一种碳化硅基高阻值电阻器及其制备方法与流程

1.本发明属于半导体电阻元件技术领域，具体涉及一种碳化硅基高阻值电阻器及其制备方法。


背景技术：

2.电阻器是利用电流流过物质时受到一定的阻碍效应而制成的器件，它能在电路中起到限制电流通过的效果。电阻器为二端电子元件，是电子电路中最重要的一类元件，在电路中可作为分流器和分压器使用，也可作电路匹配负载。目前市场上电阻器种类繁多，按照阻值特性，电阻器可分为固定电阻器、可调电阻器、敏感电阻器等。电阻器的阻值跨度范围很大，可低至1mω以下，也可高至100tω以上。
3.高阻值电阻器用途广泛，尤其是在微电流检测与产生方面。人类探索微电流世界的过程从pa级到fa，再到aa，现已经进入单个电子时代。高阻值电阻器是成功进行微电流检测的必须元件，微电流检测电路的绝缘泄露电阻必须比被测电路的戴文宁等效电阻高几个数量级。此外，精密弱电流的产生也离不开高阻值电阻器。当测试的电流越精密，或者想产生更微弱的电流时，就必须用到阻值更高的电阻。显然，电流的测试精度和产生精度直接取决于电阻的阻值高低。例如，1pa电流的测量需要使用阻值为100gω的电阻器，相应地，1fa电流的测量则需要使用阻值为100tω的电阻器，aa及更低电流的测量则需使用阻值在1pω以上的电阻器。
4.高阻值电阻器通常由电阻率比较高的材料制成，例如金属氧化膜、有机材料。其中有机材料特氟龙是10fa以上电流测量中最为常见的电阻器材料，它的主要缺点是当发生变形时，内部会出现电荷，从而引起虚假的电压和电流。有机材料聚苯乙烯、聚乙烯的体电阻率与特氟龙接近，但是聚苯乙烯在高湿度下阻值会下降，而聚乙烯在高温下会熔化。蓝宝石是最好的绝缘材料，常用于10-18
a到10-15
a范围电流的应用中，其限制因素主要在于高昂的价格及复杂的制作工艺。
5.碳化硅是一种宽禁带半导体材料，在高温、高压、高频和强辐射等极端环境下，具有较好的稳定性。碳化硅衬底有两种类型，一种是导电型，一种是半绝缘型。其中，半绝缘型碳化硅具有极低的本征载流子浓度，基于此可以开发出高阻值电阻器。碳化硅基高阻值电阻器作为高阻元件的一种实现方案，与其它材料制成的高阻元件相比，它与碳化硅晶体管的制作工艺兼容，有望实现适应极端环境的碳化硅集成电路，推动精密测量技术在极端环境下取得重大革新。如果直接在碳化硅衬底上制作金属电极，会得到肖特基接触，而非欧姆接触。顶部和底部都形成肖特基接触的碳化硅两端元件，具有非线性伏安特性，无法作为高阻值电阻器使用。因此，在半绝缘碳化硅衬底上制作具有欧姆接触特性的金属电极，是获得高阻值电阻器的关键。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种碳化硅基高阻值电阻器及其制备方法，在半绝缘碳化硅
衬底上制作欧姆接触电极，获得阻值在100tω以上的电阻，满足精密测量行业的需要。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种碳化硅基高阻值电阻器，包括半绝缘4h-sic型碳化硅衬底，所述碳化硅衬底的硅面和碳面上设置有对称的原子级厚度的氧化铝绝缘层，所述氧化铝绝缘层的厚度为0.2nm-2nm，所述氧化铝绝缘层的两侧蒸镀导电的金属电极，所述金属电极的厚度为100nm-500nm。优选的，所述金属电极选用金、银、铜或铝中的一种或多种。
8.一种碳化硅基高阻值电阻器的制备方法，步骤如下：
9.步骤一：选定一定厚度和电阻率的半绝缘4h-sic型碳化硅衬底，通过原子力显微镜对衬底进行碳面与硅面的标定；
10.步骤二：对碳化硅衬底进行清洗和烘干，带一次性手套反复轻揉碳化硅衬底的碳面和硅面，直到用去离子水冲洗碳面和硅面形成均匀水膜为止；之后将碳化硅衬底置于超声波清洗器中，分别用去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min，将洗好的碳化硅衬底备用；
11.步骤三：使用原子层沉积技术或磁控溅射技术分别在碳化硅衬底的碳面和硅面沉积0.2nm-2nm的氧化铝绝缘层；
12.步骤四：在沉积好的氧化铝绝缘层两侧分别粘贴电极掩膜版，根据欲制成的电阻器阻值决定电极掩膜版的遮盖面积；
13.步骤五：将贴好掩膜版的碳化硅放入磁控溅射仪器腔体中，使用磁控溅射的方式在沉积好氧化铝的碳化硅的碳面和硅面分别溅射一层100nm-500nm厚的金属电极，金属电极的材料采用金、银、铜、铝中的一种或多种；
14.步骤六：从镀膜室取出样品，去除掩膜版，获得一种碳化硅基高阻值电阻器，并使用半导体分析仪对制备好的电阻进行伏安特性的测试。
15.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
16.碳化硅是一种稳定性极高的半导体材料，相比于传统高阻材料，例如，金属氧化膜、有机材料等，碳化硅材料能耐受高温、高压、高频和强辐射等极端环境，碳化硅基高阻值电阻器适用于极端环境下的精密测试。
17.在碳化硅衬底上制作金属电极之前，引入一层原子级厚氧化铝界面修饰层，有利于获得具有欧姆接触特性的伏安特性曲线。通过调节电极有效面积，直接调节了阻值的大小。这种方法获得的高阻值电阻器有利于与碳化硅晶体管直接单片集成，推动碳化硅集成电路技术向前发展。
18.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
19.图1为本发明一种碳化硅基高阻值电阻器实施例的结构示意图；
20.图2为本发明中沉积氧化铝前的碳化硅器件的电流-电压曲线；
21.图3为本发明中沉积氧化铝后的电极面积为500
×
500μm2的碳化硅基高阻值电阻器伏安特性曲线，其阻值大约为400tω。
具体实施方式
22.以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
23.实施例
24.如图所示，一种碳化硅基高阻值电阻器，包括半绝缘4h-sic型碳化硅衬底，碳化硅衬底的硅面和碳面上设置有对称的原子级厚度的氧化铝绝缘层，氧化铝绝缘层的厚度为0.2nm-2nm，氧化铝绝缘修饰层是用于调整金属电极与碳化硅衬底的接触特性，使得金属电极与碳化硅形成良好的欧姆接触。
25.氧化铝绝缘层的两侧蒸镀导电的金属电极，金属电极的厚度为100nm-500nm。金属电极选用金、银、铜或铝中的一种或多种。
26.一种碳化硅基高阻值电阻器的制备方法，步骤如下：
27.步骤一：选定衬底为500μm厚的半绝缘型4h-sic碳化硅衬底，体电阻率在10
12
ω
·
cm以上，通过原子力显微镜对衬底进行碳面与硅面的标定；
28.步骤二：对碳化硅衬底进行清洗和烘干，带一次性手套反复轻揉碳化硅衬底碳面和硅面，直到用去离子水冲洗碳面与硅面形成均匀水膜为止；将碳化硅衬底置于超声波清洗器中，分别用去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗15min，将洗好的碳化硅衬底备用；
29.步骤三：使用原子层沉积技术或磁控溅射技术分别在碳化硅衬底的碳面和硅面沉积0.2nm-2nm的氧化铝绝缘层，采用原子层沉积技术时，通过控制循环的次数来调控氧化铝绝缘层的厚度；
30.步骤四：在沉积好的氧化铝绝缘层两侧分别粘贴电极掩膜版，根据欲制成的电阻器阻值决定电极掩膜版的遮盖面积，电极的有效面积决定了电阻的横截面积，面积越大，制成的电阻器阻值越小，横截面积从μm2级到mm2级不等；
31.步骤五：将贴好掩膜版的碳化硅放入磁控溅射仪器腔体中，使用磁控溅射的方式在沉积好氧化铝的碳化硅的碳面和硅面分别溅射一层100nm-500nm厚的金属电极，金属电极的材料采用金、银、铜、铝中的一种或多种；
32.步骤六：从镀膜室取出样品，去除掩膜版，获得一种碳化硅基高阻值电阻器，并使用是德科技b1500半导体分析仪对制备好的电阻进行伏安特性的测试。如图3可以看出，获得了高阻值的欧姆接触特性的伏安特性曲线。
33.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
34.碳化硅是一种稳定性极高的半导体材料，相比于传统高阻材料，例如，金属氧化膜、有机材料等，碳化硅材料能耐受高温、高压、高频和强辐射等极端环境，碳化硅基高阻值电阻器适用于极端环境下的精密测试。
35.在碳化硅衬底上制作金属电极之前，引入一层原子级厚氧化铝界面修饰层，有利于获得具有欧姆接触特性的伏安特性曲线。通过调节电极有效面积，直接调节了阻值的大小。这种方法获得的高阻值电阻器有利于与碳化硅晶体管直接单片集成，推动碳化硅集成电路技术向前发展。
36.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。