一种金刚石基欧姆接触结构的制作方法

[0001]
本实用新型涉及一种金刚石基欧姆接触结构，特别涉及金刚石材料欧姆接触电极，属于半导体材料与器件技术领域。


背景技术：

[0002]
金刚石基材料作为第四代宽禁带半导体材料，拥有超宽的禁带宽度，高载流子迁移率，高热导率，高击穿场强和高抗辐射能力等特点，以上的材料特性使其成为制备超大功率和超高频电子器件的理想材料。金刚石薄膜在电子学方面的应用必然会涉及到金属的电极问题，欧姆接触作为金刚石基电子器件制备过程中的关键工艺，对器件的电流密度、工作温度、高功率性能等参数有着关键作用，直接决定了器件在高温、易氧化等极端环境中的工作寿命。理想的欧姆接触的接触电阻相比半导体样品或器件应该很小，在电流通过时其压降应该远小于半导体样品或器件本身的压降，对器件的电流-电压特性无明显影响，从而保护器件性能。
[0003]
目前，金刚石欧姆接触金属和合金层通常面临比接触电阻率不足，热稳定性差以及粘附性差的缺点，在剥离金属工艺中经常会从金刚石表面脱落。以上缺点直接导致欧姆接触的可靠性降低，直接影响器件整体性能，严重限制其应用范围和环境，进而导致金刚石基电子器件的应用范围和可靠性受到限制。


技术实现要素：

[0004]
鉴于以上背景，本实用新型旨在开发一种金刚石材料欧姆接触电极，以降低欧姆接触比接触电阻率，提高金属电极与金刚石材料黏附性和耐高温特性。
[0005]
一种金刚石基欧姆接触结构，包括金刚石衬底，所述金刚石衬底的表面设有欧姆接触电极，所述欧姆接触电极包括两层金属电极层，接触金刚石衬底的第一电极层为ni金属层，第一电极层的上面为第二电极层，第二电极层为化学惰性金属层。
[0006]
另一种金刚石基欧姆接触结构，包括金刚石衬底，所述金刚石衬底的表面预先设有单晶金刚石外延薄膜，所述的单晶金刚石外延薄膜上设有欧姆接触电极，所述欧姆接触电极包括两层金属电极层，接触单晶金刚石外延薄膜的第一电极层为ni金属层，第一电极层的上面为第二电极层，第二电极层为化学惰性金属层。
[0007]
所述的单晶金刚石外延薄膜的厚度为10nm到10微米，采用微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)工艺制备得到。
[0008]
所述第一电极层ni金属层的厚度为2-200nm，所述的第二电极层化学惰性金属层厚度为20-400nm。
[0009]
所述的第二电极层化学惰性金属层金属材质为au、w、ir、pd和pt中的任意一种。
[0010]
所述第一电极层和所述第二电极层的沉积方式可以是电子束蒸发、磁控溅射、原子层沉积和化学气相沉积等金属镀膜技术。
[0011]
所述的金刚石衬底材料可以是单晶金刚石薄膜、多晶金刚石薄膜、高温高压金刚
石衬底、表面氢化处理过的金刚石、p型掺杂金刚石或n型掺杂金刚石。
[0012]
上述金刚石基欧姆接触结构的制备方法，包括如下步骤：
[0013]
(1)选取金刚石衬底，利用混合酸液水浴加热对金刚石衬底进行清洗，去除金刚石表面非金刚石相；
[0014]
(2)将清洗后的金刚石衬底放置到等离子体气氛中进行氢化处理；
[0015]
(3)对氢化后的金刚石衬底进行清洗；
[0016]
(4)在金刚石衬底表面旋涂一层光刻胶，使用光刻技术形成所需设计图形；
[0017]
(5)采用电子束蒸发工艺在金刚石衬底上沉积一层金属ni层；
[0018]
(6)采用电子束蒸发工艺在金属ni层上沉积一层化学惰性金属层；
[0019]
(7)沉积完成之后取出样品，去除光刻胶；
[0020]
(8)进行高温退火，得到金刚石基欧姆接触结构。
[0021]
在步骤(1)和步骤(2)之间，增加如下步骤：采用微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)工艺沉积一层单晶金刚石外延薄膜，然后利用混合酸液水浴加热对外延薄膜进行清洗；单晶金刚石外延薄膜的厚度为10nm到10微米。在原来的金刚石表面通过mpcvd技术再生长出一层金刚石外延薄膜，可得到完整平滑的表面，从而提高最终产品的质量；因为有的(使用过的)金刚石表面会变粗糙或是有缺陷，直接使用会影响最终器件质量。
[0022]
微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)的工艺参数为：等离子体功率为300-1500w之间，腔压为30-100torr之间，处理时间为5s至50min之间。
[0023]
步骤(1)中，所述金刚石衬底材料为单晶金刚石薄膜、多晶金刚石薄膜、高温高压金刚石衬底、表面氢化处理过的金刚石、p型掺杂金刚石或n型掺杂金刚石；优选为单晶金刚石衬底。
[0024]
步骤(1)和增加的步骤中，所述的混合酸液成分为硫酸和硝酸，体积比为3:1至1:3之间，水浴加热温度为150℃至450℃之间，水浴时间为20min至200min之间。
[0025]
步骤(2)中，采用微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)进行氢化处理，将金刚石衬底或带有单晶金刚石外延薄膜的金刚石衬底放置到微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)设备的反应腔中，对其进行氢化处理，使其表面形成二维空穴气，等离子体功率为300-1500w之间，腔压为30-100torr之间，处理时间为5s至50min之间。
[0026]
步骤(3)中，对金刚石衬底或者单晶金刚石外延薄膜清洗的方法为：使用酒精、丙酮和去离子水，或者使用酒精、丙酮、异丙醇及去离子水，分别对金刚石衬底超声清洗1至10min之间，并吹干样品。
[0027]
步骤(4)中，金刚石衬底表面或者在单晶金刚石外延薄膜上光刻胶厚度约为1-5μm，光刻胶可以是正性光刻胶或负性光刻胶。使用光刻技术将掩模版上的图案转移到金刚石基底表面。使用光刻技术形成所需设计图形，设计图形可以是圆形、矩形和/或三角形等。
[0028]
步骤(5)-(6)中，在金刚石衬底上或者在单晶金刚石外延薄膜上沉积金属ni层及在金属ni层上沉积化学惰性金属层，电子束蒸发工艺实验条件为，本底抽真空至5
×
10-5
pa，温度区间为20℃至30℃。所述的化学惰性金属层的材质为au、w、ir、pd或pt。金属ni层的厚度为2-200nm，化学惰性金属层厚度为20-400nm。
[0029]
步骤(7)中，去除光刻胶可将沉积后的样品浸泡于丙酮或n甲基吡咯烷酮溶液中进行超声剥离处理，超声处理时间为1-100s。得到金刚石基底上的欧姆接触电极。
[0030]
步骤(8)中，所述的高温退火的气氛可以是氩气气氛，氢气气氛或氮气气氛，退火温度为200℃-750℃，退火时间为20秒-25分钟。
[0031]
本实用新型所述金刚石基欧姆接触结构适用于电子元件，如传感器，二极管，场效应晶体管，mems器件或生物传感器。
[0032]
本实用新型的优点：
[0033]
本实用新型提供的金刚石基欧姆接触结构可以有效地降低比接触电阻率，在高温下该结构有良好的热稳定性和电学特性，具有耐高温特性，同时显著提高了金属电极与金刚石材料之间的黏附性，使金刚石材料更易于用在新型半导体器件中，且金属ni相对于pd等金属具有较低的成本，更具有工业化生产前景。包含该欧姆接触电极结构的电子元件，可以降低欧姆接触的比接触电阻率，并同时提高欧姆接触部分的热稳定性和电学特性。
附图说明
[0034]
图1是本实用新型的一种金刚石基欧姆接触结构示意图；
[0035]
图2是本实用新型的另一种金刚石基欧姆接触结构示意图；
[0036]
图3是本实用新型的金刚石基欧姆接触工艺流程图；
[0037]
图4是本实用新型实施例完成退火后器件表面的扫描电子显微镜图像。
具体实施方式
[0038]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所述实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型的保护范围内。
[0039]
如图1所示，本实用新型的一种金刚石基欧姆接触结构，包括金刚石衬底，在金刚石衬底上设置欧姆接触电极，该欧姆接触电极包括两层金属电极层，在金刚石材料衬底上沉积第一电极层，沉积ni金属层作为第一电极层，在第一电极层上沉积第二电极层，沉积化学惰性金属作为第二电极层，之后进行快速退火形成耐高温金刚石基欧姆接触结构。
[0040]
如图2所示，本实用新型的另一种金刚石基欧姆接触结构，包括金刚石衬底，金刚石衬底的表面还预设有单晶金刚石外延薄膜，单晶金刚石外延薄膜上设有欧姆接触电极，该欧姆接触电极包括两层金属电极层，在单晶金刚石外延薄膜上沉积ni金属层作为第一电极层，在第一电极层的上面沉积化学惰性金属作为第二电极层，之后进行快速退火形成耐高温金刚石基欧姆接触结构。
[0041]
如图3所示，为本实用新型金刚石材料欧姆接触电极的制备工艺流程，按照以下步骤依次进行：
[0042]
(1)选取金刚石衬底；
[0043]
(2)对金刚石衬底进行氢化处理：利用混合酸液水浴加热，去除金刚石表面非金刚石相；采用等离子体增强化学气相沉积法对金刚石材料衬底进行氢化处理，将金刚石样品置于氢等离子体气氛中保持5秒至50min；
[0044]
(3)在所述衬底表面依次沉积第一电极层ni和第二电极层化学惰性金属层：对氢化后的金刚石衬底进行清洗(酒精、丙酮、异丙醇及去离子水超声清洗)；对金刚石表面旋涂
一层光刻胶，使用光刻技术形成所需设计图形；使用金属镀膜技术，在样品表面沉积2-200nm的ni金属层以及420-400nm的化学惰性金属层(如au、w、ir、pd、pt等)；
[0045]
(4)退火处理以完成所述金刚石基欧姆接触结构的制作：沉积完成之后取出样品并去除光刻胶，可浸泡于丙酮或n甲基吡咯烷酮溶液中进行超声处理，以得到金刚石衬底上的欧姆接触电极；将样品进行快速退火处理，实验条件为氮气气氛、氩气气氛或氢气气氛，退火温度为200-700℃。
[0046]
实施例1：
[0047]
如图1所示的金刚石材料欧姆接触电极，其制备方法包含如下步骤：
[0048]
(1)选取高温高压(hpht)单晶金刚石片材料作为衬底；
[0049]
(2)在200℃水浴中，使用1:1的硫酸和硝酸混合溶液对高温高压金刚石进行处理，处理时长为50min；
[0050]
(3)利用微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)对金刚石进行氢化，将金刚石衬底放置到微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)设备的反应腔中，对其进行氢化处理，使其表面形成二维空穴气，等离子体功率设置为1000w，腔压为80torr，处理时长为5min；
[0051]
(4)依次用酒精、丙酮、异丙醇及去离子水对样品分别进行超声清洗5min；
[0052]
(5)在金刚石衬底表面旋涂一层kxn5735-l0负性光刻胶，厚度为3μm，使用光刻技术将掩模版上的图案转移到金刚石基底表面；
[0053]
(6)将带有掩模版图案的金刚石基底放置到电子束蒸发设备中进行金属蒸镀，实验条件为：室温，真空度小于5
×
10-5
pa，依次沉积5nm厚的ni和100nm厚的au；
[0054]
(7)沉积结束后，将金刚石样品浸泡到丙酮中进行120℃水浴超声剥离，处理时间为10s，去掉光刻技术中产生的光刻胶；
[0055]
(8)对金刚石样品进行退火处理，退火气氛为氢气气氛，退火温度750℃，退火时间20min。
[0056]
如图4所示，为本实施例完成退火后表面扫描电子显微镜图像，可以看到，在经历高达750℃退火之后，本金属结构的表面依然完整平滑。
[0057]
实施例2：
[0058]
如图2所示的金刚石材料欧姆接触电极，其制备方法包含如下步骤：
[0059]
(1)选取高温高压(hpht)单晶金刚石片材料作为衬底；在200℃水浴中，使用1:1的硫酸和硝酸混合溶液对高温高压金刚石进行处理，处理时长为50min；
[0060]
(2)在清洗完成的hpht金刚石衬底上使用微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)工艺沉积一层2微米的单晶金刚石外延薄膜，工艺参数为：1000w，腔压100torr，处理时间20min；外延薄膜质量要更高一些。
[0061]
(3)在200℃水浴中，使用1:1的硫酸和硝酸混合溶液对外延薄膜进行处理，处理时长50min；
[0062]
(4)利用微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)对金刚石外延薄膜进行氢化，将金刚石衬底放置到微波等离子体化学气相沉积(mpcvd)设备的反应腔中，对其进行氢化处理，使其表面形成二维空穴气，等离子体功率设置为1000w，腔压为80torr，处理时长为5min；
[0063]
(5)依次用酒精、丙酮、异丙醇及去离子水对样品分别超声清洗5min；
[0064]
(6)在金刚石衬底表面旋涂一层az5214正性光刻胶，厚度为3μm，使用光刻技术将
掩模版上的图案转移到金刚石基底表面；
[0065]
(7)将带有掩模版图案的金刚石基底放置到电子束蒸发设备中进行金属蒸镀，实验条件为：室温，真空度小于5
×
10-5
pa，依次沉积5nm厚的ni和100nm厚的au；
[0066]
(8)沉积结束后，将金刚石样品浸泡到丙酮中进行120℃水浴超声剥离，处理时间为10s，去掉光刻技术中产生的光刻胶；
[0067]
(9)对金刚石样品进行退火处理，退火气氛为氢气气氛，退火温度650℃，退火时间20min。
[0068]
采用圆形传输线模型(ctlm)方法对制备好的ni与金刚石基欧姆接触的样品进行测试，选择金属au作为第二电极层，使用金属ni作为第一电极层的样品比接触电阻率明显小于不使用金属ni作为第一电极层的样品，在经历750℃退火后其比接触电阻率相差一个量级，分别为10-5
ω和10-4
ω。在金属超声剥离时，ni/au金属电极未发生脱落现象，而只采用金属au作为欧姆接触电极在同等条件下进行超声剥离已完全脱落，因此金属ni与金刚石具有良好的粘附性。