CN111243963A - 一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,包括采用光刻工艺在氧化镓衬底的上表面定义需要增强欧姆接触区域的图形,此区域暴露,剩余的区域用光刻胶遮挡;衬底上表面注入掺杂离子;去除氧化镓衬底上表面的光刻胶;进行热处理;采用光刻工艺定义形成金属电极区域的图形,此区域暴露,其余区域用光刻胶遮挡;在氧化镓衬底上表面形成金属电极;去除氧化镓衬底上表面的光刻胶;快速退火处理。本发明中增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,其欧姆接触区域的掺杂范围、浓度、深度都可精确控制,制备工艺简单,结合注入后的热退火处理,能够有效增强氧化镓半导体器件欧姆接触,形成具有良好欧姆接触的氧化镓半导体器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域,尤其是涉及一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法。
背景技术
氧化镓是一种新型宽禁带半导体材料,其存在五种同分异构体,分别是α型、β型、γ型、δ型和ε型,其中β型的氧化镓热力学稳定性最好,并已得到广泛研究。氧化镓具有超宽禁带宽度4.6-4.9eV,其理论击穿电场达到8MV/cm,比碳化硅、氮化镓的击穿电场大3倍。由于氧化镓的材料性质,其具备制作高耐压、大功率、低损耗功率器件及深紫外光电器件的能力,可以很好的弥补现有硅、砷化镓、氮化镓、碳化硅等半导体材料的不足。
欧姆接触主要形成氧化镓半导体器件源极和漏极的电极,其性能的优劣将直接影响器件的直流和微波特性,直流特性如源漏电流、膝点电压、势垒特性等,微波特性如输出功率、噪声频率特性、热稳定性等。
欧姆接触性能通常以比接触电阻率Rc来衡量,单位为Ω·cm2,其公式为
其中,J为电流密度,V为外加电压。
对于不同掺杂浓度的半导体材料,Rc表现出的欧姆接触性能不同。
(1)当半导体处于低掺杂浓度时,热离子发射效应起主要作用,Rc可表示为
式中,m为隧穿有效质量,ε为半导体介电常数,ND为半导体掺杂浓度,h为普朗克常数。
对于低掺杂浓度的欧姆接触,比接触电阻Rc仅是势垒高度的函数,与半导体掺杂浓度无关;对于高掺杂浓度的欧姆接触,比接触电阻既与势垒高度表现出相关性,也与半导体掺杂浓度ND密切相关。因此,为得到良好的金属半导体欧姆接触,可通过选择合适的金属材料降低肖特基势垒高度和控制半导体掺杂浓度进行优化。
通常,形成氧化镓半导体器件欧姆接触的方法是在氧化镓表面沉积金属电极,如Ni/Au、Ti/Au等,随后通过高温退火形成欧姆特性。该方法所形成的欧姆接触受退火时间和温度的影响较大,且需要较高的退火温度,金属表面颗粒度、粗糙度、以及金属与半导体形成欧姆接触的深度均不易控制。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,欧姆接触区域的掺杂范围、浓度、深度都可精确控制,其制备工艺简单,结合注入后的热退火处理,能够形成良好欧姆接触的氧化镓半导体器件。
为实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,包括以下步骤:
(1)采用光刻工艺在氧化镓衬底的上表面定义需要增强欧姆接触区域的图形,将氧化镓衬底上表面定义完成的区域暴露,剩余的区域用光刻胶遮挡;
(2)在氧化镓衬底的上表面注入掺杂离子;
(3)离子注入完成后,去除氧化镓衬底上表面的光刻胶;
(4)对于离子注入完成的氧化镓衬底进行热处理;
(5)采用光刻工艺定义形成金属电极区域的图形,将氧化镓衬底上表面的离子注入区域暴露,其余区域用光刻胶遮挡;
(6)在氧化镓衬底上表面形成金属电极;
(7)金属电极形成后,去除氧化镓衬底上表面的光刻胶;
(8)快速退火处理。
本技术方案中,进一步地,步骤(2)中,掺杂离子为硅离子、铂离子、锌离子、锗离子中的一种。
进一步地,步骤(2)中,掺杂离子的掺杂浓度为1×1012cm-3~1×1020cm-3。
进一步地,步骤(2)中,在氧化镓衬底的上表面注入掺杂离子的工艺采用离子注入工艺。
进一步地,步骤(4)中,对于离子注入完成的氧化镓衬底进行热处理的温度为500~1500℃,热处理时间为1s~600s,热处理环境为真空、惰性气体中的一种或者多种组合。
进一步地,步骤(6)中,金属电极所用金属为Ti、Pt、Au、Al、Ni、In、Cu、Co、Fe中的一种或者多种组合。
进一步地,步骤(6)中,金属电极的厚度为1nm~1000nm。
进一步地,步骤(6)中,形成金属电极的方法是热蒸发法、磁控溅射法、电子束蒸发法、分子束外延法或原子层外延法。
进一步地,步骤(8)中,快速退火处理的温度为100~2000℃,时间为1s~600s,环境为真空、惰性气体中的一种或者多种组合。
有益效果
本发明中增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,其欧姆接触区域的掺杂范围、浓度、深度都可精确控制,制备工艺简单,结合注入后的热退火处理,能够有效增强氧化镓半导体器件欧姆接触,形成具有良好欧姆接触的氧化镓半导体器件。对于本发明所采用的工艺方法,其表征欧姆接触性能的比接触电阻率Rc<0.05Ω·cm2。而传统工艺中,直接在氧化镓表面沉积金属电极,随后通过高温退火形成欧姆特性,其Rc约为0.4Ω·cm2。
传统工艺是在氧化镓表面沉积金属电极,如Ni/Au、Ti/Au等,随后通过高温退火形成欧姆特性,该方法所形成的欧姆接触受退火时间和温度的影响较大,且需要较高的退火温度,金属表面颗粒度、粗糙度、以及金属与半导体形成欧姆接触的深度均不易控制,本发明是在半导体材料表面利用光刻工艺进行掺杂离子注入,经快速退火后,形成均匀分布的注入层,随后进行金属电极的沉积和热处理,相比较传统方法,本发明形成的欧姆接触表面金属颗粒度、粗糙度较低,平整性好,同时由于离子注入工艺的引入,半导体材料的掺杂均匀性好,可以精确控制杂质的掺杂含量,退火温度低,因此能够形成更加良好的欧姆接触。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例中形成从后的氧化镓衬底的结构示意图;
图2为本发明实施例中形成离子注入层后的氧化镓衬底的结构示意图;
图3为本发明实施例中去除离子注入用光刻胶层后的氧化镓衬底的结构示意图;
图4为本发明实施例中形成金属电极用光刻胶层后的氧化镓衬底的结构示意图;
图5为本发明实施例中去除金属电极用光刻胶层后的氧化镓衬底的结构示意图;
图6为本发明实施例中形成金属电极层后的氧化镓衬底的结构示意图;
图7为本发明实施例中去除金属电极用光刻胶层后的氧化镓衬底的结构示意图。
附图中:
1、氧化镓衬底 2、离子注入用光刻胶层 3、离子注入层 4、金属电极用光刻胶层 5、金属电极层
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,包括以下步骤:
(1)采用光刻工艺在氧化镓衬底1的上表面定义需要增强欧姆接触区域的图形,将氧化镓衬底1上表面定义完成的区域暴露,剩余的区域用光刻胶遮挡,形成离子注入用光刻胶层2,如图1所示;
(2)在氧化镓衬底1的上表面注入硅掺杂离子,掺杂浓度为2.5×1015cm-3,掺杂离子的工艺采用离子注入工艺,形成离子注入层3,如图2所示;
(3)离子注入完成后,去除氧化镓衬底上表面的光刻胶,如图3所示;
(4)对于离子注入完成的氧化镓衬底进行热处理,热处理的温度为1000℃,热处理时间为600s,热处理环境为真空;
(5)采用光刻工艺定义形成金属电极区域的图形,将氧化镓衬底上表面的离子注入区域暴露,其余区域用光刻胶遮挡,形成金属电极用光刻胶层4,如图4所示;
(6)在氧化镓衬底1上表面利用热蒸发工艺形成金属电极,形成金属电极层5,电极为Ti/Au,Ti电极的厚度为20nm,Au电极的厚度为200nm,如图5所示;
(7)金属电极形成后,去除氧化镓衬底上表面的光刻胶,如图6所示;
(8)快速退火处理,快速退火的温度为400℃,时间为200s,环境为真空。
实施例2
一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,包括以下步骤:
(1)采用光刻工艺在氧化镓衬底1的上表面定义需要增强欧姆接触区域的图形,将氧化镓衬底1上表面定义完成的区域暴露,剩余的区域用光刻胶遮挡,形成离子注入用光刻胶层2,如图1所示;
(2)在氧化镓衬底1的上表面注入铂掺杂离子,掺杂浓度为1×1015cm-3,掺杂离子的工艺采用离子注入工艺,形成离子注入层3,如图2所示;
(3)离子注入完成后,去除氧化镓衬底上表面的光刻胶,如图3所示;
(4)对于离子注入完成的氧化镓衬底进行热处理,热处理的温度为800℃,热处理时间为400s,热处理环境为氩气;
(5)采用光刻工艺定义形成金属电极区域的图形,将氧化镓衬底上表面的离子注入区域暴露,其余区域用光刻胶遮挡,形成金属电极用光刻胶层4,如图4所示;
(6)在氧化镓衬底1上表面利用热蒸发工艺形成金属电极,形成金属电极层5,电极为Ni/Au,Ni电极的厚度为100nm,Au电极的厚度为100nm,如图5所示;
(7)金属电极形成后,去除氧化镓衬底上表面的光刻胶,如图6所示;
(8)快速退火处理,快速退火的温度为500℃,时间为300s,环境为真空。
实施例3
一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,包括以下步骤:
(1)采用光刻工艺在氧化镓衬底1的上表面定义需要增强欧姆接触区域的图形,将氧化镓衬底1上表面定义完成的区域暴露,剩余的区域用光刻胶遮挡,形成离子注入用光刻胶层2,如图1所示;
(2)在氧化镓衬底1的上表面注入锌掺杂离子,掺杂浓度为5×1016cm-3,掺杂离子的工艺采用离子注入工艺,形成离子注入层3,如图2所示;
(3)离子注入完成后,去除氧化镓衬底上表面的光刻胶,如图3所示;
(4)对于离子注入完成的氧化镓衬底进行热处理,热处理的温度为1500℃,热处理时间为300s,热处理环境为氩气;
(5)采用光刻工艺定义形成金属电极区域的图形,将氧化镓衬底上表面的离子注入区域暴露,其余区域用光刻胶遮挡,形成金属电极用光刻胶层4,如图4所示;
(6)在氧化镓衬底1上表面利用热蒸发工艺形成金属电极,形成金属电极层5,电极为Ti/Pt/Ni/Au,Ti电极的厚度为10nm,Pt电极的厚度为10nm,Ni/电极的厚度为10nm,Au电极的厚度为100nm,如图5所示;
(7)金属电极形成后,去除氧化镓衬底上表面的光刻胶,如图6所示;
(8)快速退火处理,快速退火的温度为450℃,时间为450s,环境为氩气。
实施例4
一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,包括以下步骤:
(1)采用光刻工艺在氧化镓衬底1的上表面定义需要增强欧姆接触区域的图形,将氧化镓衬底1上表面定义完成的区域暴露,剩余的区域用光刻胶遮挡,形成离子注入用光刻胶层2,如图1所示;
(2)在氧化镓衬底1的上表面注入锗掺杂离子,掺杂浓度为3.5×1017cm-3,掺杂离子的工艺采用离子注入工艺,形成离子注入层3,如图2所示;
(3)离子注入完成后,去除氧化镓衬底上表面的光刻胶,如图3所示;
(4)对于离子注入完成的氧化镓衬底进行热处理,热处理的温度为600℃,热处理时间为200s,热处理环境为氩气;
(5)采用光刻工艺定义形成金属电极区域的图形,将氧化镓衬底上表面的离子注入区域暴露,其余区域用光刻胶遮挡,形成金属电极用光刻胶层4,如图4所示;
(6)在氧化镓衬底1上表面利用热蒸发工艺形成金属电极,形成金属电极层5,电极为Au,Au电极的厚度为200nm,如图5所示;
(7)金属电极形成后,去除氧化镓衬底上表面的光刻胶,如图6所示;
(8)快速退火处理,快速退火的温度为550℃,时间为300s,环境为真空。
对于实施例1至实施例4中的氧化镓半导体器件的欧姆接触表面的比接触电阻率进行测试,得到以下的结果:
对于实例1、2、3、4中所采用的工艺方法,其表征欧姆接触性能的比接触电阻率Rc<0.05Ω·cm2。而传统工艺中,直接在氧化镓表面沉积金属电极,随后通过高温退火形成欧姆特性,其Rc约为0.4Ω·cm2。以上四个实例体现出了优良的欧姆接触性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)采用光刻工艺在氧化镓衬底的上表面定义需要增强欧姆接触区域的图形,将氧化镓衬底上表面定义完成的区域暴露,剩余的区域用光刻胶遮挡;
(2)在氧化镓衬底的上表面注入掺杂离子;
(3)离子注入完成后,去除氧化镓衬底上表面的光刻胶;
(4)对于离子注入完成的氧化镓衬底进行热处理;
(5)采用光刻工艺定义形成金属电极区域的图形,将氧化镓衬底上表面的离子注入区域暴露,剩余的区域用光刻胶遮挡;
(6)在氧化镓衬底上表面形成金属电极;
(7)金属电极形成后,去除氧化镓衬底上表面的光刻胶;
(8)快速退火处理。
2.根据权利要求1所述的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,掺杂离子为硅离子、铂离子、锌离子、锗离子中的一种。
3.根据权利要求1所述的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,掺杂离子的掺杂浓度为1×1012cm-3~1×1020cm-3。
4.根据权利要求1所述的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,在氧化镓衬底的上表面注入掺杂离子的工艺采用离子注入工艺。
5.根据权利要求1所述的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,其特征在于:所述步骤(4)中,对于离子注入完成的氧化镓衬底进行热处理的温度为500~1500℃,热处理时间为1s~600s,热处理环境为真空、惰性气体中的一种或者多种组合。
6.根据权利要求1所述的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,其特征在于:所述步骤(6)中,金属电极所用金属为Ti、Pt、Au、Al、Ni、In、Cu、Co、Fe中的一种或者多种组合。
7.根据权利要求1所述的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,其特征在于:所述步骤(6)中,金属电极的厚度为1nm~1000nm。
8.根据权利要求1所述的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,其特征在于:所述步骤(6)中,形成金属电极的方法是热蒸发法、磁控溅射法、电子束蒸发法、分子束外延法或原子层外延法。
9.根据权利要求1所述的增强氧化镓半导体器件欧姆接触的方法,其特征在于:所述步骤(8)中,快速退火处理的温度为100~2000℃,时间为1s~600s,环境为真空、惰性气体中的一种或者多种组合。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114709138A (zh) * | 2022-02-11 | 2022-07-05 | 西安电子科技大学杭州研究院 | 一种氧化镓肖特基二极管及其制备方法和制备系统 |
US11476116B2 (en) * | 2020-08-13 | 2022-10-18 | Korea Institute Of Ceramic Engineering And Technology | Manufacturing method of gallium oxide thin film for power semiconductor using dopant activation technology |
-
2020
- 2020-01-20 CN CN202010064243.7A patent/CN111243963A/zh not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US11476116B2 (en) * | 2020-08-13 | 2022-10-18 | Korea Institute Of Ceramic Engineering And Technology | Manufacturing method of gallium oxide thin film for power semiconductor using dopant activation technology |
CN114709138A (zh) * | 2022-02-11 | 2022-07-05 | 西安电子科技大学杭州研究院 | 一种氧化镓肖特基二极管及其制备方法和制备系统 |
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