CN116864379B - 欧姆接触电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及半导体领域，公开了一种欧姆接触电极的制备方法。本申请所述制备方法使用Ti/Ni双金属依次淀积，然后采用三次独立退火后形成欧姆接触电极。由于Ti可与C反应避免了C原子会积累在界面附近和金属表面形成碳膜或碳团簇，使得欧姆接触电极的表面形貌平整，具有较低的比接触电阻并提高了SiC欧姆接触性能。三次独立退火增强接触界面粘附性并且使用温度较低从而降低了点缺陷和扩展缺陷的发生概率，提高了器件性能和可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及半导体领域，尤其涉及一种欧姆接触电极的制备方法。
背景技术
碳化硅(SiC)是近十几年来迅速发展起来的宽禁带半导体材料之一，与广泛应用的半导体材料Si，Gc以及GaAs相比，SiC材料具有宽禁带、高击穿电场、高载流子饱和漂移速率、高热导率、高功率密度等等许多优点，是制备高温、大功率、高频器件的理想材料，但是在SiC器件的制造工艺中仍然存在很多问题和困难，严重制约了SiC器件发展。欧姆接触电极是制备SiC器件的重要工序，它的好坏将直接影响到器件在高温大功率条件应用时的器件效率、增益和开关特性等指标。
对于器件的欧姆接触电极，低比接触电阻率和高稳定性是决定器件性能的两个重要因素。因此为了充分的发挥SiC材料的优势，在其器件工艺中欧姆接触电极的制作工艺具有非常重要的位置。对于N型SiC普遍选取的是以Ni为基础的合金体系淀积在重掺杂的SiC上一次性高温快速退火实现，退火温度普遍在900℃以上。但目前工艺制备的欧姆接触电极存在接触界面粗糙、粘附性差，易形成碳聚集的问题，影响欧姆接触的质量和特性；而且，由于使用的是高温快速退火，易激发SiC外延层产生大量点缺陷和扩展缺陷，影响器件性能和可靠性。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种欧姆接触电极的制备方法，使得所述制备方法能够避免欧姆接触界面附近和金属表面形成碳膜或碳团簇，使得欧姆接触电极的表面形貌平整，具有较低的比接触电阻，提高欧姆接触电极性能；同时降低点缺陷和扩展缺陷的发生概率，提高半导体器件性能和可靠性，可以应用于制备金属氧化物半导体场效应管（金氧半场效晶体管，MOSFET）领域中。
为了达到上述目的，作为本申请的第一个方面，提供了一种欧姆接触电极的制备方法，包括：
获得SiC半导体器件；
去除所述SiC半导体器件上的层间介质（ILD:Inter-Layer Dielectrics）层，暴露出源极区的N+区域；
在所述源极区的N+区域表面依次淀积Ti金属层和Ni金属层；
在保护性气体氛围中进行三次以上的独立退火，形成欧姆接触电极；其中，每一次独立退火的温度均不高于800℃，第一次独立退火的温度低于所有独立退火温度中的最高值，最后一次退火的温度是所有独立退火温度中的最低值。
可选地，所述制备方法在保护性气体氛围中进行3-5次的独立退火；进一步可选地，在保护性气体氛围中进行第一次退火，温度为500-600℃，退火后冷却至室温；然后在保护性气体氛围中进行第二次退火，温度为700-800℃，退火后冷却至室温，清除掉表面析出的杂质；然后在保护性气体氛围中进行第三次退火，温度为400-500℃，退火后冷却至室温。
可选地，所述Ti金属层的厚度为200-400埃，所述Ni金属层的厚度为500-1000埃。
可选地，从第一次独立退火开始，每次独立退火的时间依次递减；进一步可选地，所述每次独立退火的时间为180-400s。
可选地，三次退火的保护性气体氛围浓度相同。
可选地，所述保护性气体包括氮气和惰性气体。
可选地，所述获得SiC半导体器件包括：使用光刻工艺在SiC晶圆片上制作欧姆接触的电极图形。
与目前现有的SiC欧姆接触电极的制备工艺相比，本申请至少具有如下的有益效果：
使用Ti/Ni双层金属依次淀积并进行退火处理，金属Ti与SiC合金反应时，易在SiC表面形成大量C空位，增加了净电子浓度，导致比接触电阻降低，最终使得欧姆接触性能大大提升；
加入Ti层金属可与SiC分解出的C原子反应，避免了C原子会积累在界面附近和金属表面形成碳膜或碳团簇，使得欧姆接触电极的表面形貌平整；
引入三次独立快速退火增强了接触界面粘附性降低了接触电阻，同时使得金属与SiC充分反应，形成的欧姆接触电极的表面形貌更加平整、接触电阻更低；
降低快速退火的温度，减少因高温工艺带来的外延缺陷，提高器件良率及性能。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定；
图1所示为本申请制备的N型SiC欧姆接触电极的结构示意图；
图2所示为本申请用于制作欧姆接触电极的SiC半导体器件的结构示意图；
图3所示为刻蚀掉欧姆接触电极区的隔离层的结构示意图；
图4所示为依次淀积Ti金属层和Ni金属层后的结构示意图；
图5所示为第一次预退火在欧姆接触电极区域形成稳定的Ti/Ni/Si/TiC合金的结构示意图。
具体实施方式
本申请公开了一种欧姆接触电极的制备方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本申请。本申请所述产品、工艺已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本申请内容、精神和范围内对本文所述工艺进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本申请技术。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在本文中，如若出现诸如“第一”和“第二”、“步骤1”和“步骤2”以及“（1）”和“（2）”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。同时，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请第一个方面，提供了一种欧姆接触电极的制备方法，包括：
获得SiC半导体器件；
去除所述SiC半导体器件上的层间介质层，暴露出源极区的N+区域；
在所述源极区的N+区域表面依次淀积Ti金属层和Ni金属层；
在保护性气体氛围中进行三次以上的独立退火，形成欧姆接触电极；其中，每一次独立退火的温度均不高于800℃，第一次独立退火的温度低于所有独立退火温度中的最高值，最后一次退火的温度是所有独立退火温度中的最低值。
在本申请具体实施方式中，以SiCMOSFET为示例，对本申请制备欧姆接触电极的方法进行说明，该说明用于进一步理解本申请制备方法，并不构成对本申请的不当限定；
SiCMOSFET形成欧姆接触电极的结构示意图见图1，N+表示N型重掺杂区域，N-表示N型轻掺杂区域，P+表示P型重掺杂区域；其中，第一N+区域为SiC衬底层，第二N+区域和P+区域是半导体器件有源区的一部分，N-区域为SiC外延层。
在本申请某些实施方式中，所述获得SiC半导体器件包括：使用光刻工艺在SiC晶圆片上制作欧姆接触的电极图形，该电极图形可根据实际需求进行确定，例如用于SiCMOSFET的电极图形。
当以SiCMOSFET为示例时，所述SiC半导体器件结构示意图见图2，以第一N+区域为衬底层，在其上方依次设置作为外延层的N-区域和ILD层；其中，所述外延层邻近上表面设置P+区域；所述P+区域邻近上表面设置有第二N+区域，所述P+区域和第二N+区域共同构成有源区的一部分。
在本申请某些实施方式中，所述层间介质层可以采用本领域常规的ILD材料，例如采用LPTEOS（低压四乙氧基硅酸盐玻璃）+BPSG（硼磷硅酸盐玻璃）膜层结构作为层间介质层。
在本申请某些实施方式中，去除所述SiC半导体器件上欧姆接触电极区的隔离层可采用湿法工艺去除，例如采用腐蚀液进行，更具体地采用BOE（Buffered Oxide Etch，缓冲氧化物刻蚀液）刻蚀掉欧姆接触电极区的ILD膜层，暴露出源极区的N+区域，所述BOE一般由氢氟酸（49%）与水或氟化铵与水混合而成。在本申请另外一些实施方式中，去除掉隔离层后还需对暴露出的电极区清洗，去除表面的自然氧化层，为后续金属淀积做准备，结构示意图见图3。
在本申请某些实施方式中，淀积Ti金属层和Ni金属层时，可采用直流磁控溅射、反应磁控溅射等方式进行淀积，结构示意图见图4；金属Ni与C原子不反应的效率较低，金属Ti与C原子反应的效率较高，首先淀积Ti层金属可与SiC分解出的C原子反应，避免了C原子会积累在界面附近和金属表面形成碳膜或碳团簇，使得欧姆接触电极的表面形貌平整，也会在SiC表面形成大量C空位，增加了净电子浓度，导致比接触电阻降低，最终使得欧姆接触性能大大提升；若先淀积Ni层则会降低与C原子的反应效率，无法实现预期效果。
同时，Ti金属层和Ni金属层的厚度也会影响欧姆接触性能；太薄时，欧姆接触电阻会增大，进一步增大导通电阻，影响器件性能；太厚时，表面反应不充分，界面会严重粗糙化，会增大欧姆接触电阻。因此Ti层厚度最适可为200-400埃，例如200埃、250埃、300埃、350埃、400埃等，Ni层厚度最适可为500-1000A，例如500埃、550埃、600埃、650埃、700埃、750埃、800埃、850埃、900埃、950埃、1000埃等。
在本申请某些实施方式中，在保护性气体氛围中进行第一次独立退火，使用温度500℃-600℃，例如510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃、600℃等，时间为T1，完成退火后需降温至室温。第一次预退火能使Ti层、Ni层软化，Ni、Ti会相互扩散，并在欧姆接触电极区域形成稳定的Ti/Ni/Si/TiC合金。完成第一次独立退火后，使用氢氟酸+硝酸混合液（1：3）剥除ILD层表面未反应的金属，为第二次独立退火做准备，结构示意图见图5。
在本申请某些实施方式中，在保护性气体氛围中进行第二次独立退火，使用温度700℃-800℃，例如710℃、720℃、730℃、740℃、750℃、760℃、770℃、780℃、790℃、800℃等，时间为T2，完成退火后需降温至室温。第二次退火促使第一次预退火形成的Ti/Ni/Si/TiC合金进行充分反应，使得SiC表面产生更多的C空位，同时产生欧姆合金（包括Ni2Si和NiSi，主要成分是Ni2Si，NiSi的含量较少），形成欧姆接触电极；完成第二次独立退火后，使用氢氟酸+硝酸混合液（1：3）清除ILD层表面析出的Ti/TiC等杂质物质，结构示意图见图1。
在本申请某些实施方式中，在保护性气体氛围中进行第三次独立退火，使用温度400℃-500℃，例如410℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃、480℃、490℃、500℃等，时间为T3，完成退火后需降温至室温。第三次退火用于进一步反应，保证反应完全，增强欧姆合金接触界面的粘附性，使得形成的欧姆接触电极的表面形貌更加平整，提高了欧姆接触性能，结构示意图见图1。
在本申请某些实施方式中，三次独立退火过程中保护性气体氛围浓度相同，这是考虑到气体氛围浓度对退火效果影响不大，为了便于工艺操作，每次独立退火的气体氛围浓度保持一致；在本申请某些实施方式中，所述保护性气体包括氮气和惰性气体，惰性气体包括但不限于氩气、氙气、氖气、氡气等。
在本申请某些实施方式中，所述制备方法在保护性气体氛围中进行3-5次的独立退火；进一步可选地，在保护性气体氛围中进行第一次退火，温度为500-600℃，退火后冷却至室温；然后在保护性气体氛围中进行第二次退火，温度为700-800℃，退火后冷却至室温，清除掉表面析出的杂质；然后在保护性气体氛围中进行第三次退火，温度为400-500℃，退火后冷却至室温。
在本申请某些实施方式中，从第一次独立退火开始，每次独立退火的时间依次递减，即T1>T2>……＞Tn，这样可以减少对器件的高温损伤；以三次独立退火为例，使用较长时间预热（第一次退火），可以给半导体器件一定的适应时间，从而在第二次退火的时候，防止SiC晶圆片因升温造成翘曲；而增加第三次短时间的退火可以保证反应完全化。在本申请另外一些实施方式中，所述每次独立退火的时间为180-400s。
在本申请三次退火过程中，整体温度均小于均低于目前工艺退火的温度，退火温度降低不仅使工艺上更容易实现，且增强了接触界面粘附性降低了接触电阻。同时使得金属与SiC充分反应，形成的欧姆接触电极的表面形貌更加平整、接触电阻更低。
经过本申请工艺制备的欧姆接触电极，其触电阻率可以小于10-6Ω·cm2，与传统Ni基欧姆接触工艺退火后的表面形貌相对比，表面形貌平整，无碳膜或碳团簇。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，包括：
获得SiC半导体器件；
去除所述SiC半导体器件上的层间介质层，暴露出源极区的N+区域；
在所述源极区的N+区域表面依次淀积Ti金属层和Ni金属层；
在保护性气体氛围中进行三次独立退火，形成欧姆接触电极；其中，每一次独立退火的温度均不高于800℃，第一次独立退火，温度为500-600℃，退火后冷却至室温；然后在保护性气体氛围中进行第二次独立退火，温度为700-800℃，退火后冷却至室温，清除掉表面析出的杂质；然后在保护性气体氛围中进行第三次独立退火，温度为400-500℃，退火后冷却至室温，最后一次退火的温度是所有独立退火温度中的最低值。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Ti金属层的厚度为200-400埃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Ni金属层的厚度为500-1000埃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，从第一次独立退火开始，每次独立退火的时间依次递减。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述每次独立退火的时间为180-400s。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，三次退火的保护性气体氛围浓度相同。
7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述保护性气体包括氮气和惰性气体。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述获得SiC半导体器件包括：使用光刻工艺在SiC晶圆片上制作欧姆接触的电极图形。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第一次独立退火的温度可以为：510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃、590℃或600℃。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第三次独立退火的温度可以为：410℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃、480℃、490℃或500℃。
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