CN113725287B - 低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件及其制备方法。所述器件包括AlGaN/GaN外延层，AlGaN/GaN外延层上表面的两端刻蚀区域分别连接源电极和漏电极；AlGaN/GaN外延层包括从下往上依次层叠的衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层和AlGaN势垒层。本发明制备的Ti/Al/Ta/W结构的器件的导通电阻(13.6Ω·mm)相较于传统的单独使用Ti做接触层的Ti/Al/W结构的器件(15.1Ω·mm)下降了9.9％，提高了器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别涉及低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件及其制备方法。
背景技术
AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)由于其高电子迁移率、高击穿场强和高电子饱和速度的优越特性而受到广泛关注。其中HEMT器件的制造中，常使用Au作为帽层的多层金属结构，经过高温退火，来获得接触电阻低的欧姆接触。Au的使用会对Si-CMOS工艺线产生致命的污染，高温退火不仅会形成粗糙的电极表面和边缘，从而导致尖峰电场的出现，使得器件击穿特性下降；还会导致GaN基HEMT器件动态性能退化(PIAZZAM,DUAC,OUALLI M,et al.Degradation of TiAlNiAu as ohmic contact metal for GaN HEMTs[J].Microelectronics and reliability,2009,49(9):1222-5)。然而低温无金欧姆工艺一方面使用与Si-CMOS工艺线兼容的金属作为帽层，避免了Au带来的污染问题，另一方面低温退火降低了电极表面粗糙度，有助于提高器件的击穿电压。实现低温无金工艺的常用方法之一是先减薄势垒层的厚度，再制备源漏电极并退火形成欧姆接触(FIRRINCIELI A,DEJAEGER B,YOU S,et al.Au-free low temperature ohmic contacts for AlGaN/GaNpower devices on 200mm Si substrates[J])。常用的源漏金属结构为Ti/Al/X或者Ta/Al/X，X为W、Ti、Ni、Ta、TiW、TiN中的一种或多种。
目前沉积金属的设备一般是磁控溅射或者电子束蒸发。磁控溅射镀膜是利用荷能离子轰击靶材表面使靶材原子获得反冲动能而脱离靶材表面并最终沉积在晶圆表面的一种真空镀膜技术。溅射原子在晶圆表面之前与溅射气体原子发生一系列碰撞而使其运动方向发生改变，溅射原子到达晶圆表面时的入射角大。另外对于磁控溅射设备而言，其溅射距离短，溅射原子能量也较高，晶圆表面的原子迁移率加大，使得薄膜表面横向动能非常大，因此溅射在晶圆表面上的材料的区域会比定义的光刻窗口要大。而电子束蒸发设备主要是依靠电子束加热，让材料融化，到达沸点后，材料的粒子脱离材料表面到达晶圆表面。而电子束蒸发的腔体长，电子束蒸发的原子碰到晶圆表面，很快失去能量，且迁移率很小，故原子在表面上重新排列较困难，即沉积的区域就是定义的光刻窗口。
综上所述，单独使用电子束或磁控溅射沉积金属，作为保护层的金属不能完全将下层金属的侧壁包裹住，下层金属侧壁会发生氧化，影响器件的性能。
发明内容
本发明提出了低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件及其制备方法，利用磁控溅射制备的第三层金属和第四层金属完全包裹住了利用电子束制备的第一层金属和第二层金属，形成了第三层金属/第一层金属/第三层金属的金属结构与AlGaN层直接接触。金属剥离后实现了保护层金属包裹住下层金属，有利于稳定多层金属结构，改善电极的表面形貌，同时减少或避免下层金属氧化从而提高了器件性能。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件，包括AlGaN/GaN外延层，AlGaN/GaN外延层上表面的两端刻蚀区域分别连接源电极和漏电极；
AlGaN/GaN外延层包括从下往上依次层叠的衬底、GaN缓冲层、GaN沟道层和AlGaN势垒层。
进一步地，源电极和漏电极均包括第一层金属、第二层金属、第三层金属和第四层金属；
其中，第一层金属设置于AlGaN/GaN外延层上表面的两端刻蚀区域，第二层金属设置于第一层金属上，第三层金属包裹第一层金属和第二层金属的顶面和侧面；第四层金属包裹第三层金属的顶面和侧面。
进一步地，第一层金属和第二层金属采用电子束蒸发方式沉积第三层金属和第四层金属通过磁控溅射方式沉积。
进一步地，源电极和漏电极剥离后形成的多层金属结构的接触层从一侧到另一侧为第三层金属/第一层金属/第三层金属。
进一步地，第一层金属两侧包裹的第三层金属的长度为0.5-1μm。
进一步地，AlGaN/GaN外延层上表面的AlGaN势垒层两端的刻蚀区域保留1-3nm的厚度。
制备低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件的制备方法，包括如下步骤：
S1、在AlGaN/GaN外延层上定义刻蚀窗口，完成刻蚀后对刻蚀区域进行表面处理，除去刻蚀残留物和氧化物；
S2、在AlGaN/GaN外延层上定义源电极和漏电极的窗口，制备源电极和漏电极的第一层金属、第二层金属、第三层金属和第四层金属并进行退火形成欧姆接触，得到低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件。
进一步地，步骤S1中，刻蚀窗口设计为6-10μm；
所述表面处理是利用酸碱溶液清洗源电极和漏电极图形区域表面氧化物，或利用有机溶剂清洗源电极和漏电极图形区域表面有机物。
进一步地，步骤S2中，源电极和漏电极的窗口设计为5-8μm；
源电极和漏电极的第一层金属、第二层金属、第三层金属和第四层金属中，第一层金属为Ti、Ta中的一种，第二层金属为Al，第三层金属为Ta、Ti中的一种，第四层金属为W、Cu、TiN、TiW中的一种；
第一层金属的厚度1-20nm，第二层金属的厚度为60-150nm，第三层金属的厚度为1-20nm，第四层金属的厚度为60-200nm。
进一步地，步骤S2中，退火的气体氛围为氮气或氩气，退火的温度和退火的时间分别为450～650℃和30s～10min。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明采用电子束与磁控溅射相结合的方法，利用磁控溅射制备的第三层金属和第四层金属完全包裹住了利用电子束制备的第一层金属和第二层金属。无需额外的光刻步骤，源电极和漏电极剥离后形成的多层金属结构的接触层为第三层金属/第一层金属/第三层金属，通过低温退火多种金属间发生固相反应形成欧姆接触电极。保护层金属包裹住下层金属，有利于稳定多层金属结构，改善电极的表面形貌，同时减少或避免下层金属氧化从而提高了器件性能。通过I-V特性测试，本发明制备的Ti/Al/Ta/W结构的器件的导通电阻(13.6Ω·mm)相较于传统的单独使用Ti做接触层的Ti/Al/W结构的器件(15.1Ω·mm)下降了9.9％，提高了器件的性能。
附图说明
图1为实施例的在制备源漏接触电极前GaN基HEMT器件的外延层的示意图；
图2为实施例的经过刻蚀与表面处理后形成刻蚀区域的示意图；
图3为实施例的在制备完源漏接触电极的器件结构示意图；
图4为实施例1对应的器件的I-V特性比较图。
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：
低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件，如图3所示，包括AlGaN/GaN外延层，AlGaN/GaN外延层上表面的两端刻蚀区域分别连接源电极和漏电极；
如图1所示，AlGaN/GaN外延层包括从下往上依次层叠的衬底1、GaN缓冲层2、GaN沟道层3和AlGaN势垒层4。
如图3所示，源电极和漏电极均包括第一层金属5、第二层金属6、第三层金属7和第四层金属8；
本实施例中，第一层金属5、第二层金属6、第三层金属7和第四层金属8分别为Ti、Al、Ta和W。
其中，第一层金属5设置于AlGaN/GaN外延层上表面的两端刻蚀区域，第二层金属6设置于第一层金属5上，第三层金属7包裹第一层金属5和第二层金属6的顶面和侧面；第四层金属8包裹第三层金属7的顶面和侧面。
本实施例中，第一层金属5和第二层金属6采用电子束蒸发方式沉积第三层金属7和第四层金属8通过磁控溅射方式沉积。
本实施例中，源电极和漏电极剥离后形成的多层金属结构Ti/Al/Ta/W的接触层从一侧到另一侧为Ta/Ti/Ta。
本实施例中，第一层金属5两侧包裹的第三层金属7的长度为0.5μm。
本实施例中，AlGaN/GaN外延层上表面的AlGaN势垒层4两端的刻蚀区域保留1-3nm的厚度。
制备低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件的制备方法，包括如下步骤：
S1、如图2所示，在AlGaN/GaN外延层上定义刻蚀窗口，完成刻蚀后对刻蚀区域进行表面处理，除去刻蚀残留物和氧化物；
本实施例中，刻蚀窗口设计为6μm；
所述表面处理是利用酸碱溶液清洗源电极和漏电极图形区域表面氧化物，或利用有机溶剂清洗源电极和漏电极图形区域表面有机物。
S2、如图3所示，在AlGaN/GaN外延层上定义源电极和漏电极的窗口，制备源电极和漏电极的第一层金属5、第二层金属6、第三层金属7和第四层金属8并进行退火形成欧姆接触，得到低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件。
本实施例中，源电极和漏电极的窗口设计为5μm；
本实施例中，第一层金属5的厚度10nm，第二层金属6的厚度为80nm，第三层金属7的厚度为20nm，第四层金属8的厚度为150nm。
本实施例中，退火的气体氛围为氮气或氩气，退火的温度和退火的时间分别为550℃和10min。
实施例2：
本实施例中，第一层金属5、第二层金属6、第三层金属7和第四层金属8分别为Ta、Al、Ti和W。
本实施例中，制备低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件的方法，包括以下步骤：
S1、在AlGaN/GaN外延层上定义刻蚀窗口，刻蚀窗口设计为8μm，完成刻蚀后对刻蚀区域进行表面处理，除去刻蚀残留物和氧化物，如图2所示；
S2、在AlGaN/GaN外延层上定义源电极和漏电极的窗口，源电极和漏电极的窗口设计为6μm，电子束蒸发方式沉积源漏电极第一层金属5和第二层金属6，磁控溅射方式沉积第三层金属7和第四层金属8。源电极和漏电极剥离后形成的金属结构Ta/Al/Ti/W的接触层为Ti/Ta/Ti，第一层金属5两侧的第三层金属7的长度为1μm，第一层金属5的厚度为10nm，第二层金属6的厚度为80nm，第三层金属7的厚度为20nm，第四层金属8的厚度为150nm，如图3所示；
S3、将样品置于纯氮气氛围下，在550℃条件下退火，退火时间为10min，促进电极金属发生固相反应，同时使源电极和漏电极与GaN基外延形成欧姆接触。
图4为实施例1对应的器件的I-V特性比较图，可以看出，本实施例中制备的Ti/Al/Ta/W结构的器件的导通电阻(13.6Ω·mm)相较于传统的单独使用Ti做接触层的Ti/Al/W结构的器件(15.1Ω·mm)下降了9.9％，提高了器件的性能。
以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件，其特征在于，包括AlGaN/GaN外延层，AlGaN/GaN外延层上表面的两端刻蚀区域分别连接源电极和漏电极；
AlGaN/GaN外延层包括从下往上依次层叠的衬底(1)、GaN缓冲层(2)、GaN沟道层(3)和AlGaN势垒层(4)；
源电极和漏电极均包括第一层金属(5)、第二层金属(6)、第三层金属(7)和第四层金属(8)；
其中，第一层金属(5)设置于AlGaN/GaN外延层上表面的两端刻蚀区域，第二层金属(6)设置于第一层金属(5)上，第三层金属(7)包裹第一层金属(5)和第二层金属(6)的顶面和侧面；第四层金属(8)包裹第三层金属(7)的顶面和侧面；
第一层金属(5)和第二层金属(6)采用电子束蒸发方式沉积，第三层金属(7)和第四层金属(8)通过磁控溅射方式沉积；
源电极和漏电极剥离后形成的多层金属结构的接触层从一侧到另一侧为第三层金属(7)/第一层金属(5)/第三层金属(7)；
源电极和漏电极的第一层金属(5)、第二层金属(6)、第三层金属(7)和第四层金属(8)中，第一层金属(5)为Ti，第二层金属(6)为Al，第三层金属(7)为Ta，第四层金属(8)为W。
2.根据权利要求1所述的低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件，其特征在于，第一层金属(5)两侧包裹的第三层金属(7)的长度为0.5-1μm。
3.根据权利要求1所述的低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件，其特征在于，AlGaN/GaN外延层上表面的AlGaN势垒层(4)两端的刻蚀区域保留1-3nm的厚度。
4.权利要求1-3任一项所述的低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在AlGaN/GaN外延层上定义刻蚀窗口，完成刻蚀后对刻蚀区域进行表面处理，除去刻蚀残留物和氧化物；
S2、在AlGaN/GaN外延层上定义源电极和漏电极的窗口，制备源电极和漏电极的第一层金属(5)、第二层金属(6)、第三层金属(7)和第四层金属(8)并进行退火形成欧姆接触，得到低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件。
5.根据权利要求4所述的低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于，步骤S1中，刻蚀窗口设计为6-10μm；
所述表面处理是利用酸碱溶液清洗刻蚀区域表面氧化物，或利用有机溶剂清洗刻蚀区域表面有机物。
6.根据权利要求4所述的低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于，步骤S2中，源电极和漏电极的窗口设计为5-8μm；
第一层金属(5)的厚度1-20nm，第二层金属(6)的厚度为60-150nm，第三层金属(7)的厚度为1-20nm，第四层金属(8)的厚度为60-200nm。
7.根据权利要求4所述的低温无金欧姆接触GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于，步骤S2中，退火的气体氛围为氮气或氩气，退火的温度和退火的时间分别为450～650℃和30s～10min。
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