碳化硅肖特基器件多層金屬化技術(shù)研究

趙 歡

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引 言

碳化硅（Silicon Carbide, SiC）因其良好的電學(xué)和物理性能，成為繼鍺、硅、砷化鎵之后新一代電路和微電子器件的半導(dǎo)體材料。SiC 材料的擊穿電場(chǎng)高于硅材料8 倍，可大大提高器件的耐壓容量、工作頻率和電流密度[1-2]。導(dǎo)通電阻與擊穿電場(chǎng)的立方成反比關(guān)系，因此SiC 功率器件的導(dǎo)通電阻只有硅器件的0.5%耀1%，這極大降低了器件的導(dǎo)通損耗[3]。SiC 較高的熱導(dǎo)率可極大提高電路的集成度，減少冷卻散熱系統(tǒng)的使用，大大降低系統(tǒng)的體積和重量，提高效率[4-5]，同時(shí)，其較低的介電常數(shù)和高的飽和電子漂移速度（是Si 的兩倍）保證了SiC 器件具有高速、高頻的工作性能[6-7]。這些性質(zhì)使SiC 器件能夠在航天航空、自動(dòng)化、高溫輻射環(huán)境、通信與雷達(dá)等極端環(huán)境下工作，發(fā)揮重要作用[8]。

SiC 功率器件工藝發(fā)展的一個(gè)難題是歐姆接觸問題。SiC 歐姆接觸金屬的選擇范圍廣泛，可使用Cr、Ni、TiAu、Ta、WTiNi、TiC、TiN、TiAl、Mo、WMo、AuTa等金屬或合金。雖然SiC 材料已經(jīng)商品化，在歐姆接觸方面，在P 型SiC 上制作歐姆接觸的難度比在P型Si 上制作歐姆接觸的難度大；同時(shí)P 型歐姆接觸的熱穩(wěn)定性有待提高。鑒于此，通過金屬化技術(shù)，在SiC 器件相應(yīng)位置上獲得更好的歐姆接觸，成為SiC工藝技術(shù)的關(guān)鍵。解決這一問題，將使SiC 器件成為21 世紀(jì)半導(dǎo)體工業(yè)中最有潛力的新秀。

2 碳化硅肖特基器件多層金屬化

2.1 金屬化技術(shù)理論研究

對(duì)于碳化硅肖特基二極管來說，金屬化有兩個(gè)作用：在需要的位置形成歐姆接觸（金屬電極）和在需要的位置形成肖特基勢(shì)壘。良好的歐姆接觸需要低的肖特基勢(shì)壘高度。最好的實(shí)現(xiàn)歐姆接觸的方法是重?fù)诫s，使勢(shì)壘變薄，增大隧道電流。但是對(duì)于新材料來說，做到高摻雜比較困難，而且摻雜濃度也會(huì)影響最小接觸電阻。通常，退火是形成低漏電流和穩(wěn)定勢(shì)壘高度的好辦法，也是形成歐姆接觸的最好方法，但不容易確定形成的是肖特基整流接觸還是歐姆接觸。對(duì)于P 型SiC 來說，還需要有一種具有高功函數(shù)的金屬與之匹配，才能在極端條件下保證高溫、大功率器件保持接觸的可靠性。歐姆接觸的附著性、穩(wěn)定性決定了高溫、大功率電子器件運(yùn)行的最大電流密度、溫度和頻率。一般要求SiC 器件的歐姆接觸的比接觸電阻（Specific contact resistance）要小于10-5Ω·cm2。對(duì)于功率器件，接觸電阻必須低于器件有源區(qū)的電阻。許多器件要求具有10-6Ω·cm2數(shù)量級(jí)或更低的比接觸電阻。為降低接觸電阻率、防止電遷移、提高接觸互連可靠性，采用多層金屬化技術(shù)十分必要。

2.2 多層金屬化電極工藝

多層金屬結(jié)構(gòu)存在的問題是金屬薄膜間的擴(kuò)散和相變反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電阻升高。選擇每一層金屬材料的原則是該金屬導(dǎo)電性要好，且要易于淀積成薄膜、易于刻蝕。為獲得最佳的芯片雙面接觸效果，使管芯背部金屬電極與正面電極具有同樣的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，在此，按照從內(nèi)到外的順序，設(shè)計(jì)了粘附層+阻擋層+導(dǎo)電層（焊接層）的多層金屬化方案。各層金屬材料的詳細(xì)選擇方法如表1 所示。

表1 半導(dǎo)體器件常用金屬的性質(zhì)

粘附層直接與SiC 或SiO2接觸，要求與SiC 或SiO2粘附良好，性能穩(wěn)定，本身不與上、下兩層金屬形成高阻化合物，且同時(shí)阻止導(dǎo)電層、阻擋層與勢(shì)壘硅化物形成高阻化合物。此外還要求SiC 與粘附層形成良好的低阻歐姆接觸，歐姆接觸系數(shù)小且熱膨脹系數(shù)與SiC 相近，因此應(yīng)選擇難熔金屬Cr、Ti、V等比較合適。此層厚度要求達(dá)到200耀300 nm。

阻擋層要與上、下兩層金屬粘附良好，性能穩(wěn)定。此層作為焊接層的阻擋層，要求對(duì)焊接時(shí)的焊料有抗熔蝕性，一般選用抗鉛錫熔蝕好的金屬如Ni、Pt、Pd 等。從表1 可知Ni、Pt 等材料的熱膨脹系數(shù)介于Cr、Ti 與Au、Ag 之間，從而可使各金屬的熱膨脹系數(shù)依次遞增，改善多層金屬化系統(tǒng)的熱匹配性能。

導(dǎo)電層（焊接層）作為多層金屬結(jié)構(gòu)的最外層，要求不易氧化，同時(shí)要易與焊料焊接、性能穩(wěn)定、電阻率低、抗電遷移能力強(qiáng)且導(dǎo)熱性能良好，一般采用Au、Ag。但是Au 價(jià)格昂貴，且Ag 還能改善焊料的流散性，所以，通常采用Ag 為導(dǎo)電層。此層厚度較厚，一般要求900耀3000 nm，保證上、下電極的焊接，同時(shí)能充分保護(hù)阻擋層不被氧化。

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)顯著影響實(shí)驗(yàn)情況的主要因素之一是金屬源的純度：源粒在進(jìn)到蒸發(fā)臺(tái)前要經(jīng)過嚴(yán)格的酸洗及超聲清洗后才可以投入使用。如果省略金屬熔源前的化學(xué)處理和清洗，極容易將源粒表面的雜質(zhì)尤其是自然氧化層混合到源錠當(dāng)中。使用這樣受到污染的、不純凈的源錠蒸發(fā)出來的金屬薄膜，因純度低、致密性差、晶粒尺寸不均勻，也會(huì)給金屬腐蝕工藝帶來困難。金屬源純度對(duì)工藝影響情況如圖1 所示。如圖1(a)和圖1(b)為金屬源處理情況優(yōu)劣不同造成的Ag 薄膜蒸發(fā)的不同效果（顯微鏡DIC 模式下）；圖1(c)和圖1(d)則分別顯示了這兩種薄膜在金屬腐蝕后場(chǎng)板以外的場(chǎng)區(qū)氧化層狀態(tài)，可見圖1(c)中的氧化層上殘留有大量難于腐蝕干凈的殘?jiān)?/p>

圖1 金屬源純度不同對(duì)工藝影響對(duì)比圖

另一個(gè)不容忽視的影響因素是熔源方法：在把源粒熔化成源錠的過程中，要求整個(gè)源錠底部平整，以保證有良好的水冷接觸。合格的源錠要充分熔化，不能有粒狀和片狀源夾雜其中，源錠內(nèi)部更不能有空洞。若熔源錠過程得不到嚴(yán)格控制，極易造成蒸發(fā)過程中突發(fā)的金屬源迸濺現(xiàn)象，輕微的迸源表現(xiàn)為晶片表面粘附有幾十到幾百顆大金屬點(diǎn)，如圖2 所示。這樣的金屬突起無疑會(huì)對(duì)后期的光刻及減薄工序大為不利；嚴(yán)重時(shí)，迸源可能會(huì)將晶片局部熔化甚至將晶片擊碎，導(dǎo)致整批晶片報(bào)廢。

圖2 熔源錠不合格引起蒸發(fā)源迸濺

2.3 優(yōu)化方案

經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)確定，使用Ti、Ni、Ag 三種金屬分別作為粘附層、阻擋層、導(dǎo)電層，并使得各層金屬膜厚度保持在：

正面電極Ti+Ni+Ag=200nm+200nm+2500nm

背面電極Ti+Ni+Ag=200nm+200nm+1500nm

這三層金屬由蒸發(fā)工藝一次完成，使用美國制造CHA MARK50 電子束蒸發(fā)臺(tái)。該設(shè)備極限真空為5.0×10-7torr，總功率為14 kW，具有54 片容量的行星盤式載片結(jié)構(gòu)，配備5 個(gè)坩堝。通過配合使用MAXTEK MDC-360C 膜厚控制器（晶體頻率6 MHz）把Ti、Ni、Ag 蒸發(fā)速率控制在1nm/s、1nm/s、1.5nm/s。

3 結(jié) 束 語

金屬化技術(shù)是半導(dǎo)體制造技術(shù)的一步重要工藝，材料金屬化加工的優(yōu)劣直接影響到器件的品質(zhì)。通過大量實(shí)驗(yàn)對(duì)比，工藝條件的優(yōu)化、工藝材料的優(yōu)選，得出最合適的各層金屬膜厚度，確定了工藝設(shè)備參數(shù)。所得結(jié)論可為同類型工藝問題的實(shí)驗(yàn)研究提供思路，對(duì)碳化硅肖特基二極管器件的金屬化技術(shù)研究具有重要的參考意義。