CN108364864A - AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：(1)利用光刻技术，AlGaN/GaN异质结外延片表面制备出源漏欧姆接触窗口；(2)采用ICP刻蚀的方法，对欧姆接触区域进行干法刻蚀，完全去除AlGaN层，并刻蚀至GaN沟道层往下5～20nm处；(3)在源漏区域依次沉积金属Al层、金属Ti层、金属Au层；(4)去胶剥离后，于600～750℃进行合金退火处理，形成欧姆接触电极。相比于传统欧姆接触电极金属体系，本发明的欧姆接触电极合金温度下降了200℃左右，降低了工艺难度，合金后的欧姆接触表面形貌更加平整。
Description
技术领域
本发明涉及GaN基HEMT器件，特别涉及AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法。
背景技术
GaN材料作为第三带半导体的代表，是继Si、GaAs材料之后的一种重要半导体材料，由于具有大禁带宽度、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，受到研究者的广泛关注。其中GaN基异质结(如AlGaN/GaN)高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)在微波及毫米波领域所展现出来的优异性能，使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。
GaN基HEMT器件在制造工艺过程中，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电子束蒸发、磁控溅射等方法在GaN基材料表面堆叠钛/铝/高熔点金属/金(Ti/Al/Metal/Au)多层金属体系，而后高温合金形成欧姆接触。
在高温退火过程中，金属Ti与氮化物发生反应，分解AlGaN表面的氧化物，在界面层生成TiN和AlTi2N合金，使势垒层出现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，电子容易通过隧道进入沟道层，从而获得低的欧姆接触电阻率，同时Al和Ti形成TiAl3晶相的钛铝合金，既能阻止Ti进一步氧化，也能防止上层金属往下扩散与半导体形成肖特基接触，进一步降低了欧姆接触电阻率。Ti/Al/Metal/Au多层金属体系中的Metal被称为“阻挡层”，作用是阻止上层Au往下扩散，Au与Al反应会形成具有高电阻值的合金。Au的作用是防止内层金属氧化，降低欧姆接触电阻率及提高稳定性。
对于广泛采用的Ti/Al/Metal/Au多层金属体系，由于其金属体系复杂，其金属比例、金属层厚度、退火温度和时间对欧姆接触影响很大，目前，文献报道基本都是采用Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au和Ti/Al/Ta/Au等，其合金温度一般高达800～950℃甚至更高，导致工艺难度增大。又由于金属Al层一般要求100nm以上的厚度，从现有结果来看，大厚度高活性的Al层在高温退火后使得电极表面粗糙度及边缘齐整度不够理想，有待改进。
与此同时，与AlGaN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)替代的相关研究。此外，还有关于欧姆接触区干法刻蚀以及刻蚀后二次外延生长n-GaN的欧姆接触研究，所有这些努力都是致力于降低欧姆接触电阻率和提高电极表面形貌及边缘齐整度，以提高器件性能及稳定性。但是很明显，采用复合金属层和金属接触区刻蚀、再生长都无疑增加了器件的制造成本和工艺复杂度，这对器件工艺的稳定性是不利的。最近，有研究者也采用Al作为金半接触金属，以实现低温欧姆接触，但是由于AlGaN势垒层中的Al组分阻碍了接触金属Al与半导体的互扩散，形成的欧姆接触性能不佳。综上所述，从GaN器件使用推广的角度来说，在保证欧姆接触性能的前提下，尽量减小金属体系的层数、金属种类、退火温度和工艺复杂度是人们努力的方向。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种AlGaN/GaNHEMT器件欧姆接触电极的制备方法，降低了工艺难度，同时改变Al、Ti金属的相对位置以及大大降低了Al层的厚度，使合金后的欧姆接触表面形貌更加平整。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，沉积欧姆接触电极前，采用ICP刻蚀的方法将欧姆接触区域AlGaN势垒层全部刻蚀；欧姆接触电极沉积采用三层结构的Al/Ti/Au结构，与刻蚀侧壁及底部GaN形成金半接触界面的是Al。
所述的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用光刻技术，在AlGaN/GaN异质结外延片表面制备出源漏欧姆接触窗口；
(2)采用ICP刻蚀的方法，对欧姆接触区域进行干法刻蚀，完全去除AlGaN层，并刻蚀至GaN沟道层往下5～20nm处；
(3)在源漏区域依次沉积金属Al层、金属Ti层、金属Au层；
(4)去胶剥离后，于600～750℃进行合金退火处理，形成欧姆接触电极。
步骤(2)所述刻蚀深度为至GaN沟道5～20nm处。
步骤(3)所述金属Al层的厚度为10～20nm。
步骤(3)所述金属Ti层的厚度为20～60nm。
步骤(3)所述属Au层的厚度为40～100nm。
所述的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，步骤(3)所述沉积为热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射沉积。
步骤(4)所述退火处理为在氮气气氛或真空中进行合金退火，退火时间为60～120s。
所述真空的真空度为10-2Pa以下。
本发明欧姆接触的金属体系采用Al/Ti/Au三层欧姆接触金属技术，可以采用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射的方式形成，和AlGaN势垒层接触的部分依次是Al、Ti、Au三层结构。区别于传统Ti/Al/Ni/Au金属体系，本发明中与AlGaN势垒层直接接触的第一层为Al层，由于AlN热力学生成焓较低，Al在较低的合金温度(575℃)下可以和AlGaN反应生成AlN，与传统的金属Ti起到类似的作用，使AlGaN势垒层中产生氮空位，提高载流子浓度，降低欧姆接触电阻率。并且，本发明在金属沉积前采用ICP刻蚀的方法去除AlGaN层，增加半导体表面N空位，使金属与2EDG直接接触，有利于欧姆接触的形成。此外，本发明将Al置于Ti的下方，且Al层可以采用20nm以下的薄层，这种结构加大了对Al的阻挡作用，Ti和Al形成合金的同时有效防止了Al的外溢，改善了合金后欧姆接触电极的表面形貌。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极在600～750℃之间，60～120s范围内获得理想一致的欧姆接触，相比于传统欧姆接触金属体系，本发明的合金温度下降了200℃左右，降低了工艺难度，同时改变Al、Ti金属的相对位置以及大大降低了Al层的厚度，使合金后的欧姆接触表面形貌更加平整。
附图说明
图1为本发明的实施例的欧姆接触金属体系的结构示意图；
图2为本发明的实施例的TLM测试结果曲线图及方程式；
图3为本发明的实施例的欧姆接触电极的SEM照片。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用光刻技术，在A lGaN/GaN异质结外延片表面制备出源漏欧姆接触窗口；
(2)采用ICP刻蚀的方法，对欧姆接触区域进行干法刻蚀，完全去除AlGaN层，并刻蚀至GaN沟道层往下5nm处；
(3)采用电子束蒸发的方法，在源漏区域依次沉积金属Al层、金属Ti层、金属Au层；所述金属Al层的厚度为10nm；所述金属Ti层的厚度为20nm；所述属Au层的厚度为40～100nm。
(4)在10-2Pa以下的真空环境中进行合金退火处理，10℃/s升温至600℃保温90s，形成欧姆接触电极。
本实施例制备得到的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极结构如图1所示，从下至上依次包括金属Al层1、金属Ti层2、金属Au层3。
图2为本实施例的欧姆接触采用TLM方法测得的L-R曲线图，由曲线方程计算可知，本实施例制备的低温欧姆接触电阻为1.2Ω·mm，比接触电阻率为3.36E-5Ω·cm2。
图3为本实施例的欧姆接触的SEM照片，由该金属体系和该退火制度制备的欧姆接触得到了平整的表面形貌。
实施例2
本实施例的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用光刻技术，在AlGaN/GaN异质结外延片表面制备出源漏欧姆接触窗口；
(2)采用ICP刻蚀的方法，对欧姆接触区域进行干法刻蚀，完全去除AlGaN层，并刻蚀至GaN沟道层往下20nm处；
(3)采用热蒸发的方法，在源漏区域依次沉积金属Al层、金属Ti层、金属Au层；所述金属Al层的厚度为20nm；所述金属Ti层的厚度为60nm；所述属Au层的厚度为100nm。
(4)在10-2Pa以下的真空环境中进行合金退火处理，10℃/s升温至750℃保温90s，形成欧姆接触电极。
本实施例制备得到的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触测试结果与实施例1类似，在此不再赘述。
实施例3
本实施例的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用光刻技术，在AlGaN/GaN异质结外延片表面制备出源漏欧姆接触窗口；
(2)采用ICP刻蚀的方法，对欧姆接触区域进行干法刻蚀，完全去除AlGaN层，并刻蚀至GaN沟道层往下10nm处；
(3)采用磁控溅射的方法，在源漏区域依次沉积金属Al层、金属Ti层、金属Au层；所述金属Al层的厚度为15nm；所述金属Ti层的厚度为40nm；所述属Au层的厚度为70nm。
(4)在10-2Pa以下的真空环境中进行合金退火处理，10℃/s升温至600℃保温90s，形成欧姆接触电极。
本实施例制备得到的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触测试结果与实施例1类似，在此不再赘述。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，沉积欧姆接触电极前，采用ICP刻蚀的方法将欧姆接触区域AlGaN势垒层全部刻蚀；欧姆接触电极沉积采用三层结构的Al/Ti/Au结构，与刻蚀侧壁及底部GaN形成金半接触界面的是Al。
2.根据权利要求1所述的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用光刻技术，在AlGaN/GaN异质结外延片表面制备出源漏欧姆接触窗口；
(2)采用ICP刻蚀的方法，对欧姆接触区域进行干法刻蚀，完全去除AlGaN层，并刻蚀至GaN沟道层往下5～20nm处；
(3)在源漏区域依次沉积金属Al层、金属Ti层、金属Au层；
(4)去胶剥离后，于600～750℃进行合金退火处理，形成欧姆接触电极。
3.根据权利要求2所述的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述刻蚀深度为至GaN沟道5～20nm处。
4.根据权利要求2所述的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述金属Al层的厚度为10～20nm。
5.根据权利要求2所述的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述金属Ti层的厚度为20～60nm。
6.根据权利要求2所述的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述属Au层的厚度为40～100nm。
7.根据权利要求4～6任一项所述的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述沉积为热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射沉积。
8.根据权利要求2所述的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述退火处理为在氮气气氛或真空中进行合金退火，退火时间为60～120s。
9.根据权利要求8所述的AlGaN/GaN HEMT器件欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，所述真空的真空度为10-2Pa以下。
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