CN103681969B - 一种基于SiC衬底光导开关制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于SiC衬底光导开关制作方法，涉及宽禁带半导体材料光电子器件技术领域。本发明以抛光后厚度为400μm的SiC为衬底，其包括SiC衬底准备，热氧化生成SiO2绝缘保护层，光刻刻蚀窗口，在高真空低温Ar气氛中，碳面沉积Ti电极，硅面沉积Ni电极，经Ar气氛中高温快速热处理后，小型离子溅射仪沉积Au保护薄膜，黏连铜电极后经透明Si3N4封装形成Au/Ti/SiC/Ni/Au异面正对极结构的光导开关。本发明因不采用CVD等设备外延高掺杂浓度的n型或p型SiC外延层，从而减少了半导体工艺流程，提高成品率，降低生产成本。为今后大功率、高频、耐高温器件的苛刻要求的产品制作提供了技术保证。
Description
技术领域
本发明涉及宽禁带半导体材料光电子器件技术领域，具体指一种基于SiC衬底高频、大功率、耐高温和抗干扰的光导开关制作方法。
背景技术
在半导体产业中，Si作为占据统治地位的半导体器件已经发展了近半个世纪。1975年，D.H.Auston等人研制成功第一个光导开关，便是以高阻Si晶体（104Ω·cm）作为基体材料实现的。1982年，马里兰大学的C.S.Chang等人就采用高阻Si晶体为基体的光导开关制作了ps级的Blumlein脉冲发射器。由于Si单晶的禁带宽度只有1.12eV，室温下本征激发也能产生一定数目的载流子，因此，在室温下即使是高纯的Si单晶也不可能达到半绝缘态，所以它的电阻率一般很难超过105Ω·cm，这导致Si单晶基光导开关的暗电流相对较大。此外，由于Si单晶是间接带隙的半导体材料，所以它的载流子寿命比较长，这导致Si单晶基光导开关的重复工作频率不高，即使通过常用的Au元素进行深能级掺杂，该问题也难以得到很好的解决。而且Si单晶的热导率低，器件自身的发热比较大，容易产生热奔现象，在高温下导致器件的失效。因此，虽然第一个光导开关就是以Si单晶为基体制备出的，但是考虑到电阻率、载流子寿命、热导率等因素，Si单晶并不是制备光导开关的理想材料。
随着科学技术的发展以及人们对光导开关器件性能的追求，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体不断向Si材料提出挑战，并广泛应用于卫星通信、光通信、GPS导航等领域，提高了器件和电路的速度。1977年，C.H.Lee等人就研制出第一个以GaAs晶体材料为基体的光导开关，并指出GaAs比Si更适合作为光导开关材料。A.Kim等人报道，采用阵列激光二极管激发的半绝缘GaAs晶体为基体的光导开关，制备出纳秒（ns）电磁脉冲发生器，获得了脉宽为4ns、上升时间为500ps、峰值功率2MW、重复频率为1kHz的电磁脉冲。使用阵列激光二极管作为激发源这一技术思想的提出和实现，使光导开关摆脱了大体积的激光器，为大功率设备的小型化提供了重要的技术途径。而且，由于半绝缘晶体载流子寿命短，迁移率高，所以GaAs为基体的光导开关能达到ps级的快速响应，它在低压高频器件方面也得到了广泛研究与应用。
但是，半绝缘GaAs晶体为基体的光导开关仍然满足不了现在高端技术和军工发展的大功率、超高速、热稳定等性能要求。新型半导体材料的研究和突破，常常导致新的技术革命和新兴产业的发展，以SiC为代表的第三代半导体材料，是继第一代半导体材料(以硅基半导体为代表)和第二代半导体材料(以砷化镓和磷化铟为代表)之后，在近10年发展起来的新型宽带半导体材料，具有大的禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿电场强度、高热导率、抗辐射能力强等优良的物理化学特性和电学特性，在高温、高频率、大功率、抗辐射、不挥发存储器件及短波长光电子器件和光电集成等应用场合是理想的半导体材料之一，特别是在极端条件和恶劣环境下应用，SiC器件的性能远远超过Si器件和GaAs器件。而半绝缘SiC材料是碳化硅材料的一种，是指净载流子浓度非常低的半导体材料。目前，主要有三种获取半绝缘碳化硅的途径：a）高纯碳化硅，b）受主杂质与施主杂质精确互补偿，c）两性深能级杂质补偿。
由于SiC受晶体生长技术的限制，1995年，P.S.Cho等人才报道了6H-SiC材料的光导开关，开关使用横向结构，暗电阻为1MΩ，最小导通电阻为188Ω。2007年，美国弗吉尼亚联邦大学等人、赖特帕特森空军基地的G.Li和B.ganguly等人报道了采用V掺杂补偿半绝缘（VCSI）和高纯半绝缘（HPSI）4H-SiC晶体制备的光导开关，在电极间距区采用Si3N4保护，使开关暗态漏电流减小了一个数量级，开关的耐压值也从2.9kV提高到了5kV。2008年，美国密苏里大学哥伦比亚分校的K.S.Kelkar等人在对正对电极的6H-SiC开关的模拟中发现，这种结构的开关可以工作在875kV/cm的条件下，在理论上证实了这种结构开关的实用价值。
对于SiC基光导开关，还存在大尺寸高质量半绝缘衬底材料的生长，开关结构对光导开关的性能影响机制，绝缘保护对漏电流的减小原理及性能影响，预击穿机理，半绝缘材料欧姆接触的形成机理及对光导开关性能的影响，高场下的电流输运机制等关键科学问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中在半导体基底制备难以制备低比接触电阻率欧姆电极等的技术不足，提出一种基于SiC衬底光导开关的制作方法。
本发明以抛光后厚度为400μm的SiC为衬底，SiC晶圆片是由PVT法生长的晶锭经定向、切割、双面抛光，双面CMP抛光得到的工业化晶片。经热氧化形成SiO2绝缘保护层，光刻刻蚀窗口，溅射纯度为99.99%Ti电极薄膜及Ni电极薄膜，Au保护电极薄膜，形成Au/Ti/SiC/Ni/Au异面正对极结构的光导开关，其特征是，所述SiC衬底，经高真空磁控溅射将Ti电极薄膜沉积在C面上和Ni电极薄膜沉积在Si面上，并形成异面正对极开关结构，经快速热处理，再淀积Au保护层薄膜，经导电银浆粘结铜电极，经透明Si3N4绝缘胶封装后构成。
本发明因不使用CVD等设备外延高掺杂浓度的n型或p型SiC外延层，减少了半导体工艺流程，提高成品率，降低生产成本。本发明制备的光导开关，达到今后大功率、高频、耐高温器件的苛刻要求。
附图说明
图1为本发明的Au/Ti/SiC/Ni/Au光导开关的结构示意图；
图2为本发明实施例Au/Ti/SiC/Ni/Au光导开关的工艺流程框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步详细描述
本发明所述的一种基于SiC衬底光导开关制作方法（如附图1、2所示），包括以下步骤：
步骤1，SiC衬底：所述衬底为SiC晶圆片，经标准半导体工艺清洗。
步骤2，SiO2绝缘保护层：管式炉中通入湿氧，10-25sccm，温度1200-1350℃，恒温5-10小时氧化生成SiO2膜；接着通过光刻刻蚀开窗口，以微电子干法刻蚀工艺RIEAr高能离子粗糙衬底表面。
步骤3，制备Ti电极薄膜：使用高真空磁控溅射设备，沉积一层Ti电极薄膜，厚度控制在100-140nm。
步骤4，制备Ni电极薄膜：使用高真空磁控溅射设备，沉积一层Ni电极薄膜，厚度控制在110-160nm。
步骤5，高温快速热处理：制备好的金属-半导体接触电极，Ar气氛中快速热处理。
步骤6，Au保护电极：小型离子溅射仪沉积一层50nmAu保护薄膜，实现Au/Ti/SiC/Ni/Au异面正对极开关结构。
综上所述，本发明在基于SiC器件具有禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿电场强度、高热导率、抗辐射能力强等优良的物理化学特性和电学特性，在高温、高频率、大功率、抗辐射、不挥发存储器件及短波长光电子器件和光电集成等应用场合是理想的半导体材料之一，特别适合在极端条件和恶劣环境下应用的性能等的基础上，同时，包括采用微电子干法刻蚀RIEAr高能离子粗糙衬底表面工艺，在电极间距区采用Si3N4保护，使开关暗态漏电流减小了一个数量级，开关的耐压值得到进一步的提高等。又因不采用CVD等设备外延高掺杂浓度的n型或p型SiC外延层，从而减少了半导体工艺流程，提高成品率，降低生产成本。为今后大功率、高频、耐高温器件的苛刻要求的产品制作提供了技术保证。
Claims (8)
1.一种基于SiC衬底光导开关的制作方法，以抛光后厚度为400μm的SiC为衬底，SiO2绝缘保护层，刻蚀窗口，溅射纯度为99.99％Ti电极薄膜和Ni电极薄膜，Au保护电极薄膜，形成一个Au/Ti/SiC/Ni/Au异面正对极结构的光导开关，其特征是，包括SiC衬底准备，热氧化法生成SiO2绝缘保护层，经超高真空磁控溅射将Ti电极薄膜沉积在C面上和Ni电极薄膜沉积在Si面上，并形成开关结构，经快速热处理，再沉积Au保护层电极薄膜，经导电银浆粘结铜电极，最后采用透明Si3N4绝缘胶封装后形成。
2.如权利要求1所述的一种基于SiC衬底光导开关的制作方法，其特征是，所述SiC衬底为一PVT法生长晶锭，经定向，切割，双面抛光，双面CMP后，经标准半导体工艺清洗的工业化晶片。
3.如权利要求1所述的一种基于SiC衬底光导开关的制作方法，其特征是，所述SiO2绝缘保护层，由热氧化法生成，在管式炉中通入湿氧，10-25sccm，温度1200-1350℃，恒温5-10小时，并经光刻刻蚀工艺开电极窗口，以微电子干法刻蚀工艺RIEAr高能离子粗糙衬底表面。
4.如权利要求1所述的一种基于SiC衬底光导开关的制作方法，其特征是，所述在SiC衬底上的Ti电极薄膜、Ni电极薄膜，通过对磁控的溅射时间、溅射功率、载气流量，溅射温度、压强和衬底旋转转速、靶材与衬底距离控制实现；
其中，通过设定衬底的旋转，以增加Ti、Ni薄膜的均匀性；
通过调节靶材与衬底的距离，能有效的控制Ti、Ni薄膜沉积的效率，单位溅射时间与功率下的薄膜的厚度；同时改变靶材与衬底的距离使得Ti、Ni和载气离子以不同的能量结晶，较好地控制薄膜的表面均匀性；
通过高真空0.5-1×10-5Pa的磁控溅射沉积法制备，控制溅射时间为3600-7200s，溅射功率为40-80W，载气流量为8-15sccm，温度在200-350℃，压强在0.4-0.75Pa，衬底旋转转速为20r/min，靶材与衬底距离为3-25cm，每层膜厚为100-160nm，以高纯Ar为载气。
5.如权利要求1所述的一种基于SiC衬底光导开关的制作方法，其特征是，所述快速热处理法，经5-10秒温度上升到900-1100℃，保持1-5min后，30s快速降温至室温，在高纯Ar气氛中进行。
6.如权利要求1所述的一种基于SiC衬底光导开关的制作方法，其特征是，所述Au保护薄膜通过小型离子溅射仪，对Au/Ti/SiC/Ni/Au异面正对极结构，沉积一层厚度为50nm薄膜。
7.如权利要求1所述的一种基于SiC衬底光导开关的制作方法，其特征是，所述导电银浆粘结铜电极为直径1cm的铜柱。
8.如权利要求4所述的一种基于SiC衬底光导开关的制作方法，其特征是，所述Ti电极薄膜制作，通过高真空磁控溅射设备，沉积一层厚度100-140nm；
所述Ni电极薄膜制作，通过高真空磁控溅射设备，沉积一层厚度110-160nm。
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