CN103928323A - 降低hemt器件欧姆接触电阻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法，涉及氮化物的制备方法技术领域。所述方法包括以下步骤：1）外延结构生长，依次在衬底上形成GaN层和势垒层；2）在势垒层的上表面生长SiO2层；3）在漏源欧姆区域刻蚀SiO2层至势垒层的上表面；4）在源漏欧姆区域刻蚀GaN材料，刻蚀至GaN层和势垒层异质结界面以下，而后使用高温退火炉在纯氮气氛或真空气氛中进行退火处理；5）在源漏欧姆区域二次外延n型重掺杂GaN材料；6）腐蚀掉势垒层上表面剩余的SiO2。所述方法改善了n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的欧姆接触，降低了n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的接触电阻。

Description

降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法
技术领域
本发明涉及氮化物的制备方法技术领域，尤其涉及降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法。
背景技术
GaN材料作为第三代半导体材料的代表，是继Si、GaAs材料之后出现的一种重要半导体材料，由于其具有大禁带宽度、高临界场强、高载流子饱和速度以及耐高温抗辐照等优良特性，受到人们的广泛关注。其中GaN基异质结（如AlGaN/GaN和InAl/GaN等）高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）在微波及毫米波领域所展示出来的优异性能，使得国内外对其进行了广泛而深入的研究，经过近些年来的努力，GaN基HEMT器件性能和稳定性得到了巨大提升。
在GaN基 HEMT器件的制造工艺过程中，源漏欧姆接触工艺是关键技术之一，直接影响着器件的频率和功率性能。源漏欧姆接触工艺广泛采用真空蒸发、溅射沉积等方法，在GaN基异质结材料表面堆叠钛/铝/镍/金（Ti/Al/Ni/Au）多层金属体系，而后高温合金形成欧姆接触。在高温合金过程中，金属与氮化物发生反应，生成氮化钛（TiN）和铝钛氮（AlTi2N），从而获得了低的欧姆接触电阻率，同时Ti和Al之间也形成了TiAl3金相的钛铝合金，进一步降低了欧姆接触电阻率。
对于被广泛采用的Ti/Al/Ni/Au多层金属体系，其合金温度一般高达700-950℃甚至更高，退火温度过高或过低、时间过长或过短都会大大影响欧姆接触的性能，而且，金属比例和金属层厚度对欧姆接触影响也很大。与GaN直接接触的Ti金属层也有被复合金属层（如Ti/Al/Ti/Al/Ti/Al等多层金属）替代以降低欧姆接触，改善欧姆表面形貌。但是从现有结果来看，上述这些方法都需要高温合金，合金后的表面形貌和边缘整齐度并不理想，有待改进。此外，还有通过源漏区域离子注入以实现低欧姆接触和良好的表面形貌，但该工艺需要高温激活注入的离子，而且注入过程中会有横向扩散，造成GaN材料的损伤。
目前，如图9所示，在欧姆接触区二次外延生长n型重掺杂GaN以降低欧姆接触电阻率和改善表面形貌已成为近几年国际上的新型工艺。由于再生长的n型重掺杂GaN体浓度一般要高于1×1019cm-3，因此，源漏金属与n型重掺杂GaN之间不需要合金即可获得良好的欧姆接触。该工艺可以实现非合金的欧姆接触，大大提高了欧姆接触表面及边缘形貌，并可以实现源漏栅的自对准工艺。二次外延生长n型重掺杂GaN大都采用分子束外延（MBE）方法外延实现，但也有人采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法。该方法实现的欧姆接触电阻主要包括金属与n型重掺杂GaN间的接触电阻、n型重掺杂GaN的体电阻以及n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的接触电阻。n型重掺杂GaN的体电子浓度直接影响着金属与n型重掺杂GaN间的接触电阻以及n型重掺杂GaN的体电阻，而n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁接触的好坏直接影响着n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的接触电阻，该接触电阻对整体欧姆接触影响最大。因此，有效降低n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的接触电阻对减小整体欧姆接触有着重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法，所述方法改善了n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的欧姆接触，降低了n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的接触电阻。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）外延结构生长，依次在衬底上形成GaN层和势垒层；
2）在势垒层的上表面生长SiO2层；
3）利用反应离子刻蚀设备在漏源欧姆区域刻蚀SiO2层至势垒层的上表面；
4）利用电感耦合等离子体刻蚀设备在源漏欧姆区域刻蚀GaN材料，刻蚀至GaN层和势垒层异质结界面以下，而后使用高温退火炉进行退火处理；
5）利用MBE或MOCVD设备在源漏欧姆区域二次外延n型重掺杂GaN材料；
6）腐蚀掉势垒层上表面剩余的SiO2，得到未生长漏源电极的HEMT器件。
优选的，所述势垒层的使用材料为AlGaN、InAlN或AlN。
优选的，所述SiO2层厚度为20-300nm。
更优选的，所述SiO2层厚度为150nm。
优选的，在步骤4）中需刻蚀至GaN层和势垒层异质结界面以下40±10nm处。
优选的，在步骤4）中需刻蚀至GaN层和势垒层异质结界面以下40nm处。
优选的，在步骤4）中，使用退火炉在纯氮气氛或真空气氛中对上述器件进行退火处理，退火温度为300-800℃，退火时间为0.5-3分钟。
更优选的，在步骤4）中退火温度为450℃，退火时间为2分钟
优选的，在步骤5）中二次外延n型重掺杂GaN材料的厚度需超过异质结界面。
更优选的，在步骤5）中二次外延n型重掺杂GaN材料的厚度高于异质结界面50nm。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：经过实验发现，通过热退火处理以后，器件的欧姆接触电阻从0.52 W.mm降低至0.42 W.mm左右，接触电阻值有着明显的降低，说明热退火处理改善了n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的接触，从而降低了n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的接触电阻。此外，本发明中的退火技术是在蒸发源漏接触金属之前，因此，不会影响源漏欧姆接触的表面形貌。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明经过步骤1）处理后的结构示意图；
图2是图1经过步骤2）处理后的结构示意图；
图3是图2经过步骤3）处理后的结构示意图；
图4是图3经过步骤4）处理后的结构示意图；
图5是图4经过步骤5）处理后的结构示意图；
图6是图5经过步骤6）处理后的结构示意图；
图7是现有技术利用线性传输模型计算得到的未经过退火处理样品的欧姆接触电阻曲线图；
图8是本发明利用线性传输模型计算得到的经过退火处理样品的欧姆接触电阻曲线图；
图9是现有技术二次外延生长n型重掺杂GaN欧姆接触结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
下面通过具体实施例进行说明。
实施例一
本实施例以AlGaN/GaN HEMT器件材料为例，结合附图对本发明的实施方式做具体阐述：
图1为AlGaN/GaN HEMT器件材料经过步骤1）处理后的结构示意图；在AlGaN/GaN材料表面生长150nm的二氧化硅（SiO2），如图2所示；利用反应离子刻蚀设备（RIE）在HEMT器件的源漏欧姆区域刻蚀SiO2层至AlGaN势垒层上表面，如图3所示，以上步骤可以通过现有技术实现。
本发明的发明点在于，利用电感耦合等离子体刻蚀设备（ICP）在刻蚀HEMT器件源漏欧姆区GaN后、二次外延生长n型重掺杂GaN之前，使用热快速退火设备将上述材料在高纯氮气氛（或其他保护气体中）或高真空氛围中进行低温退火处理，用来修复刻蚀GaN过程中的损伤，进而改善n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的欧姆接触，以降低n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的接触电阻。
具体步骤如下：在经过上述步骤处理之后，利用电感耦合等离子体刻蚀设备（ICP）在HEMT器件源漏欧姆区域刻蚀GaN材料，刻蚀至AlGaN/GaN异质结界面以下(刻蚀深度大约为40nm)，而后使用高温退火炉在纯氮气氛（亦可在其他保护性气体）或真空气氛中对上述器件进行退火处理，如图4所示，退火温度为450℃，退火时间2分钟；使用MOCVD设备在上述器件处理后的源漏欧姆区域二次外延50nm n型重掺杂GaN材料（体浓度为：2×1019cm-3），如图5所示；腐蚀掉势垒层上表面剩余的SiO2，得到未生长漏源电极的HEMT器件，如图6所示。
图7为现有技术利用线性传输模型计算得到的未经过退火处理样品的欧姆接触电阻曲线图，图8本发明利用线性传输模型计算得到的经过退火处理样品的欧姆接触电阻曲线图。对比图7与8可以看到，经过热退火处理以后，样品的欧姆接触电阻从0.52 W.mm降低至0.42 W.mm，接触电阻值有着明显的降低，这说明热退火处理改善了n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的接触，从而降低了n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的接触电阻。此外，本发明中的退火技术是在蒸发源漏接触金属之前，因此，不会影响源漏欧姆接触的表面形貌。
实施例二
本实施例以InAlN/GaN HEMT器件材料为例，对本发明的实施方式做具体阐述：
在InAlN/GaN材料表面生长200nm的二氧化硅（SiO2）层；利用反应离子刻蚀设备（RIE）在源漏欧姆区域刻蚀SiO2层至InAlN势垒层上表面；利用电感耦合等离子体刻蚀设备（ICP）在HEMT器件源漏欧姆区域刻蚀GaN材料，刻蚀至InAlN/GaN异质结界面以下(刻蚀深度大约为50nm)，而后使用高温退火炉在纯氮气氛（亦可在其他保护性气体）或真空气氛中对上述器件进行退火处理，退火温度为300℃，时间为3分钟；利用MOCVD设备在上述器件处理后的源漏欧姆区域二次外延60nm 的n型重掺杂GaN材料；腐蚀掉势垒层上表面剩余的SiO2，得到未生长漏源电极的HEMT器件。利用线性传输模型计算得到样品的欧姆接触电阻降低至0.44W.mm。
实施例三
本实施例以InAlN/GaN HEMT器件材料为例，对本发明的实施方式做具体阐述，本实施例重点在于工艺参数的调整：
在InAlN/GaN材料表面生长200nm的二氧化硅（SiO2）层；利用反应离子刻蚀设备（RIE）在源漏欧姆区域刻蚀SiO2层至InAlN势垒层上表面；利用电感耦合等离子体刻蚀设备（ICP）在HEMT器件源漏欧姆区域刻蚀GaN材料，刻蚀至InAlN/GaN异质结界面以下(刻蚀深度大约为40nm)，而后使用高温退火炉在纯氮气氛（亦可在其他保护性气体）或真空气氛中对上述器件进行退火处理，退火温度为800℃，时间为0.5分钟；利用MOCVD设备在上述器件处理后的源漏欧姆区域二次外延50nm 的n型重掺杂GaN材料；腐蚀掉势垒层上表面剩余的SiO2，得到未生长漏源电极的HEMT器件。利用线性传输模型计算得到样品的欧姆接触电阻降低至0.40W.mm。
上述实施例的工艺参数也可以根据实际需要进行适当调整，调整后的技术方案也在本申请的保护范围之内。
综上所述，通过热退火处理以后，产品的欧姆接触电阻值有着明显的减低，说明热退火处理改善了n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的接触，从而降低了n型重掺杂GaN与GaN异质结侧壁的接触电阻。 

Claims (10)

1.一种降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）外延结构生长，依次在衬底上形成GaN层和势垒层；
2）在势垒层的上表面生长SiO2层；
3）利用反应离子刻蚀设备在漏源欧姆区域刻蚀SiO2层至势垒层的上表面；
4）利用电感耦合等离子体刻蚀设备在源漏欧姆区域刻蚀GaN材料，刻蚀至GaN层和势垒层异质结界面以下，而后使用高温退火炉进行退火处理；
5）利用MBE或MOCVD设备在源漏欧姆区域二次外延n型重掺杂GaN材料；
6）腐蚀掉势垒层上表面剩余的SiO2，得到未生长漏源电极的HEMT器件。
2.根据权利要求1所述的降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法，其特征在于：所述势垒层的使用材料为AlGaN、InAlN或AlN。
3.根据权利要求1所述的降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法，其特征在于：所述SiO2层厚度为20-300nm。
4.根据权利要求3所述的降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法，其特征在于：所述SiO2层厚度为150nm。
5.根据权利要求1所述的降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法，其特征在于：在步骤4）中需刻蚀至GaN层和势垒层异质结界面以下40±10nm处。
6.根据权利要求5所述的降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法，其特征在于：在步骤4）中需刻蚀至GaN层和势垒层异质结界面以下40nm处。
7.根据权利要求1所述的降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法，其特征在于：在步骤4）中，使用退火炉在纯氮气氛或真空气氛中对上述器件进行退火处理，退火温度为300-800℃，退火时间为0.5-3分钟。
8.根据权利要求7所述的降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法，其特征在于：在步骤4）中退火温度为450℃，退火时间为2分钟。
9.根据权利要求1所述的降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法，其特征在于：在步骤5）中二次外延n型重掺杂GaN材料的厚度需超过异质结界面。
10.根据权利要求9所述的降低HEMT器件欧姆接触电阻的方法，其特征在于：在步骤5）中二次外延n型重掺杂GaN材料的厚度高于异质结界面50nm。
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