CN109742021B

CN109742021B - 一种氮化镓基欧姆接触结构及其制备方法

Info

Publication number: CN109742021B
Application number: CN201811602317.7A
Authority: CN
Inventors: 刘煦冉; 程海英; 王敬; 宋东波
Original assignee: Wuhu Qidi Semiconductor Co ltd; Tsinghua University
Current assignee: Wuhu Qidi Semiconductor Co ltd; Tsinghua University
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2021-09-28
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: CN109742021A

Abstract

本发明的公开了一种氮化镓基欧姆接触结构及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：提供表层为In_xAl_yGa_1‑x‑yN的材料，通过共溅射的方法在所述In_xAl_yGa_1‑x‑yN的材料表面沉积第一复合金属层，所述第一复合金属层为Ta/Ti/Al复合金属层或Ta/Al复合金属层；将沉积完成的材料在500～1500℃退火，形成欧姆接触。并根据此种制备方法形成氮化镓基欧姆接触结构。这种结构设置可增加金属共融的程度，同时可避免Ta、Ti成为Al金属向下扩散时的阻挡层，以此降低合金退火的温度，并得到更平整的欧姆接触电极表面和更低的欧姆接触电阻率。

Description

一种氮化镓基欧姆接触结构及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种氮化镓基欧姆接触结构及其制备方法。

背景技术

作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强高，热导率高，耐腐蚀和抗辐射性能优异等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。另外，GaN还具有优良的电子特性，可以和AlGaN形成调制掺杂的AlGaN/GaN异质结构，获得比第二代化合物半导体异质结构更高的二维电子气(2DEG)密度，电子浓度高达10¹²～10¹³cm^-1，电子迁移率高达2000cm²/V·s，被誉为是研制微波功率器件的理想材料。因此，基于AlGaN/GaN异质结的微波功率器件在高频率、高功率的无线通信、雷达等领域具有非常好的应用前景。

由于GaN具有宽禁带的特点，同时具有较高的表面态密度，制备稳定且高性能的欧姆接触一直是业界讨论的难点之一。典型方法制作氮化镓欧姆接触常常采用Ti/Al/Ni/Au依次层叠作为接触电极，需退火至800℃以上，方能得到比较理想的接触电阻率。但是高温下Al容易聚球，从而形成十分粗糙的表面；同时，即使在存在阻挡层的情况下，Au尖钉仍然可以穿透下面的金属堆叠并有可能到达金属/半导体界面，这导致可靠性降低。另一种方法是在高温硅离子注入、高温退火后积淀电极，形成高掺杂的半导体表面来改善欧姆接触的性能。采用高温硅离子注入制作氮化镓欧姆接触虽然能够获得理想的接触电阻率，但此方法对设备的要求较高，于是也就造成成本更高，且工艺复杂、兼容性较差。所以，虽然硅离子注入的方法形成GaN欧姆接触的性能和可靠性相对较高，但叠层金属高温退火的方法一直是业界的主流。降低退火温度、降低接触电阻率和得到更为平整的表面是GaN欧姆接触金属高温退火工艺的发展方向。

Ti/Al/Ni/Au是氮化镓欧姆接触中研究得比较成熟的体系。在Ti/Al/Ni/Au高温退火形成氮化镓欧姆接触的过程中，Ti与半导体表面的N发生反应形成稳定的化合物TiN，使得氮化镓表面形成氮空位，相当于一种n型掺杂，有利于利用半导体薄势垒的隧穿电流形成欧姆接触；同时，Al的功函数较低，可以直接渗入氮化镓表面形成欧姆接触；另外，有研究认为Ta基的氮化镓欧姆接触也能够得到低的接触电阻率，其形成机理与Ti类似，通过与半导体表面的N发生反应形成稳定的化合物TaN，且由于Ta是一种难熔金属，Ta基的氮化镓欧姆接触能够得到更平整的表面。综上所述可以看出，在形成氮化镓欧姆接触的过程中，Ta、Ti与Al均需要与半导体表面发生反应，同时两者或三者之间发生共晶或共融的反应。但在依次沉积Ti/Al或Ta/Al金属的工艺中，由于受到Ti和Ta高熔点的限制，这两种金属可能形成Al材料向下扩散时的阻挡层，制约了工艺参数调试时三种金属厚度的比例以及所形成的氮化镓欧姆接触的性能。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，能够以较低的成本和工艺难度，制备出低接触电阻率且表面平整的氮化镓基欧姆接触。通过共溅射的方法在氮化镓基材料之上沉积一层混合金属的欧姆接触电极，然后通过退火，使金属电极与氮化镓基材料之间形成欧姆接触。

本发明的另一目的在于提供一种根据上述制备方法形成的氮化镓基欧姆接触结构，在该种结构中，与氮化镓基材料接触的金属是处于高度混合状态的复合金属，故在高温退火时这种复合金属的共融程度高，使得体系能在更低的退火温度下发生充分的共融、互溶反应，获得表面平坦的欧姆接触电极；同时该复合金属层也避免了高熔点金属Ta、Ti阻挡金属Al向下扩散，使得金属Al能在较低的温度下向氮化镓表面渗透形成欧姆接触。

本发明采取的技术方案为：

一种氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤S0：提供表层为In_xAl_yGa_1-x-yN的材料，其中0≤x<1，0≤y<1，且x+y<1；

步骤S1：通过共溅射的方法在所述In_xAl_yGa_1-x-yN的材料表面沉积第一复合金属层，所述第一复合金属层为Ta/Ti/Al复合金属层或Ta/Al复合金属层；

步骤S2：将沉积完成的材料在500～1500℃退火，形成欧姆接触；优选的，在500～800℃退火，形成欧姆接触。

进一步地，在步骤S1之后，在步骤S2之前，还包括：

步骤S12：在所述第一复合金属层上使用溅射或蒸发方法由下至上依次形成Al层和金属帽层。

进一步地，在步骤S1之后，在步骤S12之前，还包括：

步骤S11：在所述第一复合金属层上继续使用共溅射方法形成第二复合金属层，所述第二复合金属层为Ti/Al复合金属层。

所述步骤S2中，退火时间为1ms～300s；退火的氛围为氩气、氮气、氢气中的一种或几种的组合。优选的，在氮气氛围下使用高温快速退火炉退火30-60s，以实现通过较低的成本和工艺难度，制备出低接触电阻率且表面平整的氮化镓基欧姆接触。

所述第一复合金属层的厚度为3～15nm；Ta/Ti/Al复合金属层中，Ta、Al的原子百分比分别为25～70％、20～50％，其余为Ti，三者原子百分比总和为100％。Ta/Al复合金属层中，Al的原子百分比为20～50％。

所述第二复合金属层厚度为35～50nm，其中Al的原子百分比为60％～80％。

所述Al层厚度为100-200nm；所述金属帽层厚度为50-200nm；所述金属帽层为Ta、W、TiW或TiN的一种或几种的组合。

所述制备方法适用于表层为In_xAl_yGa_1-x-yN的材料；优选的，所述表层为In_xAl_yGa_1-x-yN材料的结构由下至上依次包括衬底、氮化物成核层、氮化物缓冲层、氮化物沟道层、In_xAl_yGa_1-x-yN势垒层；所述In_xAl_yGa_1-x-yN材料结构中，0≤x<1，0≤y<1，且x+y<1；优选的，0≤x≤0.45，0≤y≤0.45。

本发明还提供了根据上述的制备方法形成的氮化镓基欧姆接触结构。

本发明公开的氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，通过共溅射的方法在表层为In_xAl_yGa_1-x-yN的材料上沉积Ta/Ti/Al或Ta/Al复合金属层，然后使用溅射或蒸发方法依次沉积Al层及金属帽层。其中在Ta/Ti/Al或Ta/Al复合金属层与Al层中间，还可设置一层通过共溅射镀方法沉积的Ti/Al复合金属层。区别于传统的Ta层、Ti层、Al层叠金属体系，本发明公开的制备方法中，是通过共溅射的方式在In_xAl_yGa_1-x-yN材料之上沉积第一复合金属层，即Ta/Ti/Al或Ta/Al复合金属层。与In_xAl_yGa_1-x-yN材料接触的金属中，Ti与Ta与半导体表面的N反应生成稳定的化合物TiN或TaN，使In_xAl_yGa_1-x-yN势垒层中产生氮空位，形成重掺杂的表面从而提高载流子的浓度，降低欧姆接触的电阻率；Al则直接渗透到半导体表面形成欧姆接触。本发明在第一复合金属层中掺杂一定体积的Al，这样不仅可以提高金属的共融程度，还可以避免Ti和Ta成为Al向下扩散时的阻挡层。

本发明还包括在第一复合金属层，即Ta/Ti/Al或Ta/Al复合金属层上通过共溅射镀沉积第二复合金属层，即Ti/Al复合金属层。由于Al与Ti能够形成低功函数的TiAl₃相，被认为是形成氮化镓基欧姆接触的重要因素，因此，设置第二复合金属层能够进一步提高欧姆接触的性能。金属帽层采用了高温稳定的Ta、W、TiW或TiN成分，有利于降低工艺成本的同时提升欧姆接触的可靠性。在500-1500℃条件下退火1ms-300s，能够得到接触电阻率低于0.5Ω·mm的接触电阻率。优选的，在低于800℃(500～800℃)条件下使用高温快速退火炉退火30-60s，即可实现通过较低成本和难度的工艺获得电阻率低于0.5Ω·mm的接触电阻率。

本发明采用溅射方法沉积得到包含一层或两层复合金属的欧姆接触金属薄膜，操作更为方便，得到的欧姆接触金属薄膜的密度更高、与基体材料之间的附着力更强，薄膜孔洞少；采用共溅射的方法沉积复合金属薄膜，只需要调节靶材的配比，就可以得到目标成分的复合金属薄膜。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.相较于传统的Ta/Ti/Al三层堆叠结构，本发明采用共溅射的方法实现调节复合金属层中金属任意比例；在复合层金属沉积的同时即实现了Ta/Ti/Al或Ta/Al金属的混合，避免了高熔点金属Ta、Ti阻挡金属Al向下扩散；

2.本发明通过控制欧姆接触形成区域各金属层的厚度以及复合金属层中的比例，提升金属的共融程度，降低了合金温度，并得到表面平整的欧姆接触电极；

3.本发明采用无金欧姆接触制备方法与结构，能够与Si-CMOS工艺兼容，且有助于降低成本；另外，避免了Au尖钉穿透下层金属堆叠到达金属/半导体界面，提高了器件的可靠性。

附图说明

图1为实施例1中的氮化镓基欧姆接触结构示意图；

图2为实施例2中的氮化镓基欧姆接触结构示意图；

图3为实施例3中的氮化镓基欧姆接触结构示意图；

图4为实施例4中的氮化镓基欧姆接触结构示意图；

图5为本发明中的氮化镓基欧姆接触结构的制备工艺流程图；

图1～4中各附图标记如下：1-In_xAl_yGa_1-x-yN半导体材料、2-Ta/Ti/Al复合金属层、3-Al层、4-金属帽层，5-Ta/Al复合金属层、6-Ti/Al复合金属层。

具体实施方式

下面结合实施例及说明书附图对本发明进行详细说明。

实施例1

一种氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)欧姆接触区域定义：在表层为In_xAl_yGa_1-x-yN的材料上定义欧姆接触形成区域，其中x＝0，y＝0.2。包括通过光刻定义欧姆接触形成区域，采用RIE、ICP刻蚀或者湿法刻蚀方式将所定义的欧姆接触区域下方的钝化层完全去除，钝化层材料为SiN、SiO₂、Al₂O₃、AlN中的一种或多种组合而成的多层结构；

(2)欧姆接触金属电极沉积：通过共溅射的方法在所述欧姆接触形成区域沉积第一复合金属层，所述第一复合金属层为Ta/Ti/Al复合金属层，其中Ta、Ti、Al三者的原子百分比分别为70％、10％、20％；继续在第一复合金属层上通过溅射或蒸发方法形成Al层和金属帽层,所述金属帽层为Ta、W、TiW或TiN的一种或几种的组合；然后通过剥离工艺，形成欧姆接触金属电极；

(3)退火：通过RTA快速退火工艺，使金属电极与In_xAl_yGa_1-x-yN材料之间形成欧姆接触，其中退火样品置于纯氮气氛围下，退火温度在500℃，退火时间为300s。

根据本实施例中的制备方法形成的氮化镓基欧姆接触结构，其结构示意图如图1所示。

实施例2

一种氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)欧姆接触区域定义：在表层为In_xAl_yGa_1-x-yN的材料上定义欧姆接触形成区域，其中x＝0.1，y＝0.15。包括通过光刻定义欧姆接触形成区域，采用RIE、ICP刻蚀或者湿法刻蚀方式将所定义的欧姆接触区域下方的钝化层完全去除，钝化层材料有可能是SiN、SiO₂、Al₂O₃、AlN中的一种或多种组合而成的多层结构；

(2)欧姆接触金属电极沉积：通过共溅射的方法在所述欧姆接触形成区域沉积第一复合金属层，所述第一复合金属层为Ta/Al复合金属层，其中Ta、Al的原子百分比分别为75％、25％；继续在第一复合金属层上通过溅射或蒸发方法形成Al层和金属帽层,所述金属帽层为Ta、W、TiW或TiN的一种或几种的组合；然后通过剥离工艺，形成欧姆接触金属电极；

(3)退火：在氮气氛围保护下，采用激光扫描金属电极，通过激光引发金属电极局部高温退火，形成欧姆接触；单位面积总反应时间为1ms，局部瞬间反应温度高达1500℃，使金属电极与In_xAl_yGa_1-x-yN材料之间形成欧姆接触。

根据本实施例中的制备方法形成的氮化镓基欧姆接触结构，其结构示意图如图2所示。

实施例3

一种氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)欧姆接触区域定义：在表层为In_xAl_yGa_1-x-yN的材料上定义欧姆接触形成区域，其中x＝0.25,y＝0.25。包括通过光刻定义欧姆接触形成区域，采用RIE、ICP刻蚀或者湿法刻蚀方式将所定义的欧姆接触区域下方的钝化层完全去除，钝化层材料有可能是SiN、SiO₂、Al₂O₃、AlN中的一种或多种组合而成的多层结构；

(2)欧姆接触金属电极沉积：通过共溅射的方法在所述欧姆接触形成区域沉积第一复合金属层，所述第一复合金属层为Ta/Ti/Al复合金属层，其中Ta、Ti、Al三者的原子百分比分别为55％、10％、35％；继续在第一复合金属层上共溅射形成第二复合金属层，所述第二复合金属层为Ti/Al复合金属层，其中Ti、Al的原子百分比分别为30％、70％；继续在Ti/Al复合金属层上通过溅射或蒸发方法形成Al层和金属帽层,所述金属帽层为Ta、W、TiW或TiN的一种或几种的组合。然后通过剥离工艺，形成欧姆接触金属电极；

(3)退火：通过RTA快速退火工艺，使金属电极与In_xAl_yGa_1-x-yN材料之间形成欧姆接触，其中退火样品置于纯氮气氛围下，退火温度在900℃，退火时间为45s。

根据本实施例中的制备方法形成的氮化镓基欧姆接触结构，其结构示意图如图3所示。

实施例4

一种氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)欧姆接触区域定义：在表层为In_xAl_yGa_1-x-yN的材料上定义欧姆接触形成区域，其中x＝0.4，y＝0.2。包括通过光刻定义欧姆接触形成区域，采用RIE、ICP刻蚀或者湿法刻蚀方式将所定义的欧姆接触区域下方的钝化层完全去除，钝化层材料有可能是SiN、SiO₂、Al₂O₃、AlN中的一种或多种组合而成的多层结构；

(2)欧姆接触金属电极沉积：通过共溅射的方法在所述欧姆接触形成区域沉积第一复合金属层，所述第一复合金属层为Ta/Al复合金属层，其中Ta、Al的原子百分比分别为60％、40％；继续在第一复合金属层上共溅射形成第二复合金属层，所述第二复合金属层为Ti/Al复合金属层，其中Ti、Al的原子百分比分别为20％、80％；继续在Ti/Al复合金属层上通过溅射或蒸发方法形成Al层和金属帽层,所述金属帽层为Ta、W、TiW或TiN的一种或几种的组合。然后通过剥离工艺，形成欧姆接触金属电极；

(3)退火：采用高功率密度连续激光对氮化镓金属电极扫描进行退火，形成欧姆接触；单位面积金属电极的总退火时间为1s，瞬间局部温度高达1300℃。使金属电极与In_xAl_yGa_1-x-yN材料之间形成欧姆接触。

根据本实施例中的制备方法形成的氮化镓基欧姆接触结构，其结构示意图如图4所示。

上述参照实施例对一种氮化镓基欧姆接触结构及其制备方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S0：提供表层为In_xAl_yGa_1-x-yN的材料，其中0≤x<1，0≤y<1，x+y<1；

步骤S1：在所述In_xAl_yGa_1-x-yN的材料表面沉积第一复合金属层，所述第一复合金属层为Ta/Ti/Al复合金属层或Ta /Al复合金属层；

步骤S2：将沉积完成的材料在500~1500℃退火，形成欧姆接触；

在步骤S1之后，还包括：

步骤S11：在所述第一复合金属层上继续使用共溅射方法形成第二复合金属层，所述第二复合金属层为Ti/Al复合金属层；

第一复合金属层是通过共溅射的方法形成。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，其特征在于，在步骤S11之后，在步骤S2之前，还包括：

步骤S12：在所述第二复合金属层上继续使用溅射或蒸发方法由下至上依次形成Al层和金属帽层。

3.根据权利要求1 或2所述的氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，退火时间为1ms~300s；退火的氛围为氩气、氮气、氢气中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求1所述的氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，其特征在于，所述第一复合金属层的厚度为3~15nm；Ta/Ti/Al复合金属层中，Ta、Al的原子百分比分别为25~70%、20~50%，其余为Ti，三者原子百分比总和为100%。

5.根据权利要求1所述的氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，其特征在于，所述第一复合金属层的厚度为3~15nm；Ta/Al复合金属层中，Al的原子百分比为20~50%。

6.根据权利要求1所述的氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，其特征在于，所述第二复合金属层厚度为35~50nm，其中Al的原子百分比为60%~80%。

7.根据权利要求2所述的氮化镓基欧姆接触结构的制备方法，其特征在于，所述Al层厚度为100~200nm；所述金属帽层厚度为50~200nm；所述金属帽层为Ta、W、TiW或TiN的一种或几种的组合。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的制备方法形成的氮化镓基欧姆接触结构。