CN215869395U - 一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极，包括GaN基HEMT外延层，GaN基HEMT外延层内设置有GaN沟道层，电极包括在GaN基HEMT外延层的上表面从下到上依次排列设置第一金属层Ti、第二金属层Al和第三金属层TiW，或从下到上依次排列设置第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层Ti和第四金属层TiW。还相应公开了该电极的制备方法。本实用新型有效降低GaN基HEMT欧姆接触的退火温度，改善AlGaN势垒层整体刻蚀造成的2DEG泄露和形成欧姆接触时的电流减少，降低了欧姆接触的形成难度，低温退火合金后的欧姆接触表面形貌及边缘更加平整。同时有助于降低GaN基HEMT器件的制造成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体器件，特别涉及一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极。
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℃；2、高温退火窗口，氮气氛围，退火温度为800～1000℃。
在低温退火过程中，少部分仅通过优化Ti、Al的厚度以及Ti/Al的相对厚度，即采用一种Ti较薄(Al较厚)的Ti/Al基金属方案，由于未刻蚀减薄欧姆接触区域下的AlGaN势垒层，低温退火的的界面反应较弱，退火后仍剩余较厚的AlGaN势垒层，金属-半导体间的电子隧穿几率仍较低，该不刻蚀的低温欧姆接触的良品率较差。
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(2DEG)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。然而，对于AlGaN势垒层整体刻蚀的低温欧姆接触，由于AlGaN势垒层被整体刻蚀，欧姆区域的2DEG中断，一方面，2DEG中的高密度自由电子甚至会发生泄露，另一方面，与金属形成接触的2DEG的面积大大减少，导致形成欧姆接触的电流的降低[G.Greco,et al,Appl.Surf.Sci.,2016,383]。
在高温退火过程中，传统源漏欧姆接触常采用Ti/Al/X/Au四层金属结构，经过800℃以上的高温退火处理形成。这种经过高温退火过程的有金欧姆接触，具有粗糙的电极表面形貌、电极边缘[Y.-H.Hwang,et al,J.Vac.Sci.Technol.B,Nanotechnol.Microelectron.Mater.Process.Meas.Phenom.,2015,33(3)]。高温无金欧姆接触则通过选择合适的无金帽层金属，再优化Ti、Al的厚度以及Ti/Al的相对厚度，经过高温退火后，可以快速获得接触电阻低、表面形貌良好的无金欧姆接触。然而，一方面，高温退火会在AlGaN表面引入高密度的深能级/表面态，从而影响器件的动态性能，另一方面，欧姆接触的高温退火过程，容易引起异质结的降解，使得材料方块电阻增大，高温过程也限制了自对准“先栅”工艺的使用。
实用新型内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极，可以有效降低GaN基HEMT欧姆接触的退火温度，改善AlGaN势垒层整体刻蚀造成的2DEG泄露和形成欧姆接触时的电流减少，降低了欧姆接触的形成难度，低温退火合金后的欧姆接触表面形貌及边缘更加平整。
本实用新型的目的至少通过如下技术方案实现。
一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极，包括GaN基HEMT外延层，所述GaN基HEMT外延层内设置有GaN沟道层，所述电极包括在GaN基HEMT外延层的上表面从下到上依次排列设置第一金属层Ti、第二金属层Al和第三金属层TiW，或从下到上依次排列设置第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层Ti和第四金属层TiW。
优选地，当在GaN基HEMT外延层的上表面从下到上依次排列设置的是第一金属层Ti、第二金属层Al和第三金属层TiW时，第一金属层Ti厚度为5～20nm，第二金属层Al厚度为100～300nm，第三金属层TiW厚度为20～50nm。
优选地，当在GaN基HEMT外延层的上表面从下到上依次排列设置的是第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层Ti和第四金属层TiW时，第一金属层Ti厚度为5～20nm，第二金属层Al厚度为100～300nm，第三金属层Ti厚度为5～10nm，第四金属层TiW厚度为20～50nm。
本实用新型还提供一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用光刻技术在GaN基外延层上定义源漏刻蚀图形区域；
(2)采用ICP刻蚀技术将AlGaN势垒层完全刻蚀去除，并刻蚀至GaN沟道层向下10～50nm处；
(3)在保留光刻胶的基础上，步骤(2)所得的源漏刻蚀图形进行清洗处理；
(4)去除步骤(3)的光刻胶，对所得的GaN基HEMT外延层进行表面氧化处理；
(5)利用光刻技术对步骤(4)所得的GaN基HEMT外延层定义源漏欧姆接触图形区域；
(6)依次沉积源漏欧姆接触金属；
(7)对步骤(6)进行金属剥离形成源漏电极，于550～700℃进行合金退火处理，形成源漏欧姆接触电极。
优选地，步骤(2)中进行ICP刻蚀时的倾角为20～50°。
优选地，步骤(4)中所述表面氧化处理为氧等离子体处理或氧气氛围退火处理。
优选地，所述表面氧化处理为氧等离子体处理时，氧气流量为50-100sccm，功率为150-400W，时间为100s-5min。
优选地，所述表面氧化处理为氧气氛围退火处理时，退火温度为300℃～400℃，退火时间为10min～40min。
优选地，步骤(1)所述的源漏刻蚀图形区域小于步骤(5)所述源漏欧姆接触图形区域，单一电极上两图形的边距为2～8μm。
优选地，步骤(7)所述进行合金退火处理时的退火时间为30s～10min，气氛为高纯氮气。
相对于现有技术，本实用新型至少具有如下有益效果：
(1)本实用新型的无金源漏欧姆接触电极采用Ti/Al/TiW或Ti/Al/Ti/TiW多层金属体系，采用磁控溅射依次沉积。区别于传统低温欧姆接触，本实用新型采用ICP刻蚀的方法将AlGaN势垒层全部刻蚀，使金属与AlGaN/GaN异质结侧壁的2DEG直接接触，有利于欧姆接触的形成。此外，本实用新型在金属沉积前采用表面氧化工艺处理刻蚀后裸露的AlGaN/GaN异质结侧壁和GaN沟道层，形成一层氧化镓，促进金属与GaN沟道的欧姆接触，一方面，形成的氧化镓层可以缓解因AlGaN势垒层被去除而造成的电子泄露；另一方面，由于氧原子掺入GaN沟道层表面，提高了自由载流子浓度，使得GaN的费米能级向导带底偏移。
(2)本实用新型的GaN基HEMT经过550～700℃，30s～10min的快速退火形成欧姆接触，相比于传统欧姆接触金属体系，本实用新型降低了形成欧姆接触的退火温度，降低了工艺难度，，低温退火合金后的欧姆接触表面形貌及边缘更加平整，同时低温提升了工艺的兼容性。
(3)本实用新型采用AlGaN势垒层整体刻蚀的方法，降低了刻蚀精度的要求，提高了低温欧姆接触的重复率和良品率，有助于降低GaN基HEMT器件的制造成本。
(4)本实用新型在AlGaN势垒层整体刻蚀后，采用表面氧化处理工艺，改善了AlGaN势垒层整体刻蚀造成的2DEG泄露问题，提高了形成欧姆接触时的电流，降低了欧姆接触的形成难度。
(5)该无金欧姆接触电极可用于电力电子和微波通信等领域，应用领域广泛。
附图说明
图1为实施例中形成源漏刻蚀图形时GaN基HEMT外延层的示意图。
图2为实施例中ICP刻蚀后GaN基HEMT外延层的示意图。
图3为实施例中表面氧化处理后GaN基HEMT外延层的示意图。
图4为实施例中形成源漏欧姆接触图形时GaN基HEMT外延层的示意图。
图5为实施例中在源漏欧姆接触图形区域及光刻掩膜上依次沉积第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层TiW后GaN基HEMT外延上的示意图。
图6为实施例中剥离光刻掩膜上的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层TiW后的GaN基HEMT外延层结构的示意图。
图7、8、9、10、11、12分别为实施例1、2、3、4、5和6中的TLM测试结果曲线图。
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TiW，5-光刻掩膜，6-源漏刻蚀图形区域，7-ICP刻蚀后的区域，8-表面氧化处理后的区域，9-光刻掩膜，10-源漏电极图形区域。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型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
本实施例的GaN基HEMT低温无金欧姆接触的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用光刻技术，在GaN基外延层上定义源漏刻蚀图形区域；
(2)采用ICP刻蚀技术，将AlGaN势垒层完全刻蚀去除，并刻蚀至GaN沟道层(图中的虚线部分是指2DEG沟道，其下方就是GaN沟道层)向下10nm处，刻蚀倾角为50°；
(3)在保留光刻胶的基础上，利用酸碱溶液清洗对步骤(2)所得的源漏刻蚀图形进行清洗处理；
(4)去除步骤(3)的光刻胶，清洗干净后，将所得的GaN基外延层放入快速热退火系统中进行表面氧化处理以对刻蚀后裸露的AlGaN/GaN异质结侧壁和GaN沟道层进行处理，退火温度为400℃，退火时间为40min，气氛为高纯氧气；
(5)利用光刻技术，对步骤(4)所得的GaN基外延层定义源漏欧姆接触图形区域，源漏欧姆接触图形区域大于源漏刻蚀图形区域，且两图形边距为8μm；
(6)采用磁控溅射的方法，在源漏欧姆接触区域依次沉积第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3和第三金属层TiW 4，所述第一金属层Ti 2的厚度为5nm，第二所述金属层Al 3的厚度为100nm，所述第三金属层TiW 4的厚度为20nm。
(7)对步骤(6)去胶剥离形成源漏电极，在氮气氛围内进行快速热退火处理，退火温度为550℃，退火时间为10min，形成欧姆接触。
对本实施例制备的GaN基HEMT低温无金欧姆接触的TLM测试结构进行I-V测试，TLM电极间距L分别为10μm，20μm，30μm，40μm，50μm。得到R-L曲线图，如图7所示，通过计算可知，本实施例制备的低温欧姆接触电阻为2.57Ω·mm，比接触电阻率为1.40×10-4Ω·cm2，表明获得了良好的欧姆接触性能。
实施例2
本实施例的GaN基HEMT低温无金欧姆接触的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用光刻技术，在GaN基外延层上定义源漏刻蚀图形区域；
(2)采用ICP刻蚀技术，将AlGaN势垒层完全去除，并刻蚀至GaN沟道层向下20nm处，刻蚀倾角为40°；
(3)利用酸碱溶液清洗对步骤(2)所得的源漏刻蚀图形进行清洗处理；
(4)去除步骤(3)的光刻胶，清洗干净后，将所得的GaN基外延层放入快速热退火系统中进行表面氧化处理以对刻蚀后裸露的AlGaN/GaN异质结侧壁和GaN沟道层进行处理，退火温度为350℃，退火时间为20min，气氛为高纯氧气；
(5)利用光刻技术，对步骤(4)所得的GaN基外延层定义源漏欧姆接触图形区域，源漏欧姆接触图形区域大于源漏刻蚀图形区域，且两图形边距为4μm；；
(6)采用磁控溅射的方法，在源漏欧姆接触区域依次沉积第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层Ti和第四金属层TiW，所述第一金属层Ti的厚度为15nm，所述第二金属层Al的厚度为250nm，所述第三金属层Ti的厚度为8nm，所述第四金属TiW的厚度为30nm。
(7)对步骤(6)去胶剥离形成源漏电极，在氮气氛围内进行快速热退火处理，退火温度为600℃，退火时间为5min，形成欧姆接触。
对本实施例制备的GaN基HEMT低温无金欧姆接触的TLM测试结构进行I-V测试，TLM电极间距L分别为10μm，20μm，30μm，40μm，50μm。得到R-L曲线图，如图8所示，通过计算可知，本实施例制备的低温欧姆接触电阻为2.08Ω·mm，比接触电阻率为8.73×10-5Ω·cm2，表明获得了良好的欧姆接触性能。
实施例3
本实施例的GaN基HEMT低温无金欧姆接触的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用光刻技术，在GaN基外延层上定义源漏刻蚀图形区域；
(2)采用ICP刻蚀技术，将AlGaN势垒层完全去除，并刻蚀至GaN沟道层向下50nm处，刻蚀倾角为20°；
(3)利用酸碱溶液清洗对步骤(2)所得的源漏刻蚀图形进行清洗处理；
(4)去除步骤(3)的光刻胶，清洗干净后，将所得的GaN基外延层进行氧等离子体处理以对刻蚀后裸露的AlGaN/GaN异质结侧壁和GaN沟道层进行处理，氧气流量为60sccm，功率为250W，时间为200s；
(5)利用光刻技术，对步骤(4)所得的GaN基外延层定义源漏欧姆接触图形区域，源漏欧姆接触图形区域大于源漏刻蚀图形区域，且两图形边距为2μm；
(6)采用磁控溅射的方法，在源漏欧姆接触区域依次沉积第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3和第三金属层TiW 4，所述第一金属层Ti 2的厚度为20nm，所述第二金属层Al 3的厚度为300nm，所述第三金属层TiW 4的厚度为50nm。
(7)对步骤(6)去胶剥离形成源漏电极，在氮气氛围内进行快速热退火处理，退火温度为700℃，退火时间为30s，形成欧姆接触。
对本实施例制备的GaN基HEMT低温无金欧姆接触的TLM测试结构进行I-V测试，TLM电极间距L分别为10μm，20μm，30μm，40μm，50μm。得到R-L曲线图，如图9所示，通过计算可知，本实施例制备的低温欧姆接触电阻为2.23Ω·mm，比接触电阻率为9.76×10-5Ω·cm2，表明获得了良好的欧姆接触性能。
实施例4
本实施例的GaN基HEMT低温无金欧姆接触的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用光刻技术，在GaN基外延层上定义源漏刻蚀图形区域；
(2)采用ICP刻蚀技术，将AlGaN势垒层完全去除，并刻蚀至GaN沟道层向下50nm处，刻蚀倾角为20°；
(3)利用酸碱溶液清洗对步骤(2)所得的源漏刻蚀图形进行清洗处理；
(4)去除步骤(3)的光刻胶，清洗干净后，将所得的GaN基外延层进行氧等离子体处理以对刻蚀后裸露的AlGaN/GaN异质结侧壁和GaN沟道层进行处理，氧气流量为60sccm，功率为250W，时间为200s；
(5)利用光刻技术，对步骤(4)所得的GaN基外延层定义源漏欧姆接触图形区域，源漏欧姆接触图形区域大于源漏刻蚀图形区域，且两图形边距为2μm；
(6)采用磁控溅射的方法，在源漏欧姆接触区域依次沉积第一金属层Ti 2、第二金属层Al 3和第三金属层TiW 4，所述第一金属层Ti 2的厚度为12nm，所述第二金属层Al 3的厚度为200nm，所述第三金属层TiW 4的厚度为35nm。
(7)对步骤(6)去胶剥离形成源漏电极，在氮气氛围内进行快速热退火处理，退火温度为700℃，退火时间为30s，形成欧姆接触。
对本实施例制备的GaN基HEMT低温无金欧姆接触的TLM测试结构进行I-V测试，TLM电极间距L分别为10μm，20μm，30μm，40μm，50μm。得到R-L曲线图，如图10所示，通过计算可知，本实施例制备的低温欧姆接触电阻为1.9Ω·mm，比接触电阻率为7.13×10-5Ω·cm2，表明获得了良好的欧姆接触性能。
实施例5
本实施例的GaN基HEMT低温无金欧姆接触的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用光刻技术，在GaN基外延层上定义源漏刻蚀图形区域；
(2)采用ICP刻蚀技术，将AlGaN势垒层完全去除，并刻蚀至GaN沟道层向下50nm处，刻蚀倾角为20°；
(3)利用酸碱溶液清洗对步骤(2)所得的源漏刻蚀图形进行清洗处理；
(4)去除步骤(3)的光刻胶，清洗干净后，将所得的GaN基外延层进行氧等离子体处理以对刻蚀后裸露的AlGaN/GaN异质结侧壁和GaN沟道层进行处理，氧气流量为60sccm，功率为250W，时间为200s；
(5)利用光刻技术，对步骤(4)所得的GaN基外延层定义源漏欧姆接触图形区域，源漏欧姆接触图形区域大于源漏刻蚀图形区域，且两图形边距为2μm；
(6)采用磁控溅射的方法，在源漏欧姆接触区域依次沉积第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层Ti和第四金属层TiW，所述第一金属层Ti的厚度为5nm，所述第二金属层Al的厚度为100nm，所述第三金属层Ti的厚度为5nm，所述第四金属TiW的厚度为20nm。
(7)对步骤(6)去胶剥离形成源漏电极，在氮气氛围内进行快速热退火处理，退火温度为700℃，退火时间为8min，形成欧姆接触。
对本实施例制备的GaN基HEMT低温无金欧姆接触的TLM测试结构进行I-V测试，TLM电极间距L分别为10μm，20μm，30μm，40μm，50μm。得到R-L曲线图，如图11所示，通过计算可知，本实施例制备的低温欧姆接触电阻为2.14Ω·mm，比接触电阻率为9.12×10-5Ω·cm2，表明获得了良好的欧姆接触性能。
实施例6
本实施例的GaN基HEMT低温无金欧姆接触的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用光刻技术，在GaN基外延层上定义源漏刻蚀图形区域；
(2)采用ICP刻蚀技术，将AlGaN势垒层完全去除，并刻蚀至GaN沟道层向下50nm处，刻蚀倾角为20°；
(3)利用酸碱溶液清洗对步骤(2)所得的源漏刻蚀图形进行清洗处理；
(4)去除步骤(3)的光刻胶，清洗干净后，将所得的GaN基外延层进行氧等离子体处理以对刻蚀后裸露的AlGaN/GaN异质结侧壁和GaN沟道层进行处理，氧气流量为60sccm，功率为250W，时间为200s；
(5)利用光刻技术，对步骤(4)所得的GaN基外延层定义源漏欧姆接触图形区域，源漏欧姆接触图形区域大于源漏刻蚀图形区域，且两图形边距为2μm；
(6)采用磁控溅射的方法，在源漏欧姆接触区域依次沉积第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层Ti和第四金属层TiW，所述第一金属层Ti的厚度为20nm，所述第二金属层Al的厚度为300nm，所述第三金属层Ti的厚度为10nm，所述第四金属TiW的厚度为50nm。
(7)对步骤(6)去胶剥离形成源漏电极，在氮气氛围内进行快速热退火处理，退火温度为700℃，退火时间为2min，形成欧姆接触。
对本实施例制备的GaN基HEMT低温无金欧姆接触的TLM测试结构进行I-V测试，TLM电极间距L分别为10μm，20μm，30μm，40μm，50μm。得到R-L曲线图，如图12所示，通过计算可知，本实施例制备的低温欧姆接触电阻为2.18Ω·mm，比接触电阻率为9.33×10-5Ω·cm2，表明获得了良好的欧姆接触性能。
本实施例不构成对本实用新型的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本实用新型内容和原理后，能够在不背离本实用新型的原理和范围的情况下，根据本实用新型的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本实用新型的修正和改变仍在本实用新型的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极，其特征在于，包括GaN基HEMT外延层，所述GaN基HEMT外延层内设置有GaN沟道层，所述电极包括在GaN基HEMT外延层的上表面从下到上依次排列设置第一金属层Ti、第二金属层Al和第三金属层TiW，或从下到上依次排列设置第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层Ti和第四金属层TiW；在GaN基HEMT外延层的上表面从下到上依次排列设置的是第一金属层Ti、第二金属层Al和第三金属层TiW。
2.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极，其特征在于，
第一金属层Ti厚度为5～20nm。
3.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极，其特征在于，
第二金属层Al厚度为100～300nm。
4.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极，其特征在于，
第三金属层TiW厚度为20～50nm。
5.根据权利要求1所述的一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极，其特征在于，在GaN基HEMT外延层的上表面从下到上依次排列设置的是第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层Ti和第四金属层TiW。
6.根据权利要求5所述的一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极，其特征在于，第一金属层Ti厚度为5～20nm。
7.根据权利要求5所述的一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极，其特征在于，第二金属层Al厚度为100～300nm。
8.根据权利要求5所述的一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极，其特征在于，第三金属层Ti厚度为5～10nm。
9.根据权利要求5所述的一种GaN基HEMT低温无金欧姆接触电极，其特征在于，第四金属层TiW厚度为20～50nm。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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