RU2800395C1

RU2800395C1 - Method for manufacturing a high-current transistor with non-wall ohmic contacts

Info

Publication number: RU2800395C1
Application number: RU2022133587A
Authority: RU
Inventors: Владимир Ильич Егоркин; Владимир Александрович Беспалов; Максим Николаевич Журавлёв; Алексей Александрович Зайцев
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2023-07-21

Abstract

FIELD: transistors.

SUBSTANCE: powerful high-frequency field-effect transistors based on gallium nitride. Objective of the present invention is to reduce the contact resistance of the ohmic contacts of the source and drain. The proposed method is as follows. A buffer layer is grown on the substrate using epitaxy. A channel layer is grown on the surface of the buffer layer using epitaxy. On the surface of the channel layer, an AlN spacer layer 1–2 nm thick is grown by epitaxy. On the surface of the spacer layer, a contact layer of a highly alloyed solid solution Al_xGa_1-xN is epitaxially grown, where 0.15≤x≤0.4. After that, in the channel area, the Al_xGa_1-xN contact layer is etched along the mask to the AlN spacer layer. On the open part of the spacer layer in the channel area, a local epitaxial epitaxial growth of the AlN barrier layer is carried out. On the remaining parts of the highly alloyed Al_xGa_1-xN contact layer, ohmic drain and source contacts are deposited. A metal gate contact is fabricated on the AlN barrier layer.

EFFECT: reduced contact resistance of the ohmic contacts of the source and drain.

1 cl, 4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к мощным высокочастотным полевым транзисторам на основе нитрида галлия.The present invention relates to powerful high-frequency field-effect transistors based on gallium nitride.

Современные нитридгаллиевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) обладают высокими напряжением пробоя, концентрацией и подвижностью носителей заряда в канале. Это делает их идеальной элементной базой для изготовления высокочастотных усилителей и переключателей мощности. Типовая конструкция подобных транзисторов описана в известном патенте США [1]. Она включает в себя подложку, буферный слой, слой непреднамеренно легированного GaN (канальный слой), барьерный слой Al_xGa_1-xN, расположенные на барьерном слое контакты истока, стока и затвора. Приборные слои выращиваются с помощью эпитаксии.Modern gallium nitride transistors with high electron mobility (HEMT) have high breakdown voltage, concentration and mobility of charge carriers in the channel. This makes them an ideal element base for the manufacture of high-frequency amplifiers and power switches. A typical design of such transistors is described in a well-known US patent [1]. It includes a substrate, a buffer layer, an unintentionally doped GaN layer (channel layer), an Al _x Ga _1-x N barrier layer, source, drain and gate contacts located on the barrier layer. Device layers are grown using epitaxy.

Уменьшение длины канала позволяет увеличить удельную крутизну и предельную частоту транзистора. При этом для смягчения эффектов короткого канала должна уменьшаться толщина барьерного слоя. Высокочастотные характеристики транзисторов ограничены паразитными сопротивлениями, значительную часть которых составляют высокие контактные сопротивления омических контактов истока и стока.Reducing the channel length allows you to increase the specific slope and the limiting frequency of the transistor. In this case, to mitigate the effects of a short channel, the thickness of the barrier layer should decrease. The high-frequency characteristics of transistors are limited by parasitic resistances, a significant part of which are high contact resistances of the ohmic source and drain contacts.

Типичный способ изготовления омических контактов к стоку и истоку описан в известном патенте и состоит из осаждения Ti/Al/Ni/Au или других подобных металлов на поверхность барьерного слоя и последующего сплавления при высокой температуре (от 675 до 725°С) [2]. Получаемое удельное сопротивление ρ_с=0,4-0,5 Ом⋅мм. Подобная технология приводит к увеличению размеров области омических контактов, что негативно влияет на рабочие характеристики СВЧ транзистора при малом расстоянии между стоком и истоком.A typical method for making ohmic contacts to the drain and source is described in a well-known patent and consists of deposition of Ti/Al/Ni/Au or other similar metals on the surface of the barrier layer and subsequent fusion at high temperature (from 675 to 725°C) [2]. The resulting resistivity ρ _c = 0.4-0.5 Ohm⋅mm. This technology leads to an increase in the size of the ohmic contact area, which negatively affects the performance of the microwave transistor with a small distance between the drain and the source.

Существуют способы изготовления транзисторов с невплявляемыми омическими контактами. Один из них описан в известном патенте США и заключается в имплантации ионов донорной примеси в подконтактную область [3]. Максимум концентрации примеси расположен на расстоянии 100 Å от канала и равен 3×10²⁰ см^-3. Основной недостаток указанного способа - высокие дозы имплантируемых ионов, необходимые для получения большой концентрации носителей заряда, вызывают аморфизацию кристаллической структуры полупроводниковых материалов. Рекристаллизация барьерного слоя AlGaN требует длительного времени отжига при температурах от 450°С до 700°С. Это может привести к деградации и разрушению тонких эпитаксиальных слоев в приборной структуре.There are methods for manufacturing transistors with non-injectable ohmic contacts. One of them is described in a well-known US patent and consists in the implantation of donor impurity ions into the subcontact region [3]. The maximum impurity concentration is located at a distance of 100 Å from the channel and is equal to 3×10 ²⁰ cm ^-3 . The main disadvantage of this method is that high doses of implanted ions, necessary to obtain a high concentration of charge carriers, cause amorphization of the crystal structure of semiconductor materials. Recrystallization of the AlGaN barrier layer requires a long annealing time at temperatures from 450°C to 700°C. This can lead to degradation and destruction of thin epitaxial layers in the device structure.

В известном патенте США, выбранном нами за прототип, описан способ изготовления невплавных омических контактов с помощью травления барьерного слоя и последующего селективного наращивания n+GaN в области контакта [4]. Предложенный способ включает эпитаксиальное выращивание на подложке канального слоя, эпитаксиальное выращивание барьерного слоя на поверхности канального, сквозное травление барьерного слоя по маске и формирование углублений в канальном слое в областях омических контактов, наращивание высоколегированного контактного слоя на открытых участках канального слоя, осаждение металлических контактов стока и истока на высоколегированный контактный слой, осаждение металлического контакта затвора на барьерный слой. Металлические контакты стока и истока представляют собой слоистую структуру Ti/Al/X/Au, где X - это Ni, Mo, Pt и/или Ti. Однако, такой процесс очень сложен. Травление и сопутствующее извлечение образца из ростовой камеры вызывают разрыхление и загрязнение поверхности, на которой проводится наращивание. Рыхлая граница ухудшает электрический контакт к области двумерного электронного газа в канале и увеличивает контактное сопротивление. Атомы углерода на заращиваемой поверхности являются причиной возникновения аномальных пористых областей и высокой плотности дефектов в наращиваемом n+GaN и последующего высокого удельного контактного сопротивления. Результаты измерения контактного сопротивления методом длинной линии (TLM) приведены в работе [5]. ρ_с=0,25 Ом⋅мм.The well-known US patent, chosen by us as a prototype, describes a method for manufacturing non-melting ohmic contacts by etching the barrier layer and subsequent selective growth of n + GaN in the contact area [4]. The proposed method includes epitaxial growth of the channel layer on the substrate, epitaxial growth of the barrier layer on the surface of the channel layer, through etching of the barrier layer on the mask and the formation of depressions in the channel layer in the areas of ohmic contacts, the growth of a highly doped contact layer in the open areas of the channel layer, the deposition of metal drain contacts and source on a highly doped contact layer, deposition of a metal gate contact on the barrier layer. The drain and source metal contacts are a Ti/Al/X/Au layered structure where X is Ni, Mo, Pt and/or Ti. However, such a process is very complicated. Etching and the concomitant removal of the sample from the growth chamber cause loosening and contamination of the surface on which the growth is carried out. The loose boundary worsens the electrical contact to the 2D electron gas region in the channel and increases the contact resistance. Carbon atoms on the surface to be overgrown are responsible for the appearance of anomalous porous regions and high defect density in the grown n+GaN and subsequent high contact resistivity. The results of measuring the contact resistance by the long line method (TLM) are given in [5]. ρ _c =0.25 Ohm⋅mm.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение контактного сопротивления омических контактов истока и стока высокочастотного нитридгаллиевого транзистора с высокой подвижностью электронов.The objective of the present invention is to reduce the contact resistance of the ohmic source and drain contacts of a high-frequency gallium nitride transistor with high electron mobility.

Предлагаемый способ заключается в следующем. На подложке эпитаксиально выращивается буферный слой. На поверхности буферного слоя эпитаксиально выращивается канальный слой. Эпитаксиально выращивается барьерный слой. Проводится напыление металлических контактов стока, истока и затвора. Для достижения технического результата на поверхности канального слоя эпитаксиально выращивается спейсерный слой AlN толщиной 1-2 нм. На поверхности спейсерного слоя эпитаксиально выращивается контактный слой высоколегированного твердого раствора Al_xGa_1-xN, где 0,15≤x≤0,4. После этого в области канала по маске проводится травление контактного слоя Al_xGa_1-xN до спейсерного слоя AlN. Далее на спейсерном слое проводится локальное эпитаксиальное наращивание барьерного слоя AlN в области канала.The proposed method is as follows. A buffer layer is epitaxially grown on the substrate. A channel layer is epitaxially grown on the surface of the buffer layer. The barrier layer is grown epitaxially. The metal contacts of the drain, source and gate are sprayed. To achieve a technical result, an AlN spacer layer 1–2 nm thick is epitaxially grown on the surface of the channel layer. On the surface of the spacer layer, a contact layer of a highly alloyed Al _x Ga _1-x N solid solution is epitaxially grown, where 0.15≤x≤0.4. After that, in the channel area, the Al _x Ga _1-x N contact layer is etched along the mask to the AlN spacer layer. Next, a local epitaxial growth of the AlN barrier layer in the channel region is carried out on the spacer layer.

В зависимости контактного сопротивления от параметров приборной гетероструктуры можно выделить несколько независимых слагаемых:Depending on the contact resistance on the parameters of the device heterostructure, several independent terms can be distinguished:

ρ_C=ρ_Me-AlGaN+ρ_AlGaN+ρ_2DEG ρ _C =ρ _Me-AlGaN +ρ _AlGaN +ρ _2DEG

Первое слагаемое (ρ_Ме-AlGaN) связано с интерфейсом металл/AlGaN и не зависит от свойств гетероструктуры. Два других слагаемых связаны с мольной долей алюминия x и уровнем легирования Al_xGa_1-xN (ρ_AlGaN) и плотностью двумерного электронного газа (ρ_2DEG). Увеличение уровня легирования Al_xGa_1-xN позволяет уменьшить резистивный вклад контактного слоя Al_xGa_1-xN, ρ_AlGaN. Для легирования Al_xGa_1-xN в качестве донорной примеси обычно используется кремний. Для GaN энергия ионизации равна 17 мэВ, а для AlN - от 75 до 95 мэВ. Эти энергии соответствуют коэффициентам активации при комнатной температуре от 0,5 до 0,06 в GaN и AlN, соответственно. Т.е. увеличение мольной доли алюминия x уменьшает концентрацию носителей заряда. Для Si в Al_xGa_1-xN существует предел легирования, который снижает максимально достижимые концентрации носителей по сравнению с GaN. С другой стороны, согласно модели из статьи [6], большая мольная доля алюминия в Al_xGa_1-xN приводит к более высокой концентрации носителей в слое двумерного электронного газа, уменьшая ρ_2DEG. Следовательно, поскольку полное контактное сопротивление определяется суммой ρ_AlGaN и ρ_2DEG, ожидается, что удельное контактное сопротивление будет уменьшаться до определенного значения при уменьшении мольной доли алюминия и увеличиваться при очень низких значениях x, когда концентрация двумерного электронного газа становится малой. Моделирование в программе Sentaurus TCAD показало допустимые значения мольной доли алюминия от 15 до 40%. Также следует отметить, что при использовании ростовой технологии MOCVD затруднительно получить толстые монокристаллические слои Al_xGa_1-xN с высокой мольной долей алюминия из-за растрескивания материала.The first term (ρ _Me-AlGaN ) is associated with the metal/AlGaN interface and does not depend on the properties of the heterostructure. The other two terms are related to the mole fraction of aluminum x and the doping level Al _x Ga _1-x N (ρ _AlGaN ) and the density of the two-dimensional electron gas (ρ _2DEG ). Increasing the doping level of Al _x Ga _1-x N makes it possible to reduce the resistive contribution of the contact layer Al _x Ga _1-x N, ρ _AlGaN . For doping Al _x Ga _1-x N, silicon is usually used as a donor impurity. For GaN, the ionization energy is 17 meV, and for AlN, from 75 to 95 meV. These energies correspond to room temperature activation coefficients of 0.5 to 0.06 in GaN and AlN, respectively. Those. an increase in the mole fraction of aluminum x reduces the concentration of charge carriers. For Si in Al _x Ga _1-x N, there is a doping limit that reduces the maximum achievable carrier concentrations compared to GaN. On the other hand, according to the model from article [6], a large mole fraction of aluminum in Al _x Ga _1-x N leads to a higher concentration of carriers in the 2D electron gas layer, reducing ρ _2DEG . Therefore, since the contact impedance is determined by the sum of ρ _AlGaN and ρ _2DEG , it is expected that the specific contact resistance will decrease to a certain value as the aluminum mole fraction decreases and increase at very low values of x, when the concentration of 2D electron gas becomes low. Modeling in the Sentaurus TCAD program showed acceptable values for the aluminum mole fraction from 15 to 40%. It should also be noted that when using the MOCVD growth technology, it is difficult to obtain thick Al _x Ga _1-x N single-crystal layers with a high mole fraction of aluminum due to material cracking.

Основные этапы изготовления высокочастотного транзистора с невплавными омическими контактами показаны на фиг. 1, гдеThe main stages of manufacturing a high-frequency transistor with non-melting ohmic contacts are shown in Fig. 1, where

1 - подложка, 2 - буферный слой, 3 - канальный слой GaN, 4 - спейсерный слой AlN, 5 - контактной слой высоколегированного твердого раствора Al_xGa_1-xN, 6 - барьерный слой AlN, 7 - омический контакт истока, 8 - пассивирующий диэлектрик, 9 - затвор, 10 - омический контакт стока.1 - substrate, 2 - buffer layer, 3 - GaN channel layer, 4 - AlN spacer layer, 5 - contact layer of highly alloyed Al _x Ga _1-x N solid solution, 6 - AlN barrier layer, 7 - ohmic source contact, 8 - passivating dielectric, 9 - gate, 10 - ohmic drain contact.

На фиг. 1a показано эпитаксиальное выращивание буферного, канального, спейсерного и контактного слоев.In FIG. 1a shows the epitaxial growth of the buffer, channel, spacer and contact layers.

На фиг. 1б показано травление высоколегированного контактного слоя Al_xGa_1-xN до спейсерного слоя A1N и эпитаксиальное наращивание барьерного слоя AlN в области канала.In FIG. 1b shows the etching of a highly doped Al _x Ga _1-x N contact layer to the A1N spacer layer and the epitaxial growth of the AlN barrier layer in the channel region.

На фиг. 1в показано осаждение пассивирующего диэлектрика и изготовление контактов, истока, стока и затвора.In FIG. 1c shows the deposition of a passivating dielectric and the fabrication of contacts, source, drain, and gate.

Травление высоколегированного контактного слоя Al_xGa_1-xN (5) в области канала проводится смесью газов, содержащей хлор и фтор (BCl₃+SF₆, BCl₃+CF₄ и др.). В этом случае тонкий спейсерный слой AlN (4) выполняет функцию стоп-слоя. На поверхности AlN образуются соединения AlF₃ и AlO_x, на которых и останавливается травление. Для удаления тонкого диэлектрического слоя образец обрабатывается в растворе HF/NH₄OH или в растворе соляной кислоты.Etching of the highly alloyed contact layer Al _x Ga _1-x N (5) in the channel area is carried out with a mixture of gases containing chlorine and fluorine (BCl ₃ +SF ₆ , BCl ₃ +CF ₄ and others). In this case, a thin AlN (4) spacer layer functions as a stop layer. AlF ₃ and AlO _x compounds are formed on the AlN surface, on which the etching stops. To remove a thin dielectric layer, the sample is treated in an HF/NH ₄ OH solution or in a hydrochloric acid solution.

Вскрытый тонкий спейсерный слой AlN (4) выступает в качестве основы для наращивания барьерного слоя AlN (6) в области канала. AlN имеет самую высокую спонтанную поляризацию среди всех нитридных полупроводников и, как следствие, наибольшую плотность двумерного электронного газа на гетерогранице с GaN даже при толщине менее 10 нм. Ультратонкие барьеры AlN обеспечивают возможность управления транзистором вплоть до частот W-диапазона (75-110 ГГц). Наращивание желательно проводить методом молекулярно лучевой эпитаксии (МВЕ). Т.к. материалы основы и наращиваемого слоя совпадают (AlN), то выращенный барьерный слой (6) повторяет кристаллическую структур спейсерного слоя (4) и поэтому имеет хорошее качество. Подобный технологический подход позволяет получить непрерывную область двумерного электронного газа под каналом и контактами стока и истока. Тем самым достигается существенное уменьшение сопротивления транзистора в открытом состоянии.The opened thin AlN (4) spacer layer acts as a basis for building up the AlN (6) barrier layer in the channel area. AlN has the highest spontaneous polarization among all nitride semiconductors and, as a result, the highest density of the two-dimensional electron gas at the heterointerface with GaN even at a thickness of less than 10 nm. Ultra-thin AlN barriers provide the ability to control the transistor up to W-band frequencies (75-110 GHz). The growth is preferably carried out by molecular beam epitaxy (MBE). Because the materials of the base and the layer being grown are the same (AlN), then the grown barrier layer (6) repeats the crystalline structure of the spacer layer (4) and therefore has a good quality. Such a technological approach makes it possible to obtain a continuous region of two-dimensional electron gas under the channel and the drain and source contacts. Thus, a significant decrease in the resistance of the transistor in the open state is achieved.

Реализуемость предложенного способа подтверждена изготовлением серии тестовых GaN транзисторов на кремниевой подложке. Буферный (2), канальный (3), спейсерный (4) и контактный (5) слои выращивалась методом газофазной эпитаксии (MOCVD). Качество поверхности приборной структуры контролировалось методом рассеяния лазерного излучения. В процессе роста проводилось легирование контактного слоя (5) кремнием до концентрации 10¹⁹-10²⁰ см^-3. В результате получается низкое слоевое сопротивление в диапазоне 20-100 Ом/□ в зависимости от толщины.The feasibility of the proposed method was confirmed by manufacturing a series of test GaN transistors on a silicon substrate. Buffer (2), channel (3), spacer (4), and contact (5) layers were grown by the method of gas-phase epitaxy (MOCVD). The surface quality of the device structure was controlled by the method of laser radiation scattering. During growth, the contact layer (5) was doped with silicon to a concentration of 10 ¹⁹ -10 ²⁰ cm ^-3 . The result is a low sheet resistance in the range of 20-100 ohm/□ depending on the thickness.

Низкоомные омические контакты истока (7) и стока (10) изготавливаются с помощью последовательного напыления слоев титана, алюминия, никеля и золота. Затвор (9) формировался электронно-лучевым испарением и осаждением металлизации Ni-Al-Ti по маске фоторезиста с последующим «взрывом» (lift-off). Тонкий спейсерный слой (4) в области контактов слабо влияет на величину контактного сопротивления, т.к. электроны преодолевают его за счет туннельного эффекта.The low-resistance source (7) and drain (10) ohmic contacts are fabricated by sequential deposition of titanium, aluminum, nickel, and gold layers. The shutter (9) was formed by electron-beam evaporation and deposition of Ni-Al-Ti metallization on the photoresist mask, followed by a lift-off. A thin spacer layer (4) in the contact area has little effect on the value of the contact resistance, since electrons overcome it due to the tunnel effect.

Верхняя поверхность образца пассивировалась посредством осаждения слоя нитрида кремния (8).The upper surface of the sample was passivated by depositing a layer of silicon nitride (8).

На фиг. 2 показано РЭМ изображение контактной металлизации. По фотографии видно, что металлизация обладает гладкой морфологией. Отсутствую вспучивания и неровности металла, характерные для вплавленного омического контакта. Дополнительный контроль шероховатости, выполненный с помощью АСМ, не выявил аномальных значений неровностей.In FIG. 2 shows a SEM image of contact plating. The photo shows that the metallization has a smooth morphology. There are no swellings and irregularities of the metal, which are characteristic of the fused ohmic contact. Additional roughness control, performed using AFM, did not reveal abnormal values of irregularities.

Для проведения измерений контактного сопротивления омических контактов методом длинной линии (TLM) была подготовлена тестовая структура, состоящая из ряда одинаковых прямоугольных контактов шириной 50 и 10 мкм. Для изоляции тестовой структуры применялось реактивное ионное травление в хлорсодержащей плазме. Перед осаждением металлов поверхность обрабатывалась аргоновой плазмой в течение 90 секунд для очистки от загрязнений. Измерения BAX проводились с помощью мультиметра Agilent.To measure the contact resistance of ohmic contacts by the long line method (TLM), we prepared a test structure consisting of a number of identical rectangular contacts 50 and 10 µm wide. Reactive ion etching in chlorine-containing plasma was used to isolate the test structure. Before metal deposition, the surface was treated with argon plasma for 90 seconds to remove contaminants. BAX measurements were taken with an Agilent multimeter.

По результатам измерений контактного сопротивления было получено значение 0,15 Ом⋅мм, что меньше, чем 0,25 Ом⋅мм в способе прототипе и 0,4-0,5 Ом⋅мм при изготовлении омического контакта с помощью вплавления.According to the results of measurements of the contact resistance, a value of 0.15 Ohm⋅mm was obtained, which is less than 0.25 Ohm⋅mm in the prototype method and 0.4-0.5 Ohm⋅mm in the manufacture of an ohmic contact using fusing.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №US 51929871. US Patent No. US 5192987

2. Патент РФ №RU 23153892. Patent of the Russian Federation No. RU 2315389

3. Патент США №US 97116333. US Patent No. US 9711633

4. Патент США №US 7432142 - прототип4. US patent No. US 7432142 - prototype

5. Lugani L. et al. N+-GaN grown by ammonia molecular beam epitaxy: Application to regrown contacts // Appl. Phys. Lett. - 2014. - Vol. 105, №20. - P. 2012-2015.5. Lugani L. et al. N+-GaN grown by ammonia molecular beam epitaxy: Application to regrown contacts, Appl. Phys. Lett. - 2014. - Vol. 105, no. 20. - P. 2012-2015.

6. Ambacher O. et al. Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization in undoped and doped AlGaN/GaN heterostructures // J. Appl. Phys. - 2000. - Vol.87, №1. - P. 334-344.6 Ambacher O. et al. Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization in undoped and doped AlGaN/GaN heterostructures // J. Appl. Phys. - 2000. - Vol.87, No. 1. - P. 334-344.

Claims

A method for manufacturing a high-frequency transistor with non-melting ohmic contacts, including epitaxial growth of a buffer layer on a substrate, epitaxial growth of a channel layer on a buffer layer surface, epitaxial growth of a barrier layer, deposition of metal drain, source, and gate contacts, characterized in that a spacer layer is epitaxially grown on the surface of the channel layer. an AlN layer 1-2 nm thick, on which a contact layer of a highly alloyed solid solution Al _x Ga _1-x N is then grown, where 0.15≤x≤0.4, after which the Al _x Ga _1- contact layer is etched in the channel area _x N to the AlN spacer layer, and then local epitaxial growth of the AlN barrier layer in the channel region is carried out on the spacer layer.