CN110556419A - GaN基HEMT无金欧姆接触电极及其热氮化形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaN基HEMT无金欧姆接触电极及其热氮化形成方法，所述电极为在GaN基HEMT的外延层上表面的两侧从下到上依次排布的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti和帽层金属层TiN，其中X为Ni、Ni/Ti/Ni或Ni/Ti/Ni/Ti/Ni多层金属中的一种以上。本发明避免了高温制备帽层金属层TiN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。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件，特别是涉及一种GaN基HEMT无金欧姆接触电极及其热氮化形成方法。
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，化合物半导体专用产线技术相对落后，制程更新和运营维护成本较高，提高了GaN基HEMT器件的生产成本。采用成熟先进的Si-CMOS工艺线生产HEMT器件，能有效降低HEMT器件的制备难度，降低制造成本。常规HEMT器件的欧姆和肖特基接触工艺中采用的重金属Au，在Si中会形成深能级杂质，污染CMOS工艺线。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。
GaN基HEMT器件的欧姆接触性能的好坏，直接影响饱和输出电流、导通电阻、击穿电压等关键器件性能。高质量的欧姆接触主要要求以下几点：（1）低接触电阻率（2）热稳定性好（3）较小的电极表面粗糙度（4）抗腐蚀能力强。
业界在GaN基HEMT上形成欧姆接触的退火窗口主要有两个：1、低温退火窗口，氮气氛围，退火温度为500~650℃，退火时间为2~10min；2、高温退火窗口，氮气氛围，退火温度为800~1000℃，退火时间为15~60sec。
在低温退火过程中，文献报道的解决方法都是采用干法刻蚀，刻蚀至距离二维电子气沟道1~2nm为最佳，由于常规的干法刻蚀精度不易控制，不同外延刻蚀速率的差异较大，导致刻蚀工艺的可重复性较差，不利于大规模工业化生产。在高温退火过程中，常规的有金欧姆接触电极和文献报道的W、Mo、Cu等无金欧姆接触电极，由于金属Al层通常要求100nm以上（Al的厚度远大于底层Ti的厚度），大量未反应的Al与团聚形成孤岛结构的Ti-Al合金不相融，导致源漏电极表面形貌及边缘形貌极差。此外，有金欧姆接触电极中，Al和Au的相互扩散形成合金也是电极表面形貌差的原因之一，而无金欧姆接触电极中，化学稳定性和热稳定性好的无金帽层金属与大量高活性Al层的粘附性较差也是电极表面形貌差的原因之一。
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作为欧姆接触帽层金属的极佳材料。目前，高性能TiN薄膜通常是在较高的基底温度（300~700℃）下通过直流反应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
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GaN基HEMT无金欧姆接触电极及其热氮化形成方法，低温制备第四金属层Ti，将热氮化反应与欧姆接触的固相反应相结合，第四金属Ti层表面一部分发生热氮化反应，形成化学稳定性良好的帽层金属TiN，避免直接高温制备帽层金属TiN，同时，源漏电极的多层金属间发生固相反应，并与GaN基外延形成良好的欧姆接触，降低源漏电极制备工艺难度，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。
采用热氮化反应形成帽层金属层TiN可以有效地解决直接高温沉积TiN薄膜导致的系列问题。
采用热氮化反应形成GaN基HEMT无金欧姆接触电极可以有效地解决高温退火下电极表面形貌差的问题。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现的。
本发明提供了一种GaN基HEMT无金欧姆接触电极，所述电极为在GaN基HEMT的外延层上表面的两侧从下到上依次排布的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti和帽层金属层TiN，其中X为Ni、Ni/Ti/Ni或Ni/Ti/Ni/Ti/Ni多层金属中的一种以上。
优选地，第一金属层Ti的厚度为1~30nm，第二金属层Al的厚度为40~200nm，第三金属层X的厚度为5~30nm，第四金属层Ti的厚度为60~120nm，帽层金属层TiN的厚度为10~40nm。
本发明还提供了一种热氮化反应形成所述的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的方法，包括以下步骤：
（1）定义源漏电极图形区域：利用光刻技术，在GaN基HEMT外延层上表面的两侧定义源漏电极图形区域，光刻掩模覆盖GaN基HEMT外延层上除源漏电极图形以外的区域；
（2）表面处理：利用酸碱溶液清洗源漏电极图形区域；
（3）电极金属层沉积：在GaN基HEMT外延层上的源漏电极图形区域及光刻掩模上依次沉积第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti；其中，源漏电极的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti采用低温制备，基底的温度为25~50℃；所述基底为经过步骤（2）处理后的GaN基HEMT外延层；
（4）剥离：对步骤（3）通过剥离工艺去除光刻掩模以及光刻掩模上面的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti，留下源漏电极图形区域处的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti，形成源漏电极；
（5）退火：对步骤（4）所得的源漏电极进行退火，将热氮化反应与欧姆接触的固相反应相结合，第四金属层Ti表面部分发生热氮化反应，形成化学稳定性良好的帽层金属层TiN，源漏电极的多层金属间发生固相反应，并与GaN基HEMT外延层形成良好的欧姆接触。
优选地，步骤（3）中电极金属层沉积的方法为电子束蒸发或磁控溅射沉积。
优选地，采用电子束蒸发第四金属层Ti，蒸发速率为0.4~0.8nm/秒。
优选地，步骤（3）中电极金属层沉积的方法为磁控溅射沉积，磁控溅射选取直流磁控溅射模式。
优选地，步骤（3）中沉积第四金属层Ti采用磁控溅射，沉积第四金属层Ti前，真空腔内的真空度为4E-04Pa以下。
优选地，步骤（5）中的退火温度为500~900℃，退火时间为15s~10min，气氛为高纯氮气。
本发明无金的源漏电极依次为第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti，第三金属层X为Ni、Ni/Ti/Ni或Ni/Ti/Ni/Ti/Ni的多层金属，形成Ti/Al/Ni/Ti、Ti/Al/Ni/Ti/Ni/Ti、Ti/Al/Ni/Ti/Ni/Ti/Ni/Ti等多层源漏电极金属体系。通过高纯氮气氛围下的退火过程，将热氮化反应和多层金属间的固相反应相结合，第四金属Ti层表面一部分发生热氮化反应，形成化学稳定性良好的帽层金属TiN，使多层源漏电极金属体系与AlGaN或InAlN本征势垒层形成欧姆接触，形成接触良好的欧姆接触电极Ti/Al/Ni/Ti/TiN、Ti/Al/Ni/Ti/Ni/Ti/TiN、Ti/Al/Ni/Ti/Ni/Ti/Ni/Ti/TiN。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
（1）本发明采用低温制备第四金属层Ti，通过后期退火处理，第四金属Ti层表面一部分发生热氮化反应，形成稳定的帽层金属TiN，与其它电极金属发生固相反应，与GaN基HEMT外延层形成良好的欧姆接触；帽层金属层TiN是由第四金属层Ti的热氮化反应形成，而非直接沉积，从而避免TiN的高温（100-700℃）直接制备。
（2） 本发明的热氮化反应形成GaN基HEMT无金欧姆接触电极可以有效地解决高温退火下电极表面形貌差的问题；
（3）本发明避免了高温制备帽层金属层TiN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为实施例1至3中形成源漏电极图形时GaN基HEMT外延层的示意图；
图2为实施例1至3中在源漏电极图形区域及光刻掩模上依次沉积第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti后GaN基HEMT外延层上的示意图；
图3为实施例1至3中剥离光刻掩模上的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti后的GaN基HEMT外延层结构示意图；
图4为实施例1至3热氮化反应形成GaN基HEMT无金欧姆接触电极的结构示意图；
图5为实施例1中的热氮化反应形成GaN基HEMT无金欧姆接触电极测试的I-V曲线；
图中示出：1-GaN基HEMT外延层；2-第一金属层Ti；3-第二金属层Al；4-第三金属层X；5-第四金属层Ti；6-帽层金属层TiN；7-源漏电极图形区域；8-光刻掩模。
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。
实施例1
本实施例提供了一种GaN基HEMT无金欧姆接触电极，如图4所示，所述电极为在GaN基HEMT的外延层1上表面的两侧从下到上依次排布的第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4、第四金属层Ti 5和帽层金属层TiN 6，其中X为Ni。第一金属层Ti的厚度为20nm，第二金属层Al的厚度为60 nm，第三金属层X的厚度为10 nm，第四金属层Ti的厚度为80nm，帽层金属层TiN的厚度为20nm。
本实施例还提供了一种热氮化反应形成所述的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的方法，包括以下步骤：
（1）定义源漏电极图形区域：利用光刻技术，在GaN基HEMT外延层1上表面的两侧定义源漏电极图形区域7，光刻掩模8覆盖GaN基HEMT外延层上除源漏电极图形以外的区域，如图1所示；
（2）表面处理：利用酸碱溶液清洗源漏电极图形区域7；
（3）电极金属层沉积：通过磁控溅射的方式在GaN基HEMT外延层1上的源漏电极图形区域7及光刻掩模8上依次沉积第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4、第四金属层Ti 5，如图2所示；其中，源漏电极的第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4、第四金属层Ti 5采用低温制备，基底的温度为35℃；所述基底为经过步骤（2）处理后的GaN基HEMT外延层1；
低温磁控溅射第四金属层Ti 5采用常规的磁控溅射方法沉积，沉积第四金属层Ti 5前，真空腔内真空度为3.2E-04Pa；第四金属层Ti 5选取直流磁控溅射模式，溅射气体为氩气，溅射靶材为Ti靶，基底温度为35℃，溅射功率为280W，工作气压0.6Pa。
（4）剥离：对步骤（3）通过剥离工艺去除光刻掩模以及光刻掩模上面的第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4、第四金属层Ti 5，留下源漏电极图形区域处的第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4、第四金属层Ti 5，形成源漏电极，如图3所示；
（5）退火：对步骤（4）所得的源漏电极进行退火，将热氮化反应与欧姆接触的固相反应相结合，第四金属层Ti 5表面部分发生热氮化反应，形成化学稳定性良好的帽层金属层TiN6，源漏电极的多层金属间发生固相反应，并与GaN基HEMT外延层形成良好的欧姆接触。退火温度为900℃，退火时间为30s，气氛为高纯氮气。
对本实施例制备的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的进行I-V测试，得到图5的I-V特性曲线。图5中横坐标为电压，单位为V，纵坐标为电流，单位为A。实线为传统高温有金欧姆接触电极的电流曲线，虚线为本实施例的热氮化反应形成无金欧姆接触电极（GaN基HEMT无金欧姆接触电极）的电流曲线。从图5中可见，本实施例的GaN基HEMT无金欧姆接触电极呈现良好的欧姆接触，电流曲线与有金接触的电流曲线相似，电流大小相当，且在0V附近I-V曲线均呈直线。相同的GaN基HEMT外延层下，传统有金欧姆接触电极经过高温退火后的比接触电阻率为3.12E-05Ω•cm2，接触电阻为1.04Ω•mm，表面粗糙度为51.56nm，而本实施例的热氮化反应形成的无金欧姆接触电极的比接触电阻率为3.42E-05Ω•cm2，接触电阻为1.1Ω•mm，表面粗糙度为6.22nm。本实施例的无金欧姆接触电极，比接触电阻率已与无金欧姆的比接触电阻率相当，并在表面形貌或表面粗糙度上有更大的优势。
实施例2
本实施例提供了一种GaN基HEMT无金欧姆接触电极，如图4所示，所述电极为在GaN基HEMT的外延层1上表面的两侧从下到上依次排布的第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4、第四金属层Ti 5和帽层金属层TiN 6，其中X为Ni。第一金属层Ti的厚度为20nm，第二金属层Al的厚度为100 nm，第三金属层X的厚度为10 nm，第四金属层Ti的厚度为70nm，帽层金属层TiN的厚度为20nm。
本实施例还提供了一种热氮化反应形成所述的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的方法，包括以下步骤：
（1）定义源漏电极图形区域：利用光刻技术，在GaN基HEMT外延层1上表面的两侧定义源漏电极图形区域7，光刻掩模8覆盖GaN基HEMT外延层上除源漏电极图形以外的区域，如图1所示；
（2）表面处理：利用酸碱溶液清洗源漏电极图形区域7；
（3）电极金属层沉积：通过电子束蒸发的方式在GaN基HEMT外延层1上的源漏电极图形区域7及光刻掩模8上依次沉积第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4、第四金属层Ti 5，如图2所示；其中，源漏电极的第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X4、第四金属层Ti 5采用低温制备，基底的温度为25℃；所述基底为经过步骤（2）处理后的GaN基HEMT外延层1；
低温电子束蒸发第四金属层Ti 5，电子束蒸发镀膜的速率为0.6nm/秒。
（4）剥离：对步骤（3）通过剥离工艺去除光刻掩模以及光刻掩模上面的第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4、第四金属层Ti 5，留下源漏电极图形区域处的第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4、第四金属层Ti 5，形成源漏电极，如图3所示；
（5）退火：对步骤（4）所得的源漏电极进行退火，将热氮化反应与欧姆接触的固相反应相结合，第四金属层Ti 5表面部分发生热氮化反应，形成化学稳定性良好的帽层金属层TiN6，源漏电极的多层金属间发生固相反应，并与GaN基HEMT外延层1形成良好的欧姆接触。退火温度为900℃，退火时间为60s，气氛为高纯氮气。
本实施例得到的GaN基HEMT无金欧姆接触电极欧姆接触测试结果与实施例1类似，呈现良好的欧姆接触，在0V附近I-V曲线呈直线，比接触电阻率为3.98E-05Ω•cm2，接触电阻为1.04Ω•mm。由于实施例2第二金属层Al 3的厚度更大，表面粗糙度为12.2nmm。
实施例3
本实施例提供了一种GaN基HEMT无金欧姆接触电极，如图4所示，所述电极为在GaN基HEMT的外延层1上表面的两侧从下到上依次排布的第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4、第四金属层Ti 5和帽层金属层TiN 6，其中X为Ni。第一金属层Ti的厚度为3 nm，第二金属层Al的厚度为150 nm，第三金属层X的厚度为10 nm，第四金属层Ti的厚度为100nm，帽层金属层TiN的厚度为30nm。
本实施例还提供了一种热氮化反应形成所述的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的方法，包括以下步骤：
（1）定义源漏电极图形区域：利用光刻技术，在GaN基HEMT外延层1上表面的两侧定义源漏电极图形区域7，光刻掩模8覆盖GaN基HEMT外延层上除源漏电极图形以外的区域，如图1所示；
（2）表面处理：利用酸碱溶液清洗源漏电极图形区域7；
（3）电极金属层沉积：通过电子束蒸发的方式在GaN基HEMT外延层1上的源漏电极图形区域7及光刻掩模8上依次沉积第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4，再通过磁控溅射的方式沉积第四金属层Ti 5，如图2所示；其中，源漏电极的第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4、第四金属层Ti 5采用低温制备，基底的温度为35℃；所述基底为经过步骤（2）处理后的GaN基HEMT外延层1；
低温磁控溅射第四金属层Ti采用常规的磁控溅射方法沉积，沉积第四金属层Ti 5前，真空腔内真空度为3.2E-04Pa，第四金属层Ti 5选取直流磁控溅射模式溅射气体为氩气，溅射靶材为Ti靶，溅射功率为280W，工作气压0.6Pa。
（4）剥离：对步骤（3）通过剥离工艺去除光刻掩模以及光刻掩模上面的第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4、第四金属层Ti 5，留下源漏电极图形区域处的第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3、第三金属层X 4、第四金属层Ti 5，形成源漏电极，如图3所示；
（5）退火：对步骤（4）所得的源漏电极进行退火，将热氮化反应与欧姆接触的固相反应相结合，第四金属层Ti 5表面部分发生热氮化反应，形成化学稳定性良好的帽层金属层TiN6，源漏电极的多层金属间发生固相反应，并与GaN基HEMT外延层形成良好的欧姆接触。退火温度为600℃，退火时间为10min，气氛为高纯氮气。
本实施例采用电子束蒸发和磁控溅射两种方式沉积金属层，其制备效果等同于仅用电子束蒸发或磁控溅射方法沉积。本实施例与实施例1、实施例2相比，第二金属层Al 3的厚度远远大于第一金属Ti层2的厚度，Al/Ti厚度比高达50，实施例1的 Al/Ti厚度比仅为3，实施例2的 Al/Ti厚度比仅为5。实施例3的比接触电阻率为1.12E-04Ω•cm2，表面粗糙度为3.48nm。
本发明提供的由热氮化反应形成的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，通过低温的方法沉积Ti薄膜，将热氮化反应和形成欧姆接触的多层金属间的固相反应相结合，通过后期合适的退火过程，Ti薄膜的表面一部分热氮化反应形成稳定的TiN，与其它电极金属发生固相反应，与GaN基HEMT外延层形成良好的欧姆接触。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.GaN基HEMT无金欧姆接触电极，其特征在于，所述电极为在GaN基HEMT的外延层上表面的两侧从下到上依次排布的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti和帽层金属层TiN，其中X为Ni、Ni/Ti/Ni或Ni/Ti/Ni/Ti/Ni多层金属中的一种以上。
2.根据权利要求1所述的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，其特征在于，第一金属层Ti的厚度为1~30nm，第二金属层Al的厚度为40~200nm。
3.根据权利要求1所述的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，其特征在于，第三金属层X的厚度为5~30nm，第四金属层Ti的厚度为60~120nm。
4.根据权利要求1所述的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，其特征在于，帽层金属层TiN的厚度为10~40 nm。
5.热氮化反应形成如权利要求1至4任一项所述的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）定义源漏电极图形区域：利用光刻技术，在GaN基HEMT外延层上表面的两侧定义源漏电极图形区域，光刻掩模覆盖GaN基HEMT外延层上除源漏电极图形以外的区域；
（2）表面处理：利用酸碱溶液清洗源漏电极图形区域；
（3）电极金属层沉积：在GaN基HEMT外延层上的源漏电极图形区域及光刻掩模上依次沉积第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti；其中，源漏电极的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti采用低温制备，基底的温度为25~50℃；所述基底为经过步骤（2）处理后的GaN基HEMT外延层；
（4）剥离：对步骤（3）通过剥离工艺去除光刻掩模以及光刻掩模上面的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti，留下源漏电极图形区域处的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti，形成源漏电极；
（5）退火：对步骤（4）所得的源漏电极进行退火，将热氮化反应与欧姆接触的固相反应相结合，第四金属层Ti表面部分发生热氮化反应，形成化学稳定性良好的帽层金属层TiN，源漏电极的多层金属间发生固相反应，并与GaN基HEMT外延层形成良好的欧姆接触。
6.根据权利要求5所述的热氮化反应形成GaN基HEMT无金欧姆接触电极的方法，其特征在于，步骤（3）中电极金属层沉积的方法为电子束蒸发或磁控溅射沉积。
7.根据权利要求5所述的热氮化反应形成GaN基HEMT无金欧姆接触电极的方法，其特征在于，采用电子束蒸发第四金属层Ti，蒸发速率为0.4~0.8nm/秒。
8.根据权利要求5所述的热氮化反应形成GaN基HEMT无金欧姆接触电极的方法，其特征在于，步骤（3）中电极金属层沉积的方法为磁控溅射沉积，磁控溅射选取直流磁控溅射模式。
9.根据权利要求5所述的热氮化反应形成GaN基HEMT无金欧姆接触电极的方法，其特征在于，步骤（3）中沉积第四金属层Ti采用磁控溅射，沉积第四金属层Ti前，真空腔内的真空度为4E-04Pa以下。
10.根据权利要求5所述的热氮化反应形成GaN基HEMT无金欧姆接触电极的方法，其特征在于，步骤（5）中的退火温度为500~900℃，退火时间为15s~10min，气氛为高纯氮气。
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