CN104112658A - 铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触制作方法，包括，1）在指定区域注入掺杂离子，并且在高温下退火激活这些离子；采用光刻的方法定义注入区域的图形，淀积金属掩膜并剥离，将需要注入的地方暴露出来；注入时采用金属作为掩膜定义注入区域，注入离子采用Si离子；2）将注入区部分地方的AlGaN势垒层刻蚀掉，然后在AlGaN被刻蚀掉的地方淀积金属直接与GaN层接触。优点：可具有很低的欧姆接触电阻率，金属电极具有良好的表面平整度和可靠性；无需采用含Al的多层金属体系来实现AlGaN/GaNHEMT的欧姆接触，避免Al金属由于化学性质活泼，后续工艺引起对欧姆接触的破坏作用，提升欧姆接触可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管的欧姆接触制作方法，是一种新的源漏欧姆接触制作方法。属于半导体技术领域。
背景技术
基于铝镓氮/氮化镓异质外延结构的高电子迁移率晶体管，在高频、高功率微波通信、雷达探测等领域有着广泛的应用前景。铝镓氮（AlGaN）/氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）中源漏金属电极与半导体材料的接触电阻直接影响到输出功率、功率附加效率和频率特性等性能，如何降低接触电阻是制备高性能AlGaN/GaN HEMT器件时必须考虑的重要因素。大部分欧姆接触采用以Ti/Al为基础的多层金属结构，目前见诸报道的金属结构有Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Pt/Au等多种形式，通过蒸发或者溅射的方式在半导体表面淀积金属层，然后在800℃以上的高温下快速退火，从而形成欧姆接触。
以Ti/Al为基础的多层金属结构，Ti的作用是分解AlGaN表面的氧化物，并且与AlGaN中的N反应导致势垒层出现N空位，使得电极下方的AlGaN层变成重掺杂区域，大大降低耗尽层厚度，电子容易通过隧穿进入沟道层，从而形成欧姆接触；Al的作用是可以与Ti反应形成Al3Ti，既能阻止Ti进一步氧化，也能防止上层的Ni和Au等金属往下扩散与半导体形成肖特基接触；Ni和Pt的作用是阻止上层的Au往下扩散，Au与Al反应会生成一层被称作“紫斑”的具有很高电阻值的合金；Au的作用是为了降低金属电极本身的电阻。
采用上述方法形成的欧姆接触结构，接触电阻可以达到0.4Ωmm左右甚至更低，但是经过800℃以上的高温合金之后，金属存在表面粗糙度大、金属边缘有锯齿状突出等问题，不利于后续工艺中的光刻对准，同时也容易引起击穿。另外金属Al比较活泼，容易被后续工艺中的化学物质如显影液等腐蚀。为避免这些缺点，需要降低合金温度，同时最好采用不含Al的金属体系来实现AlGaN/GaN HEMT器件的欧姆接触。为了降低合金温度，Yu等人（Haijiang Yu，et al，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 26, NO. 5, MAY 2005）采用Si离子注入的方法，对源漏区域进行掺杂，形成重掺杂区域，大大提高了电子隧穿几率，在注入区域淀积Ti/Al/Ni/Au多层金属后，金属与半导体即形成了良好的欧姆接触，且欧姆接触电阻值与常规采用高温合金工艺的样品相当；同样采用Si离子注入的方法实现AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触制作的还有Irokawa等人（Y. Irokawa et al. Applied Physics Letters，Vol.86，p.192102-2, 2005）和Nomoto等人（Kazuki Nomoto, et al. IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL.28, NO.11, p.939, 2007）的报道。
无论是Yu等人还是Irokawa等人虽然都采用了Si离子注入的方法来降低AlGaN/GaN HEMT器件的欧姆接触合金温度甚至是不合金，但依然采用了基于Ti/Al的多层欧姆接触金属体系；另外他们所采用的外延材料的AlGaN层中的Al含量较低，在0.2～0.3之间。应该来讲提升AlGaN中的Al含量，可以提高AlGaN/GaN HEMT中沟道层的载流子浓度，进而有助于提升器件的性能；但是AlGaN层中的Al含量越高，越难与金属形成欧姆接触，当Al含量超过0.3时，接触电阻显著增大。因此有必要发明一种方法，使得AlGaN层中的Al含量升高时，结合Si离子注入的方法依然获得与Al含量较低时相当的欧姆接触电阻值。
本发明将提供的方法是采用ICP刻蚀的方法，将源漏区域的AlGaN层刻蚀掉，使金属直接与GaN接触，可以避免AlGaN层中Al含量对欧姆接触电阻值的影响，结合Si离子注入，使得源漏金属直接与重掺杂的GaN层接触，其优点在于首先不需合金就可以实现欧姆接触；另外欧姆接触金属可以是不基于Ti/Al的多层金属结构，因为Ti本身就可以与GaN形成欧姆接触，以金属Ti或者其他功函数与GaN相接近的金属为基础，源漏金属可以采用Ti/Pt/Au/Ti、Ti/Au、Ti/Ni/Au等不含Al的多种结构。由于不需要经过800℃以上的高温合金，源漏金属具有很好的平整度，有利于后续的介质生长和光刻对准，同时去除了化学性质更为活泼的Al，避免了后续工艺过程中显影液等化学物质对欧姆接触的破坏作用，可提升欧姆接触的可靠性，该方法与传统的欧姆接触方法相比，具有明显的优势。
发明内容
本发明提出了一种铝镓氮化合物（AlGaN）/氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）的源漏欧姆接触制作方法，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷，采用ICP刻蚀的方法，将源漏区域的AlGaN层刻蚀掉，使金属直接与GaN接触，可以避免AlGaN层中Al含量对欧姆接触电阻值的影响，结合Si离子注入，使得源漏金属直接与重掺杂的GaN层接触，其优点在于首先不需合金就可以实现欧姆接触；另外欧姆接触金属可以是不基于Ti/Al的多层金属结构，因为Ti本身就可以与GaN形成欧姆接触，以金属Ti或者其他功函数与GaN相接近的金属为基础，源漏金属可以采用Ti/Pt/Au/Ti、Ti/Au、Ti/Ni/Au等不含Al的多种结构。由于不需要经过800℃以上的高温合金，源漏金属具有很好的平整度，有利于后续的介质生长和光刻对准，同时去除了化学性质更为活泼的Al，避免了后续工艺过程中显影液等化学物质对欧姆接触的破坏作用，可提升欧姆接触的可靠性，该方法与传统的欧姆接触方法相比，具有明显的优势。
本发明的技术解决方案：AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中的源漏欧姆接触方法，包括如下工艺步骤：
1）在指定区域注入掺杂离子，并且在高温下退火激活这些离子；注入区域的定义即是器件设计中的源漏区域；采用光刻的方法定义注入区域的图形，淀积金属掩膜并剥离，将需要注入的地方暴露出来，其他地方被金属掩膜保护住；注入时采用金属作为掩膜定义注入区域，注入离子采用Si离子；
2）将注入区部分地方的AlGaN势垒层刻蚀掉，然后在AlGaN被刻蚀掉的
地方淀积金属直接与GaN层接触。
本发明的优点：本发明所提供的金欧姆接触方法，源漏电极金属不通过合金即可与半导体形成欧姆接触，金属形貌更加平整、边缘更整齐，有利于后续的介质生长和光刻对准。源漏电极摒弃了常用基于金属Al的多层金属，避免了工艺过程中由于Al化学性质活泼所导致的欧姆接触被破坏的可能，保证了工艺的稳定性和欧姆接触的可靠性。
附图说明
图1是采用离子注入和源漏刻蚀技术的AlGaN/GaN HEMT结构示意图。
图2是AlGaN/GaN异质外延结构示意图。
图3是生长SiN介质作为保护层示意图。
图4是涂光刻胶并甩胶示意图。
图5 是光刻定义掩膜图形示意图。
图6是淀积金属掩膜示意图。
图7是淀积金属并剥离形成掩膜结构示意图。
图8-1是Ti/Ni结构金属掩膜结构示意图。
图8-2是Ni/Au结构金属掩膜结构示意图。
图9 是Si离子注入示意图。
图10是注入Si离子后形成的注入区示意图。
图11是注入掩膜去除之后的示意图。
图12是源漏刻蚀前光刻涂胶的示意图。
图13是光刻定义源漏刻蚀图形的示意图。
图14是刻蚀掉源漏区域AlGaN势垒层的示意图。
图15是源漏金属化光刻涂胶的示意图。
图16是光刻定义源漏金属图形的示意图。
图17是淀积源漏金属的示意图。
图18是淀积源漏金属并剥离的示意图。
图19是源漏金属实施例1的示意图。
图20是源漏金属实施例2的示意图。
图21是生长SiN掩膜介质的示意图。
图22是介质掩膜刻蚀前光刻涂胶的示意图。
图23是光刻定义刻蚀图形的示意图。
图24是介质掩膜刻蚀的示意图。
图25是介质掩膜刻蚀后去胶的示意图。
图26是介质掩膜辅助源漏刻蚀的示意图。
图27是源漏刻蚀后去除掩膜介质的示意图。
图1中的1是衬底，材料一般是蓝宝石或者碳化硅，2是GaN层，3是AlGaN层。通过离子注入并退火激活，对外延片上需要淀积源漏金属的地方进行区域性掺杂，形成重掺杂的区域6和7。采用ICP刻蚀技术将注入区部分地方的AlGaN层刻蚀掉，然后蒸发源漏金属4和5，这里采用以Ti为基础的金属体系，可以使用Ti/Pt/Au/Ti、Ti/Au、Ti/Ni/Au等金属结构。电极上的电子通过隧穿进入重掺杂的区域，从而与半导体形成欧姆接触。
具体实施方式
AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中的源漏欧姆接触方法，包括如下工艺步骤：
1）在指定区域注入掺杂离子，并且在高温下退火激活这些离子；注入区域的定义即是器件设计中的源漏区域；采用光刻的方法定义注入区域的图形，淀积金属掩膜并剥离，将需要注入的地方暴露出来，其他地方被金属掩膜保护住；注入时采用金属作为掩膜定义注入区域，注入离子采用Si离子；
2）将注入区部分地方的AlGaN势垒层刻蚀掉，然后在AlGaN被刻蚀掉的地方淀积金属直接与GaN层接触。
所述金属掩膜是Ni/Au/Ni/Au四层结构，其中第一层金属Ni的厚度是50~200nm，第二层金属Au的厚度是50~200nm，第三层金属Ni的厚度是50~200nm，第四层金属Au的厚度是50~200nm。
所述淀积金属掩膜，在其淀积金属掩膜之前生长SiN或SiO2作为保护介质，其厚度在20~100nm。
所述注入离子采用Si离子，其能量在50~150keV，剂量在1×1015/cm2~1×1016/cm2，退火激活温度在1100℃~1300℃。
所述退火前生长SiN作为保护介质，其厚度在25~150nm之间，退火过程中充入N2作为保护气体。
所述刻蚀AlGaN层采用Cl2，刻蚀深度在30~40nm，刻蚀速率控制在60nm/min，刻蚀时间控制在30~40s，刻蚀区域在注入区域之内，刻蚀区域的侧面与注入区域的侧面之间的距离在200~500nm。
所述采用光刻的方法定义刻蚀区域，曝光需要刻蚀的区域，并通过显影去掉光刻胶，使这些地方露出来，不需要刻蚀的地方被光刻胶覆盖保护住。
所述采用SiN介质作为刻蚀AlGaN的掩膜，先通过光刻定义图形并采用CF4、CF3、SF6等氟基气体刻蚀掉SiN，使这些地方的AlGaN层暴露出来，然后再使用Cl2将AlGaN刻蚀掉。
所述刻蚀掉AlGaN势垒层之后，淀积金属与GaN层直接接触，所采用的金属结构可以是以Ti为底的多层金属结构体系。
所述淀积金属的结构可以是Ti/Pt/Au/Ti，其中第一层金属Ti的厚度是20~100nm，第二层金属Pt的厚度是10~200nm，第三层金属Au的厚度是20~200nm，第四层金属Ti的厚度是10~200nm；所述淀积金属的结构也可以是Ti/Ni/Au，其中第一层金属Ti的厚度是20~500nm，第二层金属Ni的厚度是20~100nm，第三层金属Au的厚度是20~500nm。
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案：
附图2是用来制备 HEMT的AlGaN/GaN外延片结构示意图，首先在外延片表面生长保护介质SiN 9，如附图3所示，其厚度在20～200nm。
在半导体工艺中一般采用光刻的方法来定义图形，先在圆片表面滴上光刻胶，然后通过转盘高速旋转，光刻胶在离心力的作用下分布到整个片子表面，形成如图4所示的图形，17即为光刻胶。根据需要设计不同的光刻版图，对指定的区域进行曝光，然后再显影就可以形成图形，如图5所示。
通过蒸发或者溅射的方式，淀积金属，如图6所示，11表示掩膜金属。将片子浸泡在丙酮中，可以将光刻胶溶解掉，附着在光刻胶上面的金属也随之被剥离，而没有光刻胶的地方金属可以保留下来，形成如图7所示的结构。
掩膜金属一方面要能与外延片粘附较好，另一方面要有一定的致密性，阻止Si离子穿透，这里给出两种掩膜金属的实施例。一种是Ti/Ni结构，如图8-1所示，15是金属Ti，其厚度在100～1000 nm之间，16是金属Ni，其厚度在200～1000 nm之间；另一种是Ni/Au结构，如图8-2所示，17是金属Ni，其厚度在200～1000nm之间，18是金属Au，其厚度在100～1000nm之间。
注入Si离子过程如附图9所示，19表示注入Si离子，可以是垂直注入或者±7°倾斜角注入，注入Si能量在30～150keV之间，剂量在5×1014/cm2～1×1016/cm2之间。注入完成之后，将形成6和7所示的注入区，如图10所示。
注入完成之后，将介质和掩膜去除，形成如图11所示的结构。去除Ti/Ni掩膜的方法是，先用王水浸泡去除金属Ni，然后再用氢氟酸去掉Ti和SiN介质；去除Ni/Au掩膜的方法是，用王水浸泡去掉金属Ni和Au，然后再用氢氟酸去掉SiN介质。
注入区域的Si离子只是镶嵌在外延层中，需要在高温下退火激活才能与其他原子形成化学键，从而成为施主能级。这里采用快速退火的方式，激活注入区域的Si离子。退火温度在1100～1300℃之间，时间在1min～6min。Si的化学价是+4价，能够比Ga原子多提供一个电子，因此Si原子将形成施主能级，使得外延层变成n-型掺杂的。由于注入Si离子剂量在5×1014/cm2～1×1016/cm2，而激活率可以达到50%左右，激活之后载流子浓度高达2×1014/cm2～5×1015/cm2，将形成重掺杂区域。
AlGaN比GaN具有更大的亲和能和带宽，与金属接触时势垒高度更大。将金属与半导体接触处的AlGaN层刻蚀掉，使得源漏金属直接淀积在GaN层上面，能够降低接触电阻，从而更容易形成欧姆接触，这里给出两种实施例。
不合金欧姆接触实施例1，光刻胶掩膜源漏刻蚀
在片子表面涂覆光刻胶17，如图12所示。通过曝光显影定义图形，刻蚀区域在注入区域之内并且要小于注入区域，刻蚀区域的边界到注入区域边界的距离在100~500nm之间，形成如图13所示的结构。AlGaN、GaN很难被湿法腐蚀，但是可以通过干法刻蚀的方法被Cl2刻蚀掉。常用的干法刻蚀方法有RIE和ICP，这里采用ICP刻蚀的方法，将AlGaN势垒层刻蚀掉。清洗去胶之后，形成如图14所示的结构，18表示势垒层被刻蚀掉之后形成的凹陷区域。
如图15所示，涂覆光刻胶19，曝光显影定义源漏图形，如图16所示。采用蒸发或者溅射的方式淀积金属21，如图17所示。在丙酮中浸泡剥离并清洗干净，形成图18所示的结构，源漏金属4和5直接与重掺杂的GaN层6和7接触。
传统工艺中采用淀积Ti/Al/Ni/Au作为源漏金属，并在800℃以上的高温下快速退火形成欧姆接触。这里将金属淀积在重掺杂的源漏区域上，在较低的温度下合金即可形成欧姆接触。
附图19是采用Ti/Pt/Au/Ti的金属结构，其中22表示金属Ti，其厚度在10～20nm；23表示金属Pt，其厚度在30～50nm；24表示金属Au，其厚度在100～200nm；25表示金属Ti，其厚度在10～20nm。实际测量表明，采用Ti/Pt/Au/Ti的金属结构，不需经过合金，欧姆接触电阻率即可以达到0.19Ωmm，这一数值比传统工艺中850℃合金得到的接触电阻还要低。
附图20采用Ti/Au的金属结构，其中26表示金属Ti，其厚度在10～20nm；27表示金属Au，其厚度在100～200nm。
不合金欧姆接触实施2，介质掩膜源漏刻蚀
干法刻蚀GaN和AlGaN时使用的气体一般是Cl基气体，如Cl2、BCl3等；而刻蚀SiN通常采用F基气体，如SF6、CF4、CHF3等。正是基于Cl基和F基气体对SiN和GaN（AlGaN）刻蚀选择比的不同，本发明提出用SiN介质作为源漏刻蚀掩膜。
在图11去除退火保护介质之后，生长SiN掩膜介质28，如图21所示。在片子表面涂覆光刻胶29，如图22所示。通过曝光显影定义图形，刻蚀区域在注入区域之内并且要小于注入区域，刻蚀区域的边界到注入区域边界的距离在100~500nm之间，形成如图23所示的结构。
首先采用F基气体如CF4、SF6、CHF3等刻蚀SiN介质，形成如图24所示的区域，刻蚀完去胶之后的图形如图25所示，即可形成介质掩膜。再使用Cl2进行刻蚀，将AlGaN势垒层刻蚀掉，如图26所示。然后使用氢氟酸腐蚀掉掩膜介质，即可形成如图27所示的结构，与图14类似。
不论是采用图11-14所示的光刻胶掩膜还是图15-21所示的介质掩膜，均可实现源漏区域选择性刻蚀的结果，在此基础上即可实现不合金欧姆接触。源漏金属化过程与图15-图20所示过程类似，在此不再重复描述。
采用以上两种方式，均可实现金属直接与重掺杂的GaN层直接接触，不需经过合金即可实现欧姆接触，其中采用Ti/Pt/Au/Ti金属结构形成的欧姆接触电阻率低于0.2Ωmm，表面形貌平整。
在器件源漏电极下的半导体层中采用离子注入的方法注入Si离子，对注入Si离子后的半导体通过高温退火将注入的Si离子激活形成对注入区域半导体的n型重掺杂。利用干法刻蚀技术将源漏电极下的AlGaN层选择性刻蚀去除，并将源漏金属电极淀积在重掺杂的GaN层上，其中源漏金属电极与重掺杂的GaN层接触的金属可采用Ti或者其他功函数与GaN相接近的除Al以外的金属，如Ti、V等，与其他具有一定功能的金属层（金属Al除外）组成多层金属体系，如Ti/Pt/Au、Ti/Pt/Au/Ti、Ti/Au/Ti、V/Pt/Au、V/Pt/Au/Ti、V/Au/Ti等。
Claims (10)
1.AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中的源漏欧姆接触方法，其特征是该方法包括如下工艺步骤：
1）在指定区域注入掺杂离子，并且在高温下退火激活这些离子；注入区域的定义即是器件设计中的源漏区域；采用光刻的方法定义注入区域的图形，淀积金属掩膜并剥离，将需要注入的地方暴露出来，其他地方被金属掩膜保护住；注入时采用金属作为掩膜定义注入区域，注入离子采用Si离子；
2）将注入区部分地方的AlGaN势垒层刻蚀掉，然后在AlGaN被刻蚀掉的地方淀积金属直接与GaN层接触。
2.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中的源漏欧姆接触方法，其特征是所述金属掩膜是Ni/Au/Ni/Au四层结构，其中第一层金属Ni的厚度是50~200nm，第二层金属Au的厚度是50~200nm，第三层金属Ni的厚度是50~200nm，第四层金属Au的厚度是50~200nm。
3.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中的源漏欧姆接触方法，其特征是所述淀积金属掩膜，在其淀积金属掩膜之前生长SiN或SiO2作为保护介质，其厚度在20~100nm。
4.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中的源漏欧姆接触方法，其特征是所述注入离子采用Si离子，其能量在50~150keV，剂量在1×1015/cm2~1×1016/cm2，退火激活温度在1100℃~1300℃。
5.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中的源漏欧姆接触方法，其特征是所述退火前生长SiN作为保护介质，其厚度在25~150nm之间，退火过程中充入N2作为保护气体。
6.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中的源漏欧姆接触方法，其特征是所述刻蚀AlGaN层采用Cl2，刻蚀深度在30~40nm，刻蚀速率控制在60nm/min，刻蚀时间控制在30~40s，刻蚀区域在注入区域之内，刻蚀区域的侧面与注入区域的侧面之间的距离在200~500nm。
7.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中的源漏欧姆接触方法，其特征是所述采用光刻的方法定义刻蚀区域，曝光需要刻蚀的区域，并通过显影去掉光刻胶，使这些地方露出来，不需要刻蚀的地方被光刻胶覆盖保护住。
8.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中的源漏欧姆接触方法，其特征是所述采用SiN介质作为刻蚀AlGaN的掩膜，先通过光刻定义图形并采用CF4、CF3、SF6等氟基气体刻蚀掉SiN，使这些地方的AlGaN层暴露出来，然后再使用Cl2将AlGaN刻蚀掉。
9.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中的源漏欧姆接触方法，其特征是所述刻蚀掉AlGaN势垒层之后，淀积金属与GaN层直接接触，所采用的金属结构可以是以Ti为底的多层金属结构体系。
10.根据权利要求9所述的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管中的源漏欧姆接触方法，其特征是所述淀积金属的结构可以是Ti/Pt/Au/Ti，其中第一层金属Ti的厚度是20~100nm，第二层金属Pt的厚度是10~200nm，第三层金属Au的厚度是20~200nm，第四层金属Ti的厚度是10~200nm；所述淀积金属的结构也可以是Ti/Ni/Au，其中第一层金属Ti的厚度是20~500nm，第二层金属Ni的厚度是20~100nm，第三层金属Au的厚度是20~500nm。
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