專利名稱：一種用于碳化硅的歐姆電極結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種歐姆電極結(jié)構(gòu)，特別涉及一種用于碳化硅器件的歐姆接觸 電極結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
碳化硅(SiC)是第三代半導(dǎo)體的核心材料之一，與第一代半導(dǎo)體材料如硅 (Si)和第二代半導(dǎo)體材料如砷化鎵(GaAs)相比，它具有寬禁帶(2.4-3.3eV)、 高熱導(dǎo)率(5-7W-cm+K'1)、高飽和載流子漂移速率(2.0xl07cnrs")、高臨界擊 穿場強(>2.0xl05 V，cm—1)、化學(xué)性能穩(wěn)定、高硬度、抗磨損、高鍵合能以及抗 輻射等優(yōu)點等特性，決定SiC器件可以在高溫、大功率和高頻下工作，在國民 經(jīng)濟各方面具有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，SiC材料與器件的研制已經(jīng)成為研究熱點 (Casady J B, et al., 五/ec化om'cs 39 (1996) 1409，本文以引用的方式并
入本文)。
而制備SiC器件的關(guān)鍵工藝之一是實現(xiàn)SiC與金屬的歐姆接觸，其作用就
是通過金屬電極實現(xiàn)半導(dǎo)體器件內(nèi)部與外部的互聯(lián)。歐姆接觸質(zhì)量的好壞、接 觸電阻的大小直接影響器件的效率、增益和開關(guān)速度等性能指標(biāo)。因此尋求更
多的低電阻、高穩(wěn)定性的SiC接觸材料是當(dāng)前十分緊迫的任務(wù)。
目前公知的在SiC上制備歐姆電極的方法是通過真空蒸發(fā)、直流/射頻濺射 等方法沉積金屬膜，然后于惰性氣氛或真空中高溫下退火得到。在SiC歐姆接 觸的金屬方面，很多過渡及難熔金屬能與之形成歐姆接觸，有Ni, Pt， Cr， Ta， W， Ti， TiAl， TiW， NiCr等金屬或合金(參考文獻Porter L M， et al.， Mafer. 5W. 五"g.B34(1995)83，本文結(jié)合參照)。但是，要實現(xiàn)低接觸電阻，需要進行熱處 理，由于金屬/SiC界面熱力學(xué)不穩(wěn)定，而Ni、 Pt等金屬與SiC只能形成硅化物， 因此SiC熱分解產(chǎn)生的多余的C以石墨態(tài)或無定形態(tài)聚集在界面或貫穿整個接 觸層，會導(dǎo)致表面形貌的惡化，并成為器件電學(xué)不穩(wěn)定的潛在因素，尤其是器 件在高溫下長時間操作后，會引起器件功能和壽命惡化的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是設(shè)計一種制備重復(fù)性好，適用于SiC
的歐姆電極結(jié)構(gòu)，它能夠減少形成歐姆接觸的退火過程中帶來的接觸層中多余 的碳原子對電學(xué)性能的損害和提供改善的表面形貌，從而提高電極穩(wěn)定性。 本發(fā)明的另一目的是提供一種制造用于碳化硅的歐姆電極結(jié)構(gòu)的制造方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案
本發(fā)明的用于碳化硅的歐姆電極結(jié)構(gòu)，包括在襯底碳化硅(1)上依次形成
的第一層鉭(Ta)膜(2)、第二層鉑(Pt)膜(3)和第三層鉭(Ta)膜(4)
的歐姆電極，其中，第一層鉭膜(2)的厚度為20-40nm，第二層鉑膜(3)的厚
度為20-60nm，第三層鉭膜(4)的厚度為10-30nm。
其中，襯底碳化硅的類型包括6H-SiC， 4H-SiC， 15R-SiC等。
其中，襯底碳化硅的類型包括n型SiC或p型SiC，其中所用的n型SiC的
載流子濃度大于1017cm'3。
本發(fā)明的用于碳化硅的歐姆電極結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟
1) 襯底清洗
分別用10% HF, 10% HC1和丙酮超聲清洗SiC晶片，清洗時間為5-10分 鐘，然后用去離子水清洗，最后用N2吹干，以清除表面雜質(zhì)；
2) 制作電極掩膜板
采用紫外曝光技術(shù)，在SiC晶片表面制作預(yù)期的圓形傳輸線(Transmission Line Method,簡稱TLM法)電極圖案；
3) 形成電極膜
在步驟2)獲得的SiC晶片上依次形成第一層Ta膜、第二層Pt膜和第三層 Ta膜的歐姆電極，第一層Ta膜的厚度為20-40nm，第二層Pt膜的厚度為20-60nm, 第三層Ta膜的厚度為10-30nm;
4) 剝離
利用丙酮及超聲剝離方法清洗樣品，并將多層膜上不需要的部分剝離，得 到預(yù)期的測試電極；
5) 退火
將步驟4)獲得的樣品置于真空退火爐中于Ar氣氛下或真空中進行熱處理， 真空度大于l(T3Pa，熱處理溫度在900°C 1200°C之間，退火時間從1分鐘到IO分鐘；退火結(jié)束后降低襯底溫度至室溫即得。
其中，步驟3)中電極膜分別由分子束外延法、濺射法、電子束蒸發(fā)法形成， 優(yōu)選磁控濺射法。
進一步地，步驟3)具體是利用直流磁控濺射來沉積電極膜，用高純金屬單 質(zhì)Ta(99.9wt %)、 Pt(99.99wt °/。)|故濺射靶，先對靶清潔預(yù)濺射5-10分鐘，然后利 用擋板擋住樣品，各種靶材的濺射速率為0.05-0.3nm/s左右，襯底溫度為100。C; 所有金屬膜均生長在SiC的Si面上，首先生長Ta層，緊接著在其上生長Pt層， 最后在其上生長外層Ta層。
在本發(fā)明中，用于SiC的電極是指在SiC半導(dǎo)體上形成的電極，使用本發(fā) 明的用于SiC的歐姆接觸電極的SiC半導(dǎo)體的類型不應(yīng)受晶型的限制，可以包 括6H-SiC， 4H-SiC， 15R-SiC等。
更進一步，在本發(fā)明中，SiC半導(dǎo)體的類型不應(yīng)受半導(dǎo)體導(dǎo)電性的限制，可 以包括n型SiC和p型SiC。
本發(fā)明采用Ta和Pt多層金屬膜作為電極材料，高溫退火后，SiC表面開始 分解，電極內(nèi)形成了Pt2Si和TaC。 Pt層向金屬/SiC初始界面擴散，在與SiC相 鄰處形成鉑的硅化物，Ta原子則穿越硅化物層向電極表面擴散，并與釋放的C 原子生成TaC層，減少了接觸界面處多余的C原子的聚集，因此在單層金屬電 極Pt/SiC中引入Ta提高了電極的穩(wěn)定性并改善了電極的表面形貌，并且形成的 TaC和Pt2Si均具有高熔點、低電阻的特性。退火后C原子的外逸使得Pt2Si/SiC 界面處產(chǎn)生了C的空位，而C空位的產(chǎn)生使耗盡層寬度變窄，或降低了電子輸 運的有效肖特基勢壘OB，對Ta/Pt/Ta/SiC電極歐姆接觸的形成起到了關(guān)鍵作用。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用的用于SiC器件的歐姆接觸電極，能在900-1200。C 之間退火獲得理想一致、接觸電阻低的歐姆接觸，減少了退火過程中接觸層中 多余的碳原子的堆積，并且合金后金屬的形貌比較平整，提高了金屬電極的可 靠性，具有工藝簡單、容易實現(xiàn)等特點。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明的電極熱處理前剖面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為實施例1中制備的歐姆電極的電流-電壓(I-V)特性曲線圖，其中， "5"代表實例1中在Ar氣中900°C下退火5分鐘的樣品的實驗值，"6"代表 實施例1中在Ar氣中1000°C下退火5分鐘的樣品的實驗值。圖3為實施例1中制備的電極退火前后的表面形貌比較圖；"7"為退火前， "8"為1000。C退火后。
圖4為實施例1中制備的經(jīng)1000°C退火的歐姆電極，接觸層界面上的各元 素濃度深度分布的俄歇電子能譜(AES)圖。
圖5為實施例2中制備的電極的I-V特性曲線，其中，"9"代表實施例2 中在Ar氣中卯0。C下熱退火10分鐘的樣品的實驗值，"10"代表實施例2中在 Ar氣中1000°C下快速退火10分鐘的樣品的實驗值。
圖6為實施例3中，Ta層和Pt層厚度不同的各電極經(jīng)1000°C退火3分鐘 后的I-V特性曲線，其中，
"11": Ta(10nm)/Pt(20nm)/Ta(20nm)/SiC多層結(jié)構(gòu) "12 ": Ta( 10nm)/Pt(60nm)/Ta(20nm)/SiC多層結(jié)構(gòu) "13 ": Ta(10nm)/Pt(20nm)/Ta(40nm)/SiC多層結(jié)構(gòu) "14": Ta(10nm)/Pt(60nm)/Ta(40nm)/SiC多層結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
本發(fā)明提出了一種用于碳化硅的歐姆接觸電極結(jié)構(gòu)，該電極結(jié)構(gòu)包括自SiC 半導(dǎo)體襯底l表面向上第一層難熔金屬鉭(Ta)膜2,第二層鉑(Pt)膜3和 第三層難熔金屬鉭(Ta)膜4，圖1給出了本發(fā)明的電極熱處理前剖面結(jié)構(gòu)示意 圖。本發(fā)明在形成電極材料層之前，首先清洗SiC晶片，然后采用紫外曝光技 術(shù)，在SiC晶片表面制作預(yù)期的圓形TLM電極形狀；隨后形成金屬薄膜，最后 對SiC上金屬層進行熱處理，在SiC半導(dǎo)體層和本發(fā)明的用于SiC的電極之間 形成歐姆接觸。
為進一步說明本發(fā)明的特征和技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖通過對具體實施例 的描述，進一步詳細說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、優(yōu)點和性能。
實施例1
分別用10vol%HF， 10voP/。HCl和丙酮超聲清洗6H-SiC晶片，清洗時間 為10分鐘，然后用去離子水清洗，N2吹干。采用紫外曝光技術(shù)，在SiC晶片表 面制作預(yù)期的電極形狀；隨后利用直流磁控濺射技術(shù)沉積薄膜，用高純金屬單 質(zhì)Ta(99.9wt%) 、 Pt(99.99wt%)做濺射靶，制造的電極結(jié)構(gòu)為Ta(10nm)/ Pt(60證)/Ta(20nm)/SiC多層，襯底采用載流子濃度為2xl018cm-3的n型SiC。生長結(jié)束后，利用超聲剝離(lift-off)方法，用丙酮清洗樣品，將多層膜上不需要的 部分剝離，得到預(yù)期的圓形TLM測試電極。完成上述步驟后，將樣品置于真空 退火爐中于Ar氣氛下進行熱處理，真空環(huán)境達l(^Pa，退火溫度分別為900。C 和1000。C，退火時間均為5min;退火結(jié)束后降低襯底溫度至室溫并取出樣品。 利用半導(dǎo)體測量系統(tǒng)半測量該電極室溫下的電流一電壓(I-V)特性，結(jié)果如圖 2所示，很明顯該接觸的I-V曲線顯示出良好的線性關(guān)系，證明得到了很好的歐 姆接觸電極。圖3顯示電極經(jīng)1000。C退火后表面形貌平整，與退火前相似，從 而保證了歐姆接觸后的合金形貌。參考圖4，金屬/SiC界面在熱處理過程中，通 過擴散和相變反應(yīng)，化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)將發(fā)生顯著的變化，從圖上可以清晰地看 到各元素在薄膜中的分布情況。
實施例2
分別用10vol%HF， 10voP/。HCl和丙酮超聲清洗4H-SiC晶片，清洗時間為 5分鐘，然后用去離子水清洗，N2吹干。采用紫外曝光技術(shù)，在SiC晶片表面 制作預(yù)期的電極形狀；隨后利用直流磁控濺射技術(shù)沉積薄膜，用高純金屬單質(zhì) Ta(99.9wt%) 、 Pt(99.99wt%)做濺射靶，制造的電極結(jié)構(gòu)為Ta(10nm)/ Pt(60nm)/Ta(20nm)/SiC多層，襯底采用載流子濃度為10l7cm-3的n型SiC。生長 結(jié)束后，利用超聲剝離(lift-off)方法，用丙酮清洗樣品，將多層膜上不需要的部 分剝離，得到預(yù)期的圓形TLM測試電極。完成上述步驟后，將樣品置于真空退 火爐中于Ar氣氛下進行熱處理，退火溫度為900°C和1000°C，退火時間均為 10min;退火結(jié)束后降低襯底溫度至室溫并取出樣品。I-V曲線的測量在室溫下 進行，對于載流子濃度較低的樣品，900°C熱處理不能產(chǎn)生歐姆特性，如圖5 所示，而1000。C熱處理后I-V曲線呈良好線性，證明得到了很好的歐姆接觸電 極。
實施例3
分別用10voP/。HF， 10voP/。HCl和丙酮超聲清洗6H-SiC晶片，清洗時間為 IO分鐘，然后用去離子水清洗，N2吹干。采用紫外曝光技術(shù)，在SiC晶片表面 制作預(yù)期的電極形狀；隨后利用直流磁控濺射技術(shù)沉積薄膜，用高純金屬單質(zhì) Ta(99.9wt%)、 Pt(99.99wtW)做濺射靶，制造不同Ta層和Pt層厚度的電極結(jié)構(gòu)， 如Ta(10nm)/Pt(20nm)/Ta(20nm)/SiC 、Ta(10nm)/Pt(6(hm)/Ta(20nm)/SiC 、 Ta( 10nm)/Pt(20nm)/Ta(40nm)/SiC或Ta( 10nm)/Pt(60nm)/Ta(40nm)/SiG襯底采用載流子濃度為2xlO"cm—3的n型SiC。生長結(jié)束后，利用超聲剝離(lift-off)方法， 用丙酮清洗樣品，將多層膜上不需要的部分剝離，得到預(yù)期的圓形TLM測試電 極。完成上述步驟后，將樣品置于真空退火爐中于Ar氣氛下進行熱處理，退火 溫度為1000°C，退火時間為3min;退火結(jié)束后降低襯底溫度至室溫并取出樣品。 所有樣品的I-V曲線呈良好線性，如圖6所示，從而證明得到了很好的歐姆接觸 電極，且電極中各層金屬的厚度具有一定的變化范圍。
實施例4
分別用10vol% HF， 10vol% HC1和丙酮超聲清洗SiC晶片，該SiC晶片中 同時存在4H-SiC、 6H-SiC和15R-SiC三種晶型，清洗時間為10分鐘，然后用 去離子水清洗，N2吹干。采用紫外曝光技術(shù)，在SiC晶片表面制作預(yù)期的電極 形狀；隨后利用電子束蒸發(fā)法沉積薄膜，用高純金屬單質(zhì)Ta(99.9wt%)、 Pt(99.99wtn/。)做濺射靶，制造不同Ta層和Pt層厚度的電極結(jié)構(gòu)，如 Ta(10nmyPt(20nm)/Ta(20nm)/SiC 、 Ta(10nm)/Pt(60腦)/Ta(20nm)/SiC 、 Ta( 10nm)/Pt(40nm)/Ta(30nm)/SiC或Ta(30nm)/Pt(60nm)/Ta(40nm)/SiG襯底采用 載流子濃度為5xlO"cii^的p型SiC。生長結(jié)束后，利用超聲剝離(lift-off)方法， 用丙酮清洗樣品，將多層膜上不需要的部分剝離，得到預(yù)期的圓形TLM測試電 極。完成上述步驟后，將樣品置于真空退火爐中進行熱處理，真空環(huán)境達l(T3Pa， 退火溫度為1200°C，退火時間為5min;退火結(jié)束后降低襯底溫度至室溫并取出 樣品。所有樣品的I-V曲線呈良好線性，證明得到了很好的歐姆接觸電極。
應(yīng)該指出，上述的實施例只是用具體的實例來說明本發(fā)明，它不應(yīng)是對本 發(fā)明的限制。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不偏離權(quán)利要求的宗旨和范圍時， 可以有多種形式和細節(jié)的變化。
權(quán)利要求
1、一種用于碳化硅的歐姆電極結(jié)構(gòu)，包括在襯底碳化硅(1)上依次形成的第一層鉭(Ta)膜(2)、第二層鉑(Pt)膜(3)和第三層鉭(Ta)膜(4)的歐姆電極，其中，第一層鉭膜(2)的厚度為20-40nm，第二層鉑膜(3)的厚度為20-60nm，第三層鉭膜(4)的厚度為10-30nm。
2、 如權(quán)利要求1所述的歐姆電極結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底碳化硅的類型包 括6H-SiC， 4H-SiC， 15R-SiC。
3、 如權(quán)利要求1所述的歐姆電極結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述襯底碳化硅的類型包 括n型SiC或p型SiC。
4、 如權(quán)利要求3所述的歐姆電極結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述n型SiC的載流子濃 度大于1017cm-3。
5、 一種權(quán)利要求l-4任一項所述用于碳化硅的歐姆電極結(jié)構(gòu)的制造方法，包括 以下步驟1) 襯底清洗分別用10% HF, 10% HC1和丙酮超聲清洗SiC晶片，清洗時間為5-10分 鐘，然后用去離子水清洗，最后用N2吹干，以清除表面雜質(zhì)；2) 制作電極掩膜板采用紫外曝光技術(shù)，在SiC晶片表面制作預(yù)期的圓形傳輸線電極圖案；3) 形成電極膜在步驟2)獲得的SiC晶片上依次形成第一層Ta膜、第二層Pt膜和第三層 Ta膜的歐姆電極，第一層Ta膜的厚度為20-40nm，第二層Pt膜的厚度為20-60nm， 第三層Ta膜的厚度為10-30nm;4) 剝離利用丙酮及超聲剝離方法清洗樣品，并將多層膜上不需要的部分剝離，得 到預(yù)期的測試電極；5) 退火將步驟4)獲得的樣品置于真空退火爐中于Ar氣氛下或真空中進行熱處理， 真空度大于l(T3Pa，熱處理溫度在900。C 1200。C之間，退火時間從1分鐘到 IO分鐘；退火結(jié)束后降低襯底溫度至室溫即得。
6、 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟3)中電極膜分別由分子束外 延法、濺射法、電子束蒸發(fā)法形成。
7、 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述濺射法為磁控濺射法。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，步驟3)具體是利用直流磁控濺射來沉積 電極膜，用純度99.9wt。/。的高純金屬單質(zhì)Ta和純度99.99wt。/。的Pt做濺射靶，先對靶清潔預(yù)濺射5-10分鐘，然后利用擋板擋住樣品，各種靶材的濺射速率為 0.05-0.3nm/s左右，襯底溫度為100。C;所有金屬膜均生長在SiC的Si面上，首 先生長Ta層，緊接著在其上生長Pt層，最后在其上生長外層Ta層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于碳化硅的歐姆電極結(jié)構(gòu)，包括在襯底碳化硅(1)上依次形成的第一層鉭(Ta)膜(2)、第二層鉑(Pt)膜(3)和第三層鉭(Ta)膜(4)的歐姆電極，其中，第一層鉭膜(2)的厚度為20-40nm，第二層鉑膜(3)的厚度為20-60nm，第三層鉭膜(4)的厚度為10-30nm。本發(fā)明還提供了一種用于碳化硅的歐姆電極結(jié)構(gòu)的制造方法。本發(fā)明的歐姆電極結(jié)構(gòu)在900-1200℃之間退火后可獲得理想一致、接觸電阻低的歐姆接觸，減少了形成歐姆接觸的退火過程中帶來的接觸層中多余的碳原子對電學(xué)性能的損害，并提供了改善的表面形貌，提高了電極穩(wěn)定性。
文檔編號H01L23/48GK101567383SQ20081010484
公開日2009年10月28日 申請日期2008年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月24日
發(fā)明者彭同華, 慧 楊, 王文軍, 王皖燕, 陳小龍 申請人:中國科學(xué)院物理研究所