专利名称：一种碳化硅肖特基二极管及其制作方法
技术领域：
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及ー种使用超薄高介电常数材料层的碳化硅肖特基ニ极管及其制作方法。
背景技术：
肖特基ニ极管是基于金属和半导体接触的整流特性进行工作的多数载流子器件，具有正向压降低、反向恢复电流小、开关速度快、噪声系数小、功耗低等特点。如今，硅基肖特基ニ极管已经接近理论极限，要实现高效、耐热、耐压和大功率特性，需要新一代宽禁带半导体材料来支撑。
碳化硅(SiC)具有宽禁带宽度、高临界击穿电场、高热导率、高电子饱和速率等优点，是制作高温、高压、高频、高功率、强辐照环境下的半导体器件的理想材料。在同等条件下，碳化硅肖特基ニ极管比硅肖特基ニ极管具有更高的击穿电压和更低的通态电阻，在军事和民事方面具有广阔的应用前景。传统的碳化硅肖特基ニ极管是金属与η型碳化硅表面直接接触，由于受到η型碳化硅表面态的影响，肖特基接触势垒大大降低，増大了碳化硅肖特基ニ极管的反向漏电流，严重影响了碳化硅ニ极管的反偏特性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种减小碳化硅肖特基ニ极管反向电流的方法，以提高碳化硅肖特基ニ极管的性能。为达到本发明的上述目的，本发明提出了ー种新型的碳化硅肖特基ニ极管，包括
一个碳化娃衬底；
位于所述碳化硅衬底之上的高介电常数材料层；
位于所述高介电常数材料层之上的顶电极；
位于所述碳化硅衬底底部的底电极。如上所述的碳化硅肖特基ニ极管，所述的高介电常数材料层为氧化铝或者为氧化铪，其厚度范围为1-2毫米。同时，本发明还提出了上述碳化硅肖特基ニ极管的制作方法，包括
在提供的碳化硅衬底上生长ー层超薄的高介电常数材料层；
在所形成的高介电常数材料层之上沉积顶电极；
在提供的碳化硅衬底底部沉积底淀积。如上所述的碳化硅肖特基ニ极管的制作方法，所述的高介电常数材料层为氧化铝或者为氧化铪，其厚度范围为1-2毫。本发明在金属和SiC界面之间插入一超薄的高介电常数材料层，可以提高肖特基接触势垒高度，减小SiC表面态缺陷对肖特基势垒的影响，使得SiC肖特基ニ极管的反向漏电流更小、整流特性更好、在倍频电路中能产生更高的倍频效率。本发明所提出的SiC肖特基ニ极管保留了传统ニ极管结构简单、易于制作的优点，与传统制作エ艺兼容，在改善SiC肖特基ニ极管性能的同时并未提高其制作成本。
图I为本发明所提出的SiC肖特基ニ极管的一个实施例的截面图。图2至图4为本发明所公开的SiC肖特基ニ极管的制作方法的一个实施例的エ艺流程图。图5为本发明所提出的SiC肖特基ニ极管的ー种电路连接方式的示意图。图6为本发明所提出的碳化硅肖特基ニ极管的反向电流-电压特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进ー步详细的说明，在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。图I为本发明所提出的SiC肖特基ニ极管的一个实施例的截面图。如图I所示，本发明所提出的SiC肖特基ニ极管包括ー个SiC衬底200以及在SiC衬底200之上形成的高介电常数材料层201，在高介电常数材料层201之上形成有顶电极202，在SiC衬底200的底部形成有底电极203。高介电常数材料层201可以为氧化铝(Al2O3)或者为氧化铪(Hf02)。顶电极202和底电极203可以为传统半导体器件中的电极材料，比如为银、钼、铝、金、钛、钯等金属或者为它们之间的合金。根据Kita模型，在高介电常数(High-k)材料层和SiC的天然氧化层(ニ氧化硅，SiO2)层接触界面上，由于High-k材料和SiO2的氧原子面密度(σ )不一样,导致氧原子会由高氧原子面密度的界面移动到低氧原子面密度的界面，在高氧原子面密度层会形成氧空位，在低氧原子面密度层会形成负电荷中心，这样就形成了界面偶极子。本发明通过在金属和碳化娃之间插入一超薄的High-k材料层来制作碳化娃肖特基ニ极管。由于σ Al2O3/ σ SiO2=L 05，σ HfO2/ σ SiO2=L 21，可见，对于插入氧化铝和氧化铪来说，偶极子的方向是由氧化娃层指向Hi gh-k材料层,这样的偶极子会拉高肖特基势全，因此可以提闻肖特基势垒·、减小反偏漏电流，达到优化碳化娃肖特基_■极管的反向特性的目的。本发明所提出的SiC肖特基ニ极管可以通过多种方法制造，以下所叙述的是本发明所公开的SiC肖特基ニ极管的制造方法的一个实施例，图2至图4描述了制备本发明所提出的SiC肖特基ニ极管的一部分エ序。首先，用业界所熟知的传统RCA (美国无线电公司)清洗エ艺对提供的SiC衬底进行清洗，然后用高纯氮气将SiC衬底吹干。选用的碳化硅衬底比如为重掺杂N型的6H_SiC衬底(净掺杂浓度为le18cm_3)。接下来，如图2所示，在处理好的SiC衬底200之上采用原子层淀积エ艺生长ー超薄的高介电常数材料层201。高介电常数材料层201可以为氧化铝或者为氧化铪，其厚度优选地控制在1-2纳米之间。采用原子层淀积エ艺生长的薄膜均匀性和可重复性好，并且可以通过改变淀积的周期数非常精确地控制薄膜的厚度。原子层淀积氧化铝时，选用三甲基铝(TMA)和水(H2O)为金属源和氧源，反应腔体的温度为200°C、气压为5托。原子层淀积氧化铝的单个反应周期包括将液态的三甲基铝挥发的气体通入反应腔，反应时间为100ms，再通入Is的氮气清除未反应的金属有机前驱体和副产物；将水蒸气通入反应腔，反应时间为100ms，再通入Is的氮气清除未反应的水蒸气和副产物。反应进行15个周期后可以得到约1.75nm厚的氧化铝薄 膜。原子层淀积氧化铪时，在温度300°C、气压为5托的反应腔体内，采用四こ基甲基氨基铪(TEMAH)和水作为金属源和氧源，其中原子层淀积氧化铪的单个反应周期包括TEMAH的脉冲时间为O. 3s，吹洗时间为8s，水的脉冲时间为O. ls，吹洗时间为8s，
通过控制反应周期的个数来控制氧化铪薄膜的厚度。接下来，在碳化硅衬底200的底部和高介电常数材料层201之上分别淀积底电极203和顶电极202，如图3所示。底电极203和顶电极202可以为传统半导体器件中的电极材料，比如为银、钼、铝、金、钛、钯等金属或者为它们之间的合金。其制作エ艺可以采用真空蒸发、磁控溅射、电子束蒸发等多种エ艺中的ー种。在制作顶电极和底电极时，可以选用与碳化硅直接接触存在钉扎现象的金属钛作为顶电极和底电极的材料，并在金属钛上覆盖ー层金用来防止钛氧化。在制作顶电极时，可以将硬掩膜版(hardmask)固定在样品上，采用物理气相沉积(PVD)的方法在高介电常数材料201上得到一系列孔径为50微米的点电极。淀积底电极时可以在整个样品底面进行PVD淀积。得到的Ti/Au电极中，Ti的厚度约为63纳米，Au的厚度约为16纳米，最終形成的结构图如图4所示,其中所示204为Ti,所示205为Au。图4所示的碳化硅肖特基ニ极管结构可以采用如图5a所示的电路连接，这样能够有效地避免串联电阻和背面接触电阻的干扰，其中图5b为图5a所示电路连接的等效电路图。图6为本发明所提出的碳化硅肖特基ニ极管的反向电流-电压特性曲线，在加正向偏压和反向偏压时，測得的电流均为反向漏电流。从图6所示的碳化硅肖特基ニ极管反向电流-电压特性曲线中可以看到，插入氧化铝前后的碳化硅肖特基ニ极管的反向漏电流得到了有效的减小。如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。
权利要求
1.一种碳化硅肖特基二极管，其特征在于，包括 一个碳化娃衬底； 位于所述碳化硅衬底之上的高介电常数材料层； 位于所述高介电常数材料层之上的顶电极； 位于所述碳化硅衬底底部的底电极。
2.根据权利要求I所述的碳化硅肖特基二极管，其特征在于，所述的高介电常数材料层为氧化铝或者为氧化铪，其厚度范围为1-2毫米。
3.—种如权利要求I所述的碳化硅肖特基二极管的制作方法，包括 在提供的碳化硅衬底上生长一层超薄的高介电常数材料层； 在所形成的高介电常数材料层之上沉积顶电极； 在提供的碳化硅衬底底部沉积底淀积。
4.根据权利要求3所述的碳化硅肖特基二极管的制作方法，其特征在于，所述的高介电常数材料层为氧化铝或者为氧化铪，其厚度范围为1-2毫米。
全文摘要
本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种使用超薄高介电常数材料层的SiC肖特基二极管及其制作方法。本发明在金属和SiC界面之间插入一超薄的高介电常数材料层，可以提高肖特基接触势垒高度，减小SiC表面态缺陷对肖特基势垒的影响，使得SiC肖特基二极管的反向漏电流更小、整流特性更好、在倍频电路中能产生更高的倍频效率。本发明所提出的SiC肖特基二极管保留了传统二极管结构简单、易于制作的优点，与传统制作工艺兼容，在改善SiC肖特基二极管性能的同时并未提高其制作成本。
文档编号H01L21/329GK102842599SQ201210360078
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者孙清清, 郑珊, 房润辰, 张卫, 王鹏飞, 周鹏 申请人:复旦大学