CN109037050B - 基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法 - Google Patents
基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法。该方法包括：光刻形成源漏电极图形；对源漏电极图形处的GaN基外延进行表面处理；沉积无金源漏电极金属层，剥离形成源漏电极；对沉积源漏电极后的GaN基HEMT进行退火处理，形成无金源漏欧姆接触电极。本发明采用低温磁控溅射TiN薄膜，通过后期退火合金促进TiN重新结晶并与其它电极金属发生固相反应，使低温溅射TiN的导电性大大提升，避免高温制备TiN薄膜过程，有利于降低工艺温度、简化工艺流程，提升工艺兼容性，有助于降低GaN基HEMT器件的制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件，特别是涉及一种基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极制备方法，该无金欧姆接触电极可用于电力电子和微波通信等领域。
背景技术
GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)在高压、高频、大功率半导体激光器件以及高性能紫外探测器等领域有广泛的应用前景。然而，较高的成本限制了HEMT器件的广泛应用。降低HEMT 的制造成本的一个方法是实现HEMT在Si‐CMOS工艺线的大规模生产。高质量欧姆接触是确保 HEMT达到最佳器件性能的关键因素。常规HEMT器件的欧姆和肖特基接触工艺中采用的有金接触金属，会造成Au对CMOS工艺线的污染。因此，HEMT无金欧姆接触技术是提高HEMT器件可靠性和实现Si‐CMOS工艺线的大规模制造的关键。
氮化钛(TiN)是过渡金属氮化物，它由离子键、金属键和共价键混合而成，它具有高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱侵蚀、耐磨损以及良好的导电性和导热性，是替代Au作为欧姆接触金属的极佳材料。目前，高性能TiN薄膜通常是在较高的基底温度(300～700℃)下通过磁控溅射方式沉积的。然而，在高温环境下沉积欧姆金属与传统金属剥离工艺不兼容，只能通过金属刻蚀、特殊掩膜设计等方法形成电极图形，电极制备工艺复杂性增加，并可能对器件造成不良影响，如刻蚀损伤、高温下金属‐半导体间的固相反应等。此外，高温磁控溅射沉积金属及其合金薄膜，后续降温时间较长，制备成本增加且效率下降，不利于大规模工业化生产。
发明内容
本发明目的在于克服TiN薄膜高温沉积过程存在的缺陷，通过低温磁控溅射TiN薄膜并将后期退火与欧姆接触退火过程相结合，制备基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，促进低温磁控溅射TiN薄膜的重新结晶及欧姆金属的合金过程，有效避免退火过程中欧姆金属的氧化，提升欧姆金属的导电性和抗性，同时降低工艺温度、简化工艺流程，解决了AlGaN/GaN异质结HEMT 与Si‐CMOS工艺兼容的技术瓶颈，有助于降低AlGaN/GaN异质结HEMT的制造成本。
而低温磁控溅射方法沉积TiN薄膜可以有效地解决高温沉积过程导致的系列问题。
本发明的目的至少通过如下技术方案实现：
基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，包括如下步骤：
1)源漏电极图形：通过光刻工艺在GaN基外延层上定义源漏电极图形区域；光刻掩模覆盖在GaN基外延层上除源漏电极图形区域以外的区域；
2)表面处理：对源漏电极图形区域进行表面处理；
3)沉积电极材料：通过磁控溅射的方式沉积无金的源漏电极金属层，无金的源漏电极金属层是用磁控溅射的方法在GaN基外延层表面上依次溅射Ti金属、Al金属、TiN金属或TiN多层金属；Ti金属、Al金属、TiN或TiN多层金属组成源漏电极，源漏电极包括间隔设置的源电极和漏电极；其中，溅射TiN金属或TiN多层金属采用低温反应磁控溅射的方法沉积，溅射气体为氩气和/或氮气，溅射靶材为Ti靶，基底温度为25～100℃，溅射功率为100～250W，所沉积TiN金属或TiN多层金属的厚度为20～200nm；所述基底为经过步骤2)处理后的GaN基外延层；
4)剥离：对步骤3)所得沉积电极材料通过剥离工艺去除光刻掩模以及光刻掩模上面的无金源漏电极金属层，留下源漏电极图形处的无金源漏电极金属层，形成源漏电极；
5)退火：对步骤4所得的源漏电极进行退火，TiN重新结晶并与Ti金属和Al金属发生固相反应，使源漏电极与GaN基外延形成欧姆接触；所述退火的气体氛围为氮气，所述退火的温度为800～900℃。
为进一步实现本发明目的，优选地，所述的对源漏电极图形区域进行表面处理是利用酸碱溶液清洗源漏电极图形区域表面氧化物或金属，或利用有机溶剂清洗源漏电极图形区域表面有机物，或采用干法刻蚀移除部分本征势垒层。
优选地所述的源漏电极为Ti/Al/TiN，或Ti/Al/Ti/TiN，或Ti/Al/Ti/TiN/Ti/TiN的多层金属体系。
优选地所述的源漏电极为Ti/Al/TiN时，Ti、Al和TiN的厚度分别为20nm、100nm、100nm。
优选地所述的源漏电极为矩形或圆形。
优选地所述的GaN基外延层为由从下至上的衬底、氮化物成核层、氮化物缓冲层、GaN沟道层和本征势垒层组成。
优选地所述的衬底、氮化物成核层、氮化物缓冲层、GaN沟道层和本征势垒层的厚度分别为 0.5‐2mm、0.2‐1μm、600‐2400nm、100‐500nm和10‐30nm。
优选地所述的衬底的材质为蓝宝石、硅、碳化硅或GaN；氮化物成核层的材质为GaN或AlN；氮化物缓冲层的材质为GaN、AlGaN、渐变组分AlGaN或其组合；本征势垒层的材质为AlGaN或 InAlN。
优选地所述的退火的时间为30s～5min。
优选地所述的溅射选取直流磁控溅射模式。
本发明无金的源漏电极金属层的材料包括底层金属、表层金属等多层金属，其中底层金属为 Ti、Al等多层金属，表层金属为低温磁控溅射TiN或TiN多层金属，形成Ti/Al/TiN、Ti/Al/Ti/TiN、 Ti/Al/Ti/TiN/Ti/TiN等多层金属体系，通过退火合金工艺促进TiN薄膜重新结晶，并使多层金属体系与AlGaN或InAlN本征势垒层形成欧姆接触。本发明采用低温磁控溅射TiN薄膜，低温磁控溅射TiN薄膜采用反应磁控溅射的方法沉积，选取直流磁控溅射模式，溅射气体为氩气和氮气，溅射靶材为Ti靶，基底温度为25～100℃，溅射功率为100～250W，所沉积TiN金属或TiN多层金属厚度为20～200nm；通过后期退火合金促进TiN重新结晶并与其它电极金属发生固相反应，使低温溅射TiN的导电性大大提升，避免高温制备TiN薄膜过程。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明采用低温磁控溅射TiN薄膜，通过后期退火合金促进TiN重新结晶并与其它电极金属发生固相反应，使低温溅射TiN的导电性大大提升。
本发明避免了高温制备TiN薄膜过程，降低了工艺温度和工艺复杂程度，简化了工艺流程，同时低温提升了工艺的兼容性，有助于降低GaN基HEMT器件的制造成本。
附图说明
图1为本发明基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极结构示意图。
图2为实施例中步骤一经过光刻工艺后形成源漏电极图形的示意图；
图3为实施例中步骤三沉积无金的源漏电极金属层后的示意图；
图4为实施例1的基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极测试的IV曲线。
图中示出：GaN基外延1、Ti金属2、Al金属3、TiN或TiN多层金属4、源漏电极图形区域 5、光刻掩模6。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此；需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或工艺参数，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
如图1所示，基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，包括GaN基外延1、Ti金属2、Al金属3、TiN或TiN多层金属4；GaN基外延1的从下至上包括衬底、氮化物成核层、氮化物缓冲层、GaN沟道层和本征势垒层。优选衬底、氮化物成核层、氮化物缓冲层、GaN沟道层和本征势垒层的厚度分别为0.5‐2mm、0.2‐1μm、600‐2400nm、100‐500nm和10‐30nm。衬底的材质优选为蓝宝石、硅、碳化硅或GaN；氮化物成核层的材质优选为GaN或AlN；氮化物缓冲层的材质优选为GaN、AlGaN、渐变组分AlGaN或其组合；本征势垒层的材质优选为AlGaN或InAlN。Ti金属2、Al金属3、TiN或TiN多层金属4通过低温磁控溅射方法沉积。Ti金属2、Al金属3、TiN或TiN多层金属4组成源漏电极。源漏电极包括间隔设置的源电极和漏电极，源漏电极可以为矩形，圆形或其他形状，多个间隔设置的源漏电极设置在GaN基外延1上。
实施例1
如图1～图3所示，一种基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，步骤如下：
步骤一，源漏电极图形。通过光刻工艺在GaN基外延层1上定义无金的源漏电极图形区域5，光刻掩模6覆盖GaN基外延层1上除无金的源漏电极图形区域5以外的区域，如图2所示。
步骤二，表面处理。对源漏电极图形区域5进行表面处理，利用稀盐酸溶液清洗源漏电极图形5处的表面氧化物；
步骤三，沉积电极材料。通过磁控溅射的方式沉积无金源漏电极金属层，具体来说，无金源漏电极金属层是用磁控溅射的方法，依次在步骤二制备的样品的表面溅射的Ti金属2、Al金属3、 TiN金属4，其中，Ti金属2、Al金属3、TiN金属4的厚度分别为20nm、100nm、100nm，形成 Ti/Al/TiN多层金属体系，如图3所示。低温磁控溅射TiN薄膜采用反应磁控溅射的方法沉积，选取直流磁控溅射模式，溅射气体为氩气和氮气，氮气和氩气流量比为1：40，溅射靶材为Ti靶，基底温度为35℃，溅射功率为150W，所沉积TiN薄膜厚度为100nm。基底为进过步骤二处理后的GaN基外延层。
步骤四，剥离。通过剥离工艺，去除光刻掩模6以及光刻掩模6上面的Ti金属2、Al金属3、 TiN金属4，留下源漏电极图形区域5的Ti金属2、Al金属3、TiN金属4，形成源漏电极，如图 1所示。
步骤五，退火。将样品置于纯氮气氛围下，在850摄氏度的温度中退火，退火时间为30s，促进TiN重新结晶并与其它电极金属发生固相反应，同时使源漏电极与GaN基外延形成欧姆接触。
步骤二中，源漏电极图形区域5是多个间隔的区域；需要说明的是，源漏电极图形区域5 并非沉积的区域，而是整个表面上沉积，然后通过剥离工艺，将光刻掩模和光刻掩模上面的Ti、 Al、TiN去掉，只留下源漏电极图形区域5的Ti、Al、TiN，这些留下的Ti、Al、TiN就是源漏电极。
对本实施例制备的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的进行IV测试，得到图4的I‐V曲线。图4中横坐标为电压，单位为V，纵坐标为电流，单位为A。实线为常规的具有高温制备的TiN 薄膜的电极的电流曲线，虚线为本实施例的具有低温磁控溅射TiN薄膜的电极的电流曲线；从图中可见，本实施例的样品IV曲线线性，源漏电极和GaN基外延形良好的成欧姆接触，同时，在相同电压下，电流更大。常规的具有高温制备的TiN薄膜的电极的比接触电阻率为3.93E‐04Ω·cm2，而本实施例的具有低温磁控溅射TiN薄膜的电极的比接触电阻率为2.55E‐04Ω·cm2。
实施例2
步骤一，源漏电极图形。通过光刻工艺在GaN基外延层上定义无金源漏电极图形区域5，光刻掩模6覆盖GaN基外延层1上除无金源漏电极图形区域5以外的区域。
步骤二，表面处理。对源漏电极图形区域5进行表面处理，利用稀盐酸溶液清洗源漏电极图形区域5处的表面氧化物；
步骤三，沉积电极材料。通过磁控溅射的方式沉积无金源漏电极金属层，具体来说，无金源漏电极金属层是用磁控溅射的方法依次在步骤二制备的样品的表面表面溅射的Ti金属2、Al金属 3、TiN金属4，厚度分别为20nm、100nm、100nm，形成Ti/Al/TiN多层金属体系。其中，低温磁控溅射TiN薄膜采用反应磁控溅射的方法沉积，选取直流磁控溅射模式，溅射气体为氩气和氮气，氮气和氩气流量比为1：40，溅射靶材为Ti靶，基底温度为35℃，溅射功率为150W，所沉积TiN薄膜厚度为100nm。基底为进过步骤二处理后的GaN基外延层。
步骤四，剥离。通过剥离工艺，去除光刻掩模6以及光刻掩模6上面的Ti金属2、Al金属3、 TiN金属4，留下源漏电极图形区域5处的Ti金属2、Al金属3、TiN金属4，形成源漏电极。
步骤五，退火。将样品置于纯氮气氛围下，在900摄氏度的温度中退火，退火时间为3min，促进TiN重新结晶并与其它电极金属发生固相反应，同时使源漏电极与GaN基外延形成欧姆接触。
本实施例2与实施例1相比，低温磁控溅射TiN金属4的退火的温度更高、时间更长，TiN 重新结晶并与其它电极金属发生固相反应更充分，源漏电极的欧姆接触更好、电流更大，比接触电阻率为3.19E‐05Ω·cm2。。
实施例3
步骤一，源漏电极图形。通过光刻工艺在GaN基外延层上定义无金源漏电极图形区域5，光刻掩模6覆盖GaN基外延层1上除无金源漏电极图形区域5以外的区域。
步骤二，表面处理。对源漏电极图形区域5进行表面处理，利用稀盐酸溶液清洗源漏电极图形区域5处的表面氧化物；
步骤四，沉积电极材料。通过磁控溅射的方式沉积无金源漏电极金属层具体来说，无金源漏电极金属层是用磁控溅射的方法依次在步骤二制备的样品的表面溅射的Ti金属2、Al金属3、TiN 金属4，厚度分别为20nm、100nm、100nm，形成Ti/Al/TiN多层金属体系。其中，低温磁控溅射TiN薄膜采用反应磁控溅射的方法沉积，选取直流磁控溅射模式，溅射气体为氩气和氮气，氮气和氩气流量比为1：40，溅射靶材为Ti靶，基底温度为60℃，溅射功率为250W，所沉积TiN 薄膜厚度为100nm。
步骤四，剥离。通过剥离工艺，去除光刻掩模6以及光刻掩模6上面的Ti金属2、Al金属3、 TiN金属4，留下源漏电极图形区域5处的Ti金属2、Al金属3、TiN金属4，形成源漏电极。
步骤五，退火。将样品置于纯氮气氛围下，在850摄氏度的温度中退火，退火时间为30s，促进TiN重新结晶并与其它电极金属发生固相反应，同时使源漏电极与GaN基外延形成欧姆接触。
本实施例2与实施例1相比，低温磁控溅射TiN金属4的温度更高、功率更大，TiN金属4 的导电性更好，源漏电极的欧姆接触更好、电流更大，比接触电阻率为1.03E‐04Ω·cm2。
该欧姆接触电极是一种基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，通过低温磁控溅射方法沉积TiN薄膜，并利用后期适当的退火促进TiN薄膜重新结晶并与其他金属形成合金，降低薄膜电阻率，改善薄膜性能。将后期退火与欧姆接触退火过程相结合，不仅大大改善TiN薄膜的质量，也对欧姆接触性能有明显的提升作用。与高温制备的TiN薄膜相比，源漏电极的欧姆接触更好、电流更大。本发明避免了高温制备TiN薄膜过程，降低了工艺温度和工艺复杂程度，简化了工艺流程，同时低温提升了工艺的兼容性，有助于降低GaN基HEMT器件的制造成本。
实施例不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）源漏电极图形：通过光刻工艺在GaN基外延层上定义源漏电极图形区域；光刻掩模覆盖在GaN基外延层上除源漏电极图形区域以外的区域；
2）表面处理：对源漏电极图形区域进行表面处理；
3）沉积电极材料：通过磁控溅射的方式沉积无金的源漏电极金属层，无金的源漏电极金属层是用磁控溅射的方法在GaN基外延层表面上依次溅射Ti金属、Al金属、TiN金属或TiN多层金属；Ti金属、Al金属、TiN或TiN多层金属组成源漏电极，源漏电极包括间隔设置的源电极和漏电极；其中，溅射TiN金属或TiN多层金属采用低温反应磁控溅射的方法沉积，溅射气体为氩气和/或氮气，溅射靶材为Ti靶，基底温度为25~100℃，溅射功率为100~250W，所沉积TiN金属或TiN多层金属的厚度为20~200nm；所述基底为经过步骤2）处理后的GaN基外延层；所述的源漏电极为Ti/Al/ TiN，或Ti/Al/Ti/TiN，或Ti/Al/Ti/TiN/Ti/TiN的多层金属体系；
4）剥离：对步骤3）所得沉积电极材料通过剥离工艺去除光刻掩模以及光刻掩模上面的无金源漏电极金属层，留下源漏电极图形处的无金源漏电极金属层，形成源漏电极；
5）退火：对步骤4）所得的源漏电极进行退火，TiN重新结晶并与Ti金属和Al金属发生固相反应，使源漏电极与GaN基外延形成欧姆接触；所述退火的气体氛围为氮气，所述退火的温度为800~900℃。
2.根据权利要求1所述的基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，所述的对源漏电极图形区域进行表面处理是利用酸碱溶液清洗源漏电极图形区域表面氧化物或金属，或利用有机溶剂清洗源漏电极图形区域表面有机物，或采用干法刻蚀移除部分本征势垒层。
3.根据权利要求1所述的基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，所述的源漏电极为Ti/Al/ TiN时，Ti、Al和TiN的厚度分别为20nm、100nm、100nm。
4.根据权利要求1所述的基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，所述的源漏电极为矩形或圆形。
5.根据权利要求1所述的基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，所述的GaN基外延层为由从下至上的衬底、氮化物成核层、氮化物缓冲层、GaN沟道层和本征势垒层组成。
6.根据权利要求5所述的基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，所述的衬底、氮化物成核层、氮化物缓冲层、GaN沟道层和本征势垒层的厚度分别为0.5-2mm、0.2-1μm、600-2400nm、100-500 nm和10-30 nm。
7.根据权利要求5所述的基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，所述的衬底的材质为蓝宝石、硅、碳化硅或GaN；氮化物成核层的材质为GaN或 AlN；氮化物缓冲层的材质为GaN、AlGaN或其组合；本征势垒层的材质为AlGaN或InAlN。
8.根据权利要求7所述的基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，氮化物缓冲层中的AlGaN为渐变组分AlGaN。
9.根据权利要求1所述的基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，所述的退火的时间为30s~5min。
10.根据权利要求1所述的基于TiN的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，其特征在于，所述的溅射选取直流磁控溅射模式。
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