碳化硅肖特基器件多層金屬化技術研究

趙 歡

（中國電子科技集團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體材料。SiC 材料的擊穿電場高于硅材料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]。導通電阻與擊穿電場的立方成反比關系，因此SiC 功率器件的導通電阻只有硅器件的0.5%耀1%，這極大降低了器件的導通損耗[3]。SiC 較高的熱導率可極大提高電路的集成度，減少冷卻散熱系統的使用，大大降低系統的體積和重量，提高效率[4-5]，同時，其較低的介電常數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]。這些性質使SiC 器件能夠在航天航空、自動化、高溫輻射環境、通信與雷達等極端環境下工作，發揮重要作用[8]。

SiC 功率器件工藝發展的一個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P 型歐姆接觸的熱穩定性有待提高。鑒于此，通過金屬化技術，在SiC 器件相應位置上獲得更好的歐姆接觸，成為SiC工藝技術的關鍵。解決這一問題，將使SiC 器件成為21 世紀半導體工業中最有潛力的新秀。

2 碳化硅肖特基器件多層金屬化

2.1 金屬化技術理論研究

對于碳化硅肖特基二極管來說，金屬化有兩個作用：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壘。良好的歐姆接觸需要低的肖特基勢壘高度。最好的實現歐姆接觸的方法是重摻雜，使勢壘變薄，增大隧道電流。但是對于新材料來說，做到高摻雜比較困難，而且摻雜濃度也會影響最小接觸電阻。通常，退火是形成低漏電流和穩定勢壘高度的好辦法，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。對于P 型SiC 來說，還需要有一種具有高功函數的金屬與之匹配，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、穩定性決定了高溫、大功率電子器件運行的最大電流密度、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。對于功率器件，接觸電阻必須低于器件有源區的電阻。許多器件要求具有10-6Ω·cm2數量級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十分必要。

2.2 多層金屬化電極工藝

多層金屬結構存在的問題是金屬薄膜間的擴散和相變反應會導致電阻升高。選擇每一層金屬材料的原則是該金屬導電性要好，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合結構，在此，按照從內到外的順序，設計了粘附層+阻擋層+導電層（焊接層）的多層金屬化方案。各層金屬材料的詳細選擇方法如表1 所示。

表1 半導體器件常用金屬的性質

粘附層直接與SiC 或SiO2接觸，要求與SiC 或SiO2粘附良好，性能穩定，本身不與上、下兩層金屬形成高阻化合物，且同時阻止導電層、阻擋層與勢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，歐姆接觸系數小且熱膨脹系數與SiC 相近，因此應選擇難熔金屬Cr、Ti、V等比較合適。此層厚度要求達到200耀300 nm。

阻擋層要與上、下兩層金屬粘附良好，性能穩定。此層作為焊接層的阻擋層，要求對焊接時的焊料有抗熔蝕性，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介于Cr、Ti 與Au、Ag 之間，從而可使各金屬的熱膨脹系數依次遞增，改善多層金屬化系統的熱匹配性能。

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

經過大量實驗對比，發現顯著影響實驗情況的主要因素之一是金屬源的純度：源粒在進到蒸發臺前要經過嚴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處理和清洗，極容易將源粒表面的雜質尤其是自然氧化層混合到源錠當中。使用這樣受到污染的、不純凈的源錠蒸發出來的金屬薄膜，因純度低、致密性差、晶粒尺寸不均勻，也會給金屬腐蝕工藝帶來困難。金屬源純度對工藝影響情況如圖1 所示。如圖1(a)和圖1(b)為金屬源處理情況優劣不同造成的Ag 薄膜蒸發的不同效果（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板以外的場區氧化層狀態，可見圖1(c)中的氧化層上殘留有大量難于腐蝕干凈的殘渣。

圖1 金屬源純度不同對工藝影響對比圖

另一個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，源錠內部更不能有空洞。若熔源錠過程得不到嚴格控制，極易造成蒸發過程中突發的金屬源迸濺現象，輕微的迸源表現為晶片表面粘附有幾十到幾百顆大金屬點，如圖2 所示。這樣的金屬突起無疑會對后期的光刻及減薄工序大為不利；嚴重時，迸源可能會將晶片局部熔化甚至將晶片擊碎，導致整批晶片報廢。

圖2 熔源錠不合格引起蒸發源迸濺

2.3 優化方案

經大量實驗確定，使用Ti、Ni、Ag 三種金屬分別作為粘附層、阻擋層、導電層，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

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

3 結 束 語

金屬化技術是半導體制造技術的一步重要工藝，材料金屬化加工的優劣直接影響到器件的品質。通過大量實驗對比，工藝條件的優化、工藝材料的優選，得出最合適的各層金屬膜厚度，確定了工藝設備參數。所得結論可為同類型工藝問題的實驗研究提供思路，對碳化硅肖特基二極管器件的金屬化技術研究具有重要的參考意義。