渡层制作方法，简单、可重复性高，受衬底浓度、界面微结构及表面形貌影响小。采用本发明提供的界面过渡层复合结构，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，使P型碳化硅材料形成良好欧姆接触，也可适用于其他宽禁带材料欧姆接触形成技术和合金技术领域。
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 (21)
1.一种界面过渡层复合结构，其特征在于，该界面过渡层复合结构处于SiC衬底与金属层之间，包括富Al层和特定化学成分配比的碳化物混合层，其中，富Al层形成于SiC衬底之上，特定化学成分配比的碳化物混合层形成于富Al层之上，金属层形成于特定化学成分配比的碳化物混合层之上。
2.根据权利要求1所述的界面过渡层复合结构，其特征在于，所述富Al层中含有游离态的Si，用于提高SiC衬底表面载流子浓度，增加遂穿机率。
3.根据权利要求1所述的界面过渡层复合结构，其特征在于，所述特定化学成分配比的碳化物混合层是一种或者两种碳化物的混合层结构，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。
4.根据权利要求3所述的界面过渡层复合结构，其特征在于，所述特定化学成分配比的碳化物混合层，其C与Si的比值高于SiC中的C与Si的比值。
5.根据权利要求3所述的界面过渡层复合结构，其特征在于，所述特定化学成分配比的碳化物混合层为Ti、Si、C三元化合物和Al、C二元化合物的混合层结构，用于与SiC衬底表面反应生产界面过渡层。
6.根据权利要求5所述的界面过渡层复合结构，其特征在于，所述Ti、Si、C三元化合物中Ti原子的分数大于等于3小于等于4，Si原子的分数为1，C原子的分数为2。
7.根据权利要求5所述的界面过渡层复合结构，其特征在于，所述Al、C二元化合物中Al原子的分数为4，C原子的分数为3。
8.根据权利要求4所述的界面过渡层复合结构，其特征在于，所述特定化学成分配比的碳化物混合层中部分C来源于工艺过程中残留的C。
9.根据权利要求3所述的界面过渡层复合结构，其特征在于，所述特定化学成分配比的碳化物混合层，其功函数大于等于5eV小于6.5eV。
10.一种制作权利要求1至9中任一项所述的界面过渡层复合结构的方法，其特征在于，包括：
步骤1：清洗SiC衬底；
步骤2：干燥SiC衬底；
步骤3：在SiC衬底上制备用于台面刻蚀的掩膜；
步骤4：对SiC衬底进行台面刻蚀；
步骤5：在刻蚀后的SiC衬底上进行匀胶光刻，形成金属剥离图形；
步骤6：对SiC衬底进行表面处理，活化表面性能；
步骤7：在进行了表面处理的SiC衬底上蒸发Ti/Al金属层；
步骤8：剥离沉积在光刻胶上的Ti/Al金属；
步骤9：在蒸发了Ti/Al金属层的SiC衬底上溅射Ni/Au盖层金属；
步骤10：加温；
步骤11：高温合金退火，形成界面过渡层复合结构。
11.根据权利要求10所述的界面过渡层复合结构的制作方法，其特征在于，步骤1中所述清洗SiC衬底，是使用丙酮、乙醇、去离子水依次冲洗SiC衬底表面，并用N2吹干；其中该SiC衬底从上到下有三个区域，从上到下依次为N+区、N-区和P区。
12.根据权利要求10所述的界面过渡层复合结构的制作方法，其特征在于，步骤2中所述干燥SiC衬底是将SiC衬底放入120℃的烘箱中，在N2氛围下烘10分钟。
13.根据权利要求10所述的界面过渡层复合结构的制作方法，其特征在于，步骤3中所述在SiC衬底上制备用于台面刻蚀的掩膜，是在SiC衬底表面涂敷厚度3μm的9920光刻胶作为台面刻蚀的掩膜，然后对光刻胶进行光刻形成台面隔离的图形。
14.根据权利要求10所述的界面过渡层复合结构的制作方法，其特征在于，步骤4中所述对SiC衬底进行台面刻蚀，是以形成的台面隔离的图形为掩模，对SiC衬底进行ICP干法刻蚀，刻蚀至SiC衬底的N-区，SiC衬底的P区完全刻透。
15.根据权利要求10所述的界面过渡层复合结构的制作方法，其特征在于，步骤5中所述在刻蚀后的SiC衬底上匀光刻胶，形成金属剥离图形，是使用AZ5214E光刻胶，在刻蚀后的SiC衬底表面涂敷一层厚度为2.2μm的光刻胶，然后进行光刻显影。
16.根据权利要求10所述的界面过渡层复合结构的制作方法，其特征在于，步骤6中所述对SiC衬底进行表面处理，活化表面性能，有利于形成界面过渡层，是采用HF∶H2O(体积比为1∶10)的溶液腐蚀30秒，并用N2吹干。
17.根据权利要求10所述的界面过渡层复合结构的制作方法，其特征在于，步骤7中所述在进行了表面处理的SiC衬底上蒸发Ti/Al金属层，是使用蒸发台，蒸发Ti/Al金属膜，其中Al原子在Ti/Al金属膜中的原子百分比为70-80at.％，Ti/Al金属膜总厚度为190nm至400nm。
18.根据权利要求10所述的界面过渡层复合结构的制作方法，其特征在于，步骤8中所述剥离沉积在光刻胶上的Ti/Al金属层，是将蒸发完Ti/Al金属膜的SiC衬底浸没在丙酮溶液中，浸泡20分钟，然后在超声容器内超声3分钟，再将SiC衬底取出放入无水乙醇溶液中，超声3分钟，再用去离子水冲洗6遍，最后吹干。
19.根据权利要求10所述的界面过渡层复合结构的制作方法，其特征在于，步骤9中所述在蒸发了Ti/Al金属层的SiC衬底上溅射Ni/Au盖层金属，是使用溅射台，溅射Ni/Au盖层金属膜，其中Ni金属膜的厚度范围为55nm至150nm之间，Au层金属膜厚度小于Ni层金属厚度。
20.根据权利要求10所述的界面过渡层复合结构的制作方法，其特征在于，步骤10中所述加温，是将具有Ni/Au盖层金属和Ti/Al金属层的SiC衬底放入高温炉中加热到一定温度，此温度低于Ti或Al元素与碳化硅发生反应的温度。
21.根据权利要求10所述的界面过渡层复合结构的制作方法，其特征在于，步骤11中所述高温合金退火，是使用高温退火炉，采用高温合金技术进行退火，其中，退火温度为800℃-1000℃之间，时间2-10分钟。
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