CN102738224A - 一种采用硅合金的多层金属欧姆接触系统及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种采用硅合金的多层金属欧姆接触系统及其制造方法，其结构是AlGaN/GaNHEMT的源电极16和漏电极17的欧姆接触采用TiSi/Al/Ni/Au或者Ti/AlSi/Ni/Au或者TiSi/AlSi/Ni/Au的多层金属系统，其中TiSi、AlSi合金由双源电子束蒸发或者溅射淀积，Al、Ni和Au采用电子束蒸发或者溅射淀积。本发明的优点是制作的欧姆接触具有较小的接触电阻，同时能够较好的控制工艺的重复性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种采用硅合金的多层金属欧姆接触系统及其制造方法。属于半导体技术领域。
背景技术
铝镓氮化合物（AlGaN）/氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）第三代宽禁带化合物半导体器件具有输出功率大、工作频率高等特点，适合毫米波及以下各个频段的大功率应用,这使得其成为近年来半导体微波功率器件研究的热点。
欧姆接触是AlGaN/GaN HEMT器件研制中的关键工艺，实现较小的欧姆接触电阻，是获得高性能AlGaN/GaN HEMT的必要条件，这是因为欧姆接触电阻在AlGaN/GaN HEMT器件中是作为串联电阻的存在的，其值大小直接影响到微波器件工作时的效率、噪声、增益等性能。欧姆接触电阻率大，微波器件的效率、噪声、增益等性能将被恶化，而降低接触电阻率则有助于提升器件的性能。
目前AlGaN/GaN HEMT普遍采用基于Ti/Al的多层金属欧姆接触体系，如Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au等，采用蒸发或溅射等方法依次将Ti、Al、Ti（Ni或者Pt或者Mo等）、Au淀积到AlGaN层表面，并在800℃左右的高温下退火形成欧姆接触，其原理一般认为是在较低温度（200-300
℃）下Ti与Al反应生成Al3Ti，当温度进一步提高400℃或者以上时，Ti与AlGaN势垒层表面的氧发生反应并在界面处生成Ti-Al-N合金，同时在AlGaN势垒层中形成作为施主的N空位，形成对势垒层的中掺杂，增加电子隧穿势垒层到达沟道中2DEG的几率，从而形成欧姆接触（S. Ruvimov, Z. Liliental-Weber, J.
Washburn, D. Qiao, S. S. Lau, and P. K. Chu, “Microstructure
of Ti/Al Ohmic Contacts for n-AlxGa1−xN”, Applied Physics Letters, Vol. 73, No. 18, pp. 2582–2584, 1998）。其中Ti、Ni、Pt、Mo等金属起到阻挡层的作用，阻止Au与Al发生反应形成一层称之为“紫斑”的具有高电阻率的合金层， Au主要是为了降低接触电阻便于后续的测试。
Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au等多层金属欧姆接触体系与AlGaN/GaN HEMT可以形成较小的欧姆接触电阻，但其欧姆接触电阻率通常为0.3-0.4Ω•mm，进一步降低欧姆接触电阻可采用的方法之一是对源漏区进行Si注入实现n+掺杂，但Si注入掺杂要经过1200-1300℃的高温退火激活过程方能实现n+掺杂，这一高温退火的温度高于AlGaN/GaN HEMT所采用外延材料的生长温度，很有可能对外延材料的晶体质量产生影响，并引起器件性能的退化。另外还可以通过在Ti与半导体接触界面处插入一薄层Si或者在Ti与Al两层金属之间插入一层Si，形成Si/Ti/Al/Ni/Au、Si/Ti/Al/Ni/Au、Si/Ti/Al/Pt/Au、Si/Ti/Al/Mo/Au或者Ti/ Si/Al/Ti/Au、Ti/ Si/Al/Ni/Au、Ti/Al/ Si/Pt/Au、Ti/Al/ Si/Mo/Au等多层金属欧姆接触体系，可以降低AlGaN/GaN HEMT的欧姆接触电阻。研究结果显示，Si插入层对于降低AlGaN/GaN HEMT欧姆接触电阻的原理是在高温下Si与Ti、Al等金属形成了硅合金，而不是Si进入外延材料层形成掺杂效果(F. M. Mohammed, L. Wang, H. J. Koo,
and I. Adesida, “Si-induce enhancement of Ohmic performance of Ti/Al/Mo/Au metallization for AlGaN/GaN HEMTs”, Electronics Letters, Vol.41, No.17, pp.984-985, 2005）。
Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au等多层金属欧姆接触体系中金属层的厚度或者组分比有着非常严格的要求，厚度比的变化将引起欧姆接触形貌和接触电阻的波动，控制各金属层厚度是实现稳定重复的欧姆接触的关键，幸好Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au等多层金属欧姆接触体系中各层金属的厚度都在几十纳米以上，厚度的控制相对来的容易。对于插入Si之后，Si与各金属层的厚度或者组分比同样有着严格的要求，以保证工艺的稳定性和重复性，而由于Si插入层非常薄，其厚度的控制势必成为一个难题，因此需要发明一种更好的方法来控制其与各金属层的组分或者厚度比。
GaAs半导体器件制造过程中通常采用AuGe/Ni/Au多层金属欧姆接触体系，其中AuGe合金层与Ni以及Au各层金属的厚度对于欧姆接触电阻大小、形貌等都有着非常大的影响，特别是AuGe合金中Au与Ge的组分比对于欧姆接触电阻的大小影响最大，为控制AuGe合金中Au与Ge的组分比，一般可按事先优化的配比形成AuGe合金靶材，再通过溅射的方法淀积得到AuGe合金层，溅射的方法可以完整的保持事先配备的组分比。当然对于化合物半导体中，金属图形往往通过称之为“剥离”的工艺来获得，溅射不利通过剥离工艺来获得良好的金属边界定义，近年来产生了称之为双源电子束蒸发的方法来获得AuGe合金层，其原理是以接近一个原子层的厚度在半导体表面交替淀积Au和Ge两种金属，最终得到一种准AuGe合金的形式，这样一方面保证了AuGe的组分比得到有效控制，同时也利用用剥离工艺获得良好的金属边缘。
借鉴GaAs器件中多层金属欧姆接触体系的制造方法和Si插入层对于降低AlGaN/GaN HEMT欧姆接触电阻值的原理，引入TiSi合金来替代Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au等多层金属欧姆接触体系中与半导体接触的Ti金属层或者AlSi合金来替代Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au等多层金属欧姆接触体系中的Al金属层，或者是TiSi合金和AlSi合金同时替换Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au、Ti/Al/Mo/Au等多层金属欧姆接触体系中与半导体接触的Ti金属层和其后的Al金属层来降低欧姆接触电阻值，不再引入Si插入层，而TiSi或者AlSi可以通过溅射、双源电子束蒸发等手段来控制其中的组分比，从而提升工艺的重复性与稳定性。
发明内容
本发明提出的是一种适合铝镓氮化合物/氮化镓高电子迁移率晶体管的采用硅合金的多层欧姆接触系统及其制造方法。其目的是采用TiSi合金替代金属与半导体接触面之间的Ti金属层或者是AlSi合金替代Al金属层或者TiSi合金和AlSi合金与半导体接触面之间的Ti金属层和Al金属层的多层金属欧姆接触系统及其制造方法。
本发明的技术解决方案：一种采用硅合金的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的多层金属欧姆接触系统，其特征在于铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管源电极和漏电极所采用的欧姆接触金属系统从AlGaN层上表面处依次为第一TiSi合金金属层、Al金属层、第一阻挡金属层，以及第一Au金属层，所述的第一阻挡金属层由Ni、Mo、Pt、Ti中的一种或者多种金属的组合而成。
其制造方法，包括如下工艺：
一、在AlGaN势垒层上涂敷光刻胶层，之后曝光并显影去除需要形成欧姆接触区的光刻胶；
二、双源电子束蒸发或者溅射第一TiSi合金金属层到AlGaN势垒层、光刻胶层上；
三、电子束蒸发或者溅射Al金属层到第一TiSi合金金属层上；
四、电子束蒸发或者溅射第一阻挡金属层到Al金属层上，第一阻挡金属层由Ni、Mo、Pt、Ti中的一种或者多种金属的组合组成；
五、电子束蒸发或者溅射第一Au金属层到第一阻挡金属层上；
六、剥离去除光刻胶以及其上的第一欧姆接触金属层得到源电极和漏电极；
七、在惰性气体保护下，高温热退火使得源电极和漏电极与AlGaN层形成欧姆接触。
本发明的优点是：制作的欧姆接触具有较小的接触电阻，同时能够较好的控制工艺的重复性。
附图说明
图1是铝镓氮（AlGaN）/氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）的一般结构示意图。
图2是是实施例1的实施步骤图。其中：
图2A是涂敷光刻胶层工艺流程示意图；
图2B是涂敷光刻胶层后的图形示意图；
图2C是从AlGaN势垒层13、光刻胶层22上淀积金属层21的工艺流程图；
图2D是得到源电极16和漏电极17的示意图。
图3是本发明第二个实施例的实施步骤。
图4是本发明第三个实施例的实施步骤。
图5是图2C中第一欧姆接触金属层21从AlGaN层13和金属层21的界面处开始依次由第一TiSi合金金属层51、Al金属层52、第一阻挡金属层53和第一Au金属层54组成。
图6是图3中从AlGaN层13和第二欧姆接触金属层31的界面处开始依次由Ti金属层61、第一AlSi合金金属层62、第二阻挡金属层63和第二Au金属层64组成。
图7是图4中从AlGaN层13和第三欧姆接触金属层41的界面处开始依次由第二TiSi合金金属层71、第二AlSi合金金属层72、第三阻挡金属层73和第三Au金属层74的示意图。
具体实施方式
对照图1，其结构包括衬底11、GaN缓冲层12、AlGaN势垒层13以及AlGaN势垒层13上的源电极16、漏电极17和栅电极18；所述的AlGaN/GaN HEMT中衬底11所用的材料、GaN缓冲层12和AlGaN势垒层13形成可参考相关文献报道;另外图1是AlGaN/GaN HEMT的一般结构示意图,表明还存在其它形式的AlGaN/GaN HEMT结构,其它结构形式的可参考相关文献。栅电极18与势垒层13形成的是肖特基接触，其选用的肖特基接触系统在本领域内是众所周知的，不再进一步描述。
源电极16、漏电极17与势垒层13形成的是欧姆接触，选用欧姆接触系统来形成源电极16和漏电极17。
本发明针对源电极16、漏电极17的形成提供一种采用了硅合金的多层欧姆接触系统及其制造方法，下面将结合附图通过实施例来阐述本发明的实施步骤。
实施例1，结合图2、图5，
首先如图2A所示在AlGaN势垒层13上涂敷光刻胶层22，之后曝光并显影后形成如图2B所示的图形，再如图2C所示第一欧姆接触金属层21到AlGaN势垒层13、光刻胶层22上，最后经过剥离去除光刻胶层22以及其上的第一欧姆接触金属层21得到如图2D所示的源电极16和漏电极17。
其中第一欧姆接触金属层21如图5所示由四层金属层组成，从AlGaN层13和第一欧姆接触金属层21的界面处开始依次由第一TiSi合金金属层51、Al金属层52、第一阻挡金属层53和第一Au金属层54组成。第一TiSi合金金属层51的厚度15nm-30nm，Al金属层52与第一TiSi合金金属层51的比值3-10，第一阻挡金属层53为Ni、Mo、Pt、Ti中的一种或者多种金属的组合组成，优选的为金属Ni，其厚度10nm-30nm，第一Au金属层54的厚度20nm-50nm。
第一TiSi合金金属层51可由双源电子束蒸发或者溅射的方法获得，优选的淀积方式为双源电子束蒸发。Al金属层52、第一阻挡金属层53和第一Au金属层54可由电子束蒸发或者溅射的方法获得，优选的淀积方式为电子束蒸发。
源电极16和漏电极17一般需要在N2等惰性气体保护下通过高温热退火后才能与AlGaN层13形成良好的欧姆接触，优选的退火温度为800℃-870℃、退火时间为15s-40s。
实施例2，对照图3、结合图2、图6，
首先如图2A所示在AlGaN势垒层13上涂敷光刻胶层22，之后曝光并显影后形成如图2B所示的图形，再如图3所示第二欧姆接触金属层31到AlGaN势垒层13、光刻胶层22上，最后经过剥离去除光刻胶层22以及其上的第二欧姆接触金属层31得到如图2D所示的源电极16和漏电极17。
第二欧姆接触金属层31如图6所示由四层金属层组成，从AlGaN层13和第二欧姆接触金属层31的界面处开始依次由Ti金属层61、第一AlSi合金金属层62、第二阻挡金属层63和第二Au金属层64组成，其中Ti金属层61的厚度15nm-30nm，第一AlSi合金金属层62与Ti金属层61的比值3-10，第二阻挡金属层63由Ni、Mo、Pt、Ti中的一种或者多种金属的组合组成，优选的为金属Ni，其厚度10nm-30nm，第二Au金属层64的厚度20nm-50nm；
第一AlSi合金金属层62可由双源电子束蒸发或者溅射的方法获得，优选的淀积方式为双源电子束蒸发。Ti金属层61、第二阻挡金属层63和第二Au金属层64可由电子束蒸发或者溅射的方法获得，优选的淀积方式为电子束蒸发。
同实施例1源电极16和漏电极17需要在N2等惰性气体保护下通过高温热退火后才能与AlGaN层13形成良好的欧姆接触，优选的退火温度为800℃-870℃、退火时间为15s-40s。
实施例3，对照图4，结合图2、图7，
首先如图2A所示在AlGaN势垒层13上涂敷光刻胶层22，之后曝光并显影后形成如图2B所示的图形，再如图4所示第三欧姆接触金属层41到AlGaN势垒层13、光刻胶层22上，最后经过剥离去除光刻胶层22以及其上的第三欧姆接触金属层41得到如图2D所示的源电极16和漏电极17。
其中第三欧姆接触金属层41如图7所示由四层金属层组成，从AlGaN层13和第三欧姆接触金属层41的界面处开始依次由第二TiSi合金金属层71、第二AlSi合金金属层72、第三阻挡金属层73和第三Au金属层74组成。第二TiSi合金金属层71的厚度在15nm-30nm之间，第二AlSi合金金属层72与TiSi金属层71的比值在3-10之间，第三阻挡金属层73为Ni、Mo、Pt、Ti中的一种或者多种金属的组合组成，优选的为金属Ni，第三阻挡金属层73厚度在10nm-30nm之间，第三Au金属层74的厚度在20nm-50nm之间。
第二TiSi合金金属层71和第二AlSi合金金属层72可由双源电子束蒸发或者溅射的方法获得，优选的淀积方式为双源电子束蒸发。第三阻挡金属层73和第三Au金属层74可由电子束蒸发或者溅射的方法获得，优选的淀积方式为电子束蒸发。
同实施例1和实施例2源电极16和漏电极17需要在N2等惰性气体保护下通过高温热退火后才能与AlGaN层13形成良好的欧姆接触，优选的退火温度为800℃-870℃、退火时间为15s-40s。
Claims (9)
1.一种采用硅合金的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的多层金属欧姆接触系统，其特征在于铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管源电极（16）和漏电极（17）所采用的欧姆接触金属系统从AlGaN层（13）上表面处依次为第一TiSi合金金属层（51）、Al金属层（52）、第一阻挡金属层（53），以及第一Au金属层（54），所述的第一阻挡金属层（53）由Ni、Mo、Pt、Ti中的一种或者多种金属的组合而成。
2.根据权利要求1的一种采用硅合金的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的多层金属欧姆接触系统，其特征在于第一TiSi合金金属层（51）的厚度15nm-30nm，Al金属层（52）与TiSi合金金属层（51）的比值在3-10，第一阻挡金属层（53）的厚度10nm-30nm，第一Au金属层（54）的厚度20nm-50nm。
3.如权利要求1的一种采用硅合金的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的多层金属欧姆接触系统的制造方法，其特征是该方法包括如下工艺：
一、在AlGaN势垒层（13）上涂敷光刻胶层（22），之后曝光并显影去除需要形成欧姆接触区的光刻胶；
二、双源电子束蒸发或者溅射第一TiSi合金金属层（51）到AlGaN势垒层（13）、光刻胶层（22）上；
三、电子束蒸发或者溅射Al金属层（52）到第一TiSi合金金属层（51）上；
四、电子束蒸发或者溅射第一阻挡金属层（53）到Al金属层（52）上，第一阻挡金属层（53）由Ni、Mo、Pt、Ti中的一种或者多种金属的组合组成；
五、电子束蒸发或者溅射第一Au金属层（54）到第一阻挡金属层（53）上；
六、剥离去除光刻胶（22）以及其上的第一欧姆接触金属层（21）得到源电极（16）和漏电极（17）；
七、在惰性气体保护下，高温热退火使得源电极（16）和漏电极（17）与AlGaN层（13）形成欧姆接触。
4.一种采用硅合金的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的多层金属欧姆接触系统，其特征在于铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管源电极（16）和漏电极（17）所采用的欧姆接触金属系统是从AlGaN层（13）上表面处开始依次为Ti金属层（61）、第一AlSi合金金属层（62）、第二阻挡金属层（63）和第二Au金属层（64），其中第二阻挡金属层（63）由Ni、Mo、Pt、Ti中的一种或者多种金属的组合组成。
5.根据权利要求4所述的一种采用硅合金的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的多层金属欧姆接触系统，其特征在于Ti金属层（61）的厚度15nm-30nm，第一AlSi合金金属层（62）与Ti金属层（61）的比值3-10，第二阻挡金属层（63）的厚度10nm-30nm，第二Au金属层（64）的厚度20nm-50nm。
6.如权利要求4的一种采用硅合金的铝镓氮/氮化镓高迁移率晶体管的多层金属欧姆接触系统的制造方法，其特征是该方法包括如下工艺：
一、AlGaN势垒层（13上）涂敷光刻胶层（22），之后曝光并显影去除需要形成欧姆接触区的光刻胶；
二、电子束蒸发或者溅射Ti金属层（61）到AlGaN势垒层（13）、光刻胶层（22）上；
三、双源电子束蒸发或者溅射第一AlSi合金金属层（62）到Ti金属层（61）上；
四、电子束蒸发或者溅射第二阻挡金属层（63）到第一AlSi合金金属层（62）上，第二阻挡金属层（63）由Ni、Mo、Pt、Ti中的一种或者多种金属的组合组成；
五、电子束蒸发或者溅射第二Au金属层（64）到第二阻挡金属层（63）上；
六、剥离去除光刻胶层（22）以及其上的第二欧姆接触金属层（31）得到源电极（16）和漏电极（17）；
七、惰性气体保护下高温热退火使得源电极（16）和漏电极（17）与AlGaN层（13）形成欧姆接触。
7.一种采用硅合金的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的多层金属欧姆接触系统，其特征在于铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管源电极（16）和漏电极（17）所采用的欧姆接触金属系统从AlGaN层（13）上表面处开始依次为第二TiSi合金金属层（71）、第二AlSi合金金属层（72）、第三阻挡金属层（73），以及第三Au金属层（74）；所述的第三阻挡金属层（73）由Ni、Mo、Pt、Ti中的一种或者多种金属的组合组成。
8.根据权利要求7所述的一种采用硅合金的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的多层金属欧姆接触系统，其特征在于第二TiSi合金金属层（71）的厚度15nm-30nm，第二AlSi合金金属层（72）与TiSi合金金属层（71）的比值3-10，第三阻挡金属层（73）的厚度10nm-30nm，第三Au金属层（74）的厚度20nm-50nm。
9.如权利要求7的一种采用硅合金的铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的多层金属欧姆接触系统的制造方法，其特征是该方法包括如下工艺：
一、AlGaN势垒层（13）上涂敷光刻胶层（22），之后曝光并显影去除需要形成欧姆接触区的光刻胶；
二、双源电子束蒸发或者溅射第二TiSi合金金属层（71）到AlGaN势垒层（13）、光刻胶层（22）上；
三、双源电子束蒸发或者溅射第二AlSi合金金属层（72）到溅射第二TiSi合金金属层（71）上；
四、电子束蒸发或者溅射第三阻挡金属层（73）到第二AlSi合金金属层（72）上，第三阻挡金属层（73）由Ni、Mo、Pt、Ti中的一种或者多种金属的组合组成；
五、电子束蒸发或者溅射第三Au金属层（74）到第三阻挡金属层（73）上；
六、剥离去除光刻胶层（22）以及其上的第三欧姆接触金属层（41）得到源电极（16）和漏电极（17）；
七、惰性气体保护下高温热退火使得源电极（16）和漏电极（17）与AlGaN层（13）形成欧姆接触。
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