CN103606516A - GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，包括：在GaN基高电子迁移率晶体管外延片上涂覆光刻胶，并光刻形成欧姆接触图形；利用低损伤刻蚀技术从欧姆接触图形的开孔区域刻蚀减薄GaN基HEMT的势垒层；对刻蚀区域进行湿法表面处理，并在处理后的外延片上沉积多层无金欧姆金属；剥离GaN基高电子迁移率晶体管外延片表面的光刻胶及该光刻胶之上沉积的多层无金欧姆金属；以及退火形成低温无金欧姆接触。利用本发明，降低了GaN基HEMT的工艺温度，解决了GaN基HEMT与Si-CMOS工艺兼容的技术瓶颈，有助于降低GaN基HEMT的制造成本，加快GaN基功率电子器件的产业化进程。
Description
技术领域
本发明涉及GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)制备技术领域，尤其是一种GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法。
背景技术
随着GaN基射频功率，特别是面向民用的功率开关器件的长足发展，GaN基HEMT相对于传统Si功率器件的性能优势越来越明显，它在击穿电压，工作温度，以及转换效率方面远优于Si基MOSFET器件，而在能耗上又低于Si器件。虽然硅基GaN外延技术已经能使外延片的尺寸逼近主流Si片尺寸(目前已达到8寸)，然而GaN基HEMT的规模化加工的发展相对滞后，严重制约了GaN基HEMT的产业化进程。
为了降低GaN基HEMT的制造成本，必须实现HEMT在Si-CMOS工艺线的大规模生产。实现GaN基HEMT的CMOS加工主要面临以下技术难题：1、在HEMT器件的欧姆和肖特基接触工艺中采用无金接触金属，避免Au对CMOS工艺线的致命污染；2、降低HEMT器件的工艺温度，避免HEMT和CMOS工艺的相互影响；由于Ga对CMOS工艺线存在污染风险，所以工艺温度尽量采用低温。
目前主流GaN基射频功率和功率开关器件均采用含金体系，尤其是欧姆接触，通常采用Ti／Al／×／Au四层金属，而且退火温度在800℃以上。这种经过高温过程的含金欧姆接触，表面形貌非常粗糙，而且边缘毛刺较多，会造成器件的电场分布很不均匀，导致器件的短路或可靠性退化。同时含金接触迫使GaN基HEMT只能在专门的工艺线加工，无形提高了总体成本，不利于推动GaN基功率电子器件的产业化进程。
综上所述，开发低温无金欧姆接触技术替代传统高温有金工艺，不仅从器件物理上开辟一种新兴欧姆接触制备技术，而且能够解决GaN基功率电子器件产业化的瓶颈问题，是其产业化的必然趋势。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，以解决GaN基HEMT在Si-CMOS工艺线加工的关键技术问题，降低GaN基HEMT的工艺制造成本，促进GaN基功率电子器件的产业化。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，包括：在GaN基高电子迁移率晶体管外延片上涂覆光刻胶，并光刻形成欧姆接触图形；利用低损伤刻蚀技术从欧姆接触图形的开孔区域刻蚀减薄GaN基HEMT的势垒层；对刻蚀区域进行湿法表面处理，并在处理后的外延片上沉积多层无金欧姆金属；剥离GaN基高电子迁移率晶体管外延片表面的光刻胶及该光刻胶之上沉积的多层无金欧姆金属；以及退火形成低温无金欧姆接触。
上述方案中，所述在GaN基高电子迁移率晶体管外延片上涂覆光刻胶的步骤中，所述GaN基高电子迁移率晶体管外延片由下至上依次包括衬底、GaN缓冲层和势垒层，其中衬底为硅衬底、SiC衬底、蓝宝石衬底或同质外延的GaN衬底，势垒层是AlGaN或AlInN三元合金势垒层，或者是AlInGaN四元合金势垒层。
上述方案中，所述在GaN基高电子迁移率晶体管外延片上涂覆光刻胶的步骤中，所述光刻胶为负性光刻胶AZ5214E，涂覆厚度为1.1微米。
上述方案中，所述利用低损伤刻蚀技术从欧姆接触图形的开孔区域刻蚀减薄GaN基HEMT的势垒层的步骤中，所述低损伤刻蚀技术是采用干法刻蚀技术，该干法刻蚀技术是利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀实现的。
上述方案中，所述电感耦合等离子体刻蚀是先利用BCl3刻蚀势垒层表面的氧化层，然后利用BCl3、Cl2混合等离子体刻蚀势垒层达到一定厚度，刻蚀深度视势垒层的厚度而定。
上述方案中，所述对刻蚀区域进行湿法表面处理，是利用稀盐酸或氢氟酸清洁处理后的表面，时间为40秒，以达到去除干法刻蚀残留物和氧化层的目的。
上述方案中，所述在处理后的外延片上沉积多层无金欧姆金属的步骤中，是采用电子束蒸发或溅射方法在处理后的外延片上沉积多层无金欧姆金属，该多层无金欧姆金属由下至上依次包含Ti／Al／Ti／W，或Ti／Al／W，或Ti／Al／Ti／TiN。
上述方案中，所述退火形成低温无金欧姆接触的步骤中，所述退火温度不高于600℃，时间为2分钟，气氛为高纯氮气。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，避免了含金欧姆接触对Si-CMOS工艺线的污染，突破了GaN基HEMT在Si-CMOS工艺线制造的关键技术瓶颈，有利于降低GaN基功率电子器件的制造成本。
2、本发明提供的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，降低了GaN基HEMT的整体工艺温度(含金欧姆接触的退火温度在整个工艺过程中是最高的)，提高了欧姆接触的表面粗糙度，从而提高了器件的成品率。
3、本发明提供的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，相对于目前GaN基HEMT的高温含金欧姆接触(例如Ti／Al／Ni／Au)，表面和边缘形貌非常平坦，无明显横向扩散，非常有利于深亚微米GaN基HEMT的精细加工，提高了器件的成品率。
4、本发明提供的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，降低了GaN基HEMT的工艺温度，解决了GaN基HEMT与Si-CMOS工艺兼容的技术瓶颈，有助于降低GaN基HEMT的制造成本，加快GaN基功率电子器件的产业化进程。
5、本发明提供的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，是实现GaN基HEMT在现有Si-CMOS工艺线大规模制造的关键工艺，能够有效抑制Au对Si-CMOS生产线的污染。该技术有利于推动大尺寸硅基GaN功率电子器件在CMOS工艺线的加工，极大的降低其制造成本。该技术同时有助于GaN-HEMT与Si-CMOS的集成，促进GaN基射频功率器件和电路的发展。
附图说明
图1是本发明提供的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法流程图；
图2至图4是依照本发明实施例的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作工艺流程图；
图5至图6分别是含金和无金欧姆接触表面和边缘光学形貌对比；
图7至图8分别是无金欧姆接触低温退火前后的电流-电压(I-V)特性对比；
图9是含金欧姆接触退火后的I-V特性曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，依据欧姆金属与二维电子气沟道间隧穿电流随两者间距减小而增大的物理性质，通过欧姆前低损伤刻蚀工艺先刻蚀掉部分势垒层，然后再淀积无金欧姆金属，在低温下退火形成了与GaN基HEMT传统含金欧姆接触相当了接触性能。
如图1所示，图1是本发明提供的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，该方法包括：
步骤1：在GaN基高电子迁移率晶体管外延片上涂覆光刻胶，并光刻形成欧姆接触图形。
其中，GaN基高电子迁移率晶体管外延片由下至上依次包括衬底、GaN缓冲层和势垒层，其中衬底为硅衬底、SiC衬底、蓝宝石衬底或同质外延的GaN衬底等，势垒层是AlGaN或AlInN三元合金势垒层，或者是AlInGaN四元合金势垒层；在GaN基高电子迁移率晶体管外延片上涂覆的光刻胶为负性光刻胶AZ5214E，涂覆厚度大约1.1微米，负胶更易于剥离且边缘良好。前烘条件为100℃热板加热90秒，此处的100℃是指AZ5214E光刻胶的标准烘烤温度，不同的热板，温度设置可能会有微小偏差；此处的90秒是指AZ5214E光刻胶的标准烘烤时间，不同的热板，烘烤时间可能会有偏差，其目的是使AZ5214E光刻胶中的溶剂充分挥发；
步骤2：利用低损伤刻蚀技术从欧姆接触图形的开孔区域刻蚀减薄GaN基HEMT的势垒层。
其中，该步骤中的低损伤刻蚀技术是采用干法刻蚀技术，该干法刻蚀技术是利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀实现的，在刻蚀过程中控制ICP的功率，降低等离子体对势垒层(如AlGaN)表面的损伤。先利用BCl3刻蚀势垒层表面的氧化层，然后利用BCl3、Cl2混合等离子体刻蚀势垒层达到一定厚度，刻蚀深度视势垒层的厚度而定。
步骤3：对刻蚀区域进行湿法表面处理。
由于刻蚀过的势垒层表面可能有残留胶粒或新生成的氧化物，所以刻蚀后湿法表面处理过程非常必要。本发明通过稀盐酸或氢氟酸清洁处理后的表面，时间大约为40秒，以达到去除干法刻蚀残留物和氧化层的目的。
步骤4：采用电子束蒸发或溅射方法在处理后的GaN基高电子迁移率晶体管外延片表面沉积多层无金欧姆金属。
该步骤是紧接着湿法表面处理进行的，通过电子束蒸发或溅射方法(或两者的结合)在GaN基高电子迁移率晶体管外延片表面淀积多层无金欧姆金属，该多层无金欧姆金属典型结构由下至上依次包含Ti／Al／Ti／W，或Ti／Al／W，或Ti／Al／Ti／TiN等。其中的第一层接触金属Ti的功函数比较低，有助于形成低阻欧姆接触，最上面的W或TiN是比较好的保护层，热稳定性好，有助于形成良好的表面形貌。
步骤5：金属剥离；剥离GaN基高电子迁移率晶体管外延片表面的光刻胶及该光刻胶之上沉积的多层无金欧姆金属。
步骤6：在低温下退火形成低温无金欧姆接触。
特征退火条件为退火温度不高于600℃，时间为2分钟，气氛为高纯氮气。通过I-V测量监测欧姆接触性能，退火温度可能因所使用设备的状况而稍作调整。
基于图1所示的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法流程图，图2至图4是依照本发明实施例的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作工艺流程图，具体包括：
图2所示为在GaN基高电子迁移率晶体管外延片上涂覆光刻胶并光刻之后形成的欧姆接触图形。涂覆光刻胶的条件为：AZ5214E光刻胶厚度为1μm以上，在100℃热板烘烤90秒；
图3所示为干法刻蚀欧姆接触图形的开孔区域，刻蚀深度依势垒层的厚度而定；
图4所示为剥离GaN基高电子迁移率晶体管外延片表面光刻胶及该光刻胶之上沉积的多层无金金属后的无金欧姆接触图形。
图5与图6对比了传统含金欧姆接触(示例为Ti／Al／Ni／Au(20／150／55／45nm))和本发明的无金欧姆接触(示例为Ti／Al／Ti／W(20／120／20／30nm))退火后的表面和边缘光学形貌对比。可以看出含金欧姆接触经高温合金之后(示例退火条件为890℃，30秒)，表面出现凸起和不规则的沟壑，这是GaN基HEMT含金欧姆工艺的共性特征，而本发明的无金欧姆接触表面很平整(示例退火条件为600℃，120秒)，基本保持了金属的原始形貌，非常有利于亚微米GaN基HEMT的精细加工。在边缘形貌方面，本发明的无金欧姆接触也明显优于传统含金欧姆接触。本实验设计的欧姆电极间距为6μm，经过传统含金欧姆工艺后间距缩为5.85μm，缩小了0.15μm，而无金工艺间距基本上没有改变。无金工艺的边缘毛刺也明显少于有金工艺。
图7与图8对比了本发明的无金欧姆接触在低温退火前后I-V特性(示例为Ti／Al／Ti／W(20／120／20／30nm)，欧姆前刻蚀时间为120秒)，退火前样品呈现出肖特基特性，在3V左右电流只有10nA左右，而经过600℃，120秒在N2中退火后，样品呈现出明显的欧姆特性，在0V附近I-V曲线呈直线，且在3V下电流超过20mA。
图9所示是相应的含金欧姆接触的I-V特性，也呈现线性特性，在3V下电流接近40mA，高于无金欧姆接触电流，但通过欧姆前刻蚀条件和金属结构优化，无金欧姆接触应该能达到与有金欧姆接触近似的欧姆性能。
附表1对比了本发明的无金欧姆接触和传统含金欧姆接触的接触电阻特性，可以看出，传统含金欧姆接触电阻为0.7Ω·mm，本发明的无金欧姆接触大约1.3Ω·mm。尽管稍稍偏大，但经过欧姆前刻蚀条件和金属结构优化，必定能实现更低的接触电阻。
表1
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，其特征在于，包括：
在GaN基高电子迁移率晶体管外延片上涂覆光刻胶，并光刻形成欧姆接触图形；
利用低损伤刻蚀技术从欧姆接触图形的开孔区域刻蚀减薄GaN基HEMT的势垒层；
对刻蚀区域进行湿法表面处理，并在处理后的外延片上沉积多层无金欧姆金属；
剥离GaN基高电子迁移率晶体管外延片表面的光刻胶及该光刻胶之上沉积的多层无金欧姆金属；以及
退火形成低温无金欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，其特征在于，所述在GaN基高电子迁移率晶体管外延片上涂覆光刻胶的步骤中，所述GaN基高电子迁移率晶体管外延片由下至上依次包括衬底、GaN缓冲层和势垒层，其中衬底为硅衬底、SiC衬底、蓝宝石衬底或同质外延的GaN衬底，势垒层是AlGaN或AlInN三元合金势垒层，或者是AlInGaN四元合金势垒层。
3.根据权利要求1所述的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，其特征在于，所述在GaN基高电子迁移率晶体管外延片上涂覆光刻胶的步骤中，所述光刻胶为负性光刻胶AZ5214E，涂覆厚度为1.1微米。
4.根据权利要求1所述的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，其特征在于，所述利用低损伤刻蚀技术从欧姆接触图形的开孔区域刻蚀减薄GaN基HEMT的势垒层的步骤中，所述低损伤刻蚀技术是采用干法刻蚀技术，该干法刻蚀技术是利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀实现的。
5.根据权利要求4所述的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，其特征在于，所述电感耦合等离子体刻蚀是先利用BCl3刻蚀势垒层表面的氧化层，然后利用BCl3、Cl2混合等离子体刻蚀势垒层达到一定厚度，刻蚀深度视势垒层的厚度而定。
6.根据权利要求1所述的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，其特征在于，所述对刻蚀区域进行湿法表面处理，是利用稀盐酸或氢氟酸清洁处理后的表面，时间为40秒，以达到去除干法刻蚀残留物和氧化层的目的。
7.根据权利要求1所述的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，其特征在于，所述在处理后的外延片上沉积多层无金欧姆金属的步骤中，是采用电子束蒸发或溅射方法在处理后的外延片上沉积多层无金欧姆金属，该多层无金欧姆金属由下至上依次包含Ti／Al／Ti／W，或Ti／Al／W，或Ti／Al／Ti／TiN。
8.根据权利要求1所述的GaN基高电子迁移率晶体管的低温无金欧姆接触的制作方法，其特征在于，所述退火形成低温无金欧姆接触的步骤中，所述退火温度不高于600℃，时间为2分钟，气氛为高纯氮气。
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