一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統的製作方法

2023-07-17 01:16:16 1

本發明屬於半導體器件製備技術領域，特別是涉及一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統。

背景技術：

鋁鎵氮化合物(AlGaN)/氮化鎵(GaN)高電子遷移率電晶體(HEMT)作為第三代寬禁帶化合物半導體器件,其所具有的高頻、大功率特性是現有Si和GaAs等半導體技術所不具備的，使得其在微波應用領軍具有獨特的優勢，從而成為了半導體微波功率器件研究的熱點。近年來研究人員在AlGaN/GaN HEMT的微波性能方面已取得了很好的突破,特別是輸出功率能力方面，目前公開的小尺寸AlGaN/GaN HEMT的輸出功率密度在X波段可達30W/mm以上(Wu et al.IEEE Electron Device Lett.，Vol.25，No.3，pp.117-119，2004.)、Ka波段其輸出功率甚至也達到了10W/mm以上(T.Palacios et al.,IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,VOL.26,NO.11,pp.781-783，2005.)。

肖特基柵工藝是AlGaN/GaN HEMT器件研製中的關鍵工藝，肖特基柵的作用一個方面是與AlGaN/GaN HEMT器件形成肖特基接觸，從而在器件工作的時候，肖特基柵上的電壓變化能夠調製溝道中二維電子氣。判斷肖特基柵工藝好壞一般從勢壘的熱穩定性、柵阻等幾個方面進行判別，但對於AlGaN/GaN HEMT器件來說，還有一個重要的方面就是構成肖特基柵的金屬體系熱脹係數與GaN或者AlGaN的失配要儘量的小，這是因為一方面AlGaN/GaN HEMT器件中AlGaN勢壘層與GaN溝道層存在較大的晶格失配，熱脹係數大的肖特基柵金屬體系可能加劇這一失配，從而引起器件的可靠性問題；另外GaN或者AlGaN具有很強的壓電極化效應，熱脹係數大的肖特基柵金屬體系還有可能引起還有可能引起器件性能上隨溫度變化更加劇烈。

目前常用Ni/Au/Ti或者Ni/Pt/Au/Pt/Ti或者Ni/Pt/Au/Ni或者Pt/Au/Pt/Ti等多層金屬體系作為AlGaN/GaN HEMT器件的肖特基柵，在這些金屬體系中，Ni或者Ni/Pt或者Pt等金屬層與AlGaN/GaN HEMT器件的外延層形成肖特基勢壘接觸，而Au金屬層的作用主要是降低柵阻，Au金屬層上的Ti或者Ni或者Pt/Ti等金屬層的主要作用是保護Au金屬層，使得後續澱積SiN保護介質層時Au金屬層不會與SiN介質層發生共金反應。Ni/Au/Ti或者Ni/Pt/Au/Pt/Ti或者Ni/Pt/Au/Ni或者Pt/Au/Pt/Ti等多層金屬體系作為AlGaN/GaN HEMT器件的肖特基柵時，由於Ni金屬層或者Ni/Pt或者Pt金屬層由於自身應力較大其厚度一般在30-50nm左右，這樣使得其上的Au金屬層離AlGaN/GaN HEMT器件的外延層比較靠近，Au金屬層與AlGaN/GaN HEMT器件的外延層存在較大的熱失配，使得器件在高溫下工作時存在可靠性隱患。半導體工藝中可作為AlGaN/GaN HEMT器件肖特基柵的多層金屬體系中，除了Au可以起到降低器件柵阻的作用外，還可以選用的有Al或者Cu，但是不管是Au或者是Al還是Cu，它們熱脹係數均較大，與AlGaN/GaN HEMT器件的外延層都存在較大的熱失配，不利於高可靠AlGaN/GaN HEMT器件的製造，因此需要加以改進，來降低Au或者是Al或者是Cu這幾種金屬帶來的影響。

技術實現要素：

本發明的目的是為克服現有技術的不足而提供一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統，本發明的氮化鎵器件肖特基柵的多層金屬體系與其外延層之間有很好的熱配性，能夠大大提高氮化鎵器件的工作可靠性。

根據本發明提出的一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統的第一種方案，該氮化鎵器件的結構自下而上依次包括襯底、GaN緩衝層、AlGaN勢壘層；所述AlGaN勢壘層上方的一端設有源電極和另一端設有漏電極，其特徵在於，還包括位於所述源電極和漏電極之間的AlGaN勢壘層的上方設有AlGaN/GaN HEMT柵電極，所述AlGaN/GaN HEMT柵電極為設有肖特基接觸結構的柵電極，所述肖特基接觸結構包括設有Ni金屬層/Mo金屬層/Ti金屬層/Pt金屬層/Y金屬層的複合金屬層，從所述AlGaN勢壘層與源電極、AlGaN/GaN HEMT柵電極以及漏電極結合的界面處開始，自下而上依次包括Ni金屬層、Mo金屬層、Ti金屬層、Pt金屬層和Y金屬層；其中：所述Y金屬層為Au、Al或Cu和Ti的Au/Ti複合金屬層、Al/Ti複合金屬層或Cu/Ti複合金屬層。

根據本發明提出的一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統的第二種方案，該氮化鎵器件的結構自下而上依次包括襯底、GaN緩衝層、AlGaN勢壘層；所述AlGaN勢壘層上方的一端設有源電極和另一端設有漏電極，其特徵在於還包括位於所述源電極和漏電極之間的AlGaN勢壘層的上方設有AlGaN/GaN HEMT柵電極，所述AlGaN/GaN HEMT柵電極為設有肖特基接觸結構的柵電極，所述肖特基接觸結構包括設有Ni金屬層/Mo金屬層/X金屬層/Y金屬層組成的複合金屬層，從所述AlGaN勢壘層與源電極、AlGaN/GaN HEMT柵電極以及漏電極結合的界面處開始，自下而上依次包括Ni金屬層、Mo金屬層、X金屬層和Y金屬層；其中：所述X金屬層包括Ti金屬層/Pt金屬層/Ti金屬層/Pt金屬層的複合金屬層或Ti金屬層/Mo金屬層/Ti金屬層/Mo金屬層的複合金屬層；所述Y金屬層包括Au金屬層/Ti金屬層、Al金屬層/Ti或Cu金屬層/Ti金屬層的複合金屬層。

本發明的實現原理是：本發明為製造高可靠性的氮化鎵器件，一方面採用具有比Ni或Pt金屬具有更小熱脹係數的金屬如Mo等作為肖特基勢壘金屬層，但因Mo金屬的粘附性較差，不適合直接與外延層接觸形成肖特基接觸，所以在Mo金屬與外延層之間插入較為薄層的Ni金屬起到加強粘附性的作用。另一方面為克服Au、Al或Cu這幾種金屬高的熱脹係數帶來的不利影響，所以在器件肖特基接觸金屬與Au、Al或Cu金屬層之間複合具有較低熱脹係數及較低熱導率的Ti金屬層，使得器件工作時，Au、Al或Cu金屬層具有比外延層更低的溫度，從而規避其熱脹因素，保證了器件的高可靠性。如本發明實施例1提供了一種採用Ni/Mo雙層複合金屬勢壘層的Ni/Mo/Ti/Pt/Y/Ti肖特基接觸結構，其中Y為Au、Al或Cu金屬層，採用蒸發的方法在AlGaN勢壘層的表面依次澱積Ni、Mo、Ti、Pt、Y和Ti的金屬層而形成柵電極。又如本發明的實施例2提供了一種採用Ni/Mo雙層複合金屬勢壘層的Ni/Mo/Ti/Pt/Ti/Pt/Y/Ti肖特基接觸結構，其中Y為Au、Al或Cu金屬層，採用蒸發的方法在AlGaN勢壘層的表面依次澱積Ni、Mo、Ti、Pt、Ti、Pt、Y和Ti的金屬層而形成柵電極。

本發明與現有技術相比其顯著優點在於：

第一，肖特基柵與AlGaN/GaN HEMT器件外延層接觸的金屬層具有更小的熱脹係數，避免了金屬熱脹冷縮過程中對器件性能的影響。

第二，肖特基柵與AlGaN/GaN HEMT器件外延層接觸的金屬層具有更小的熱導率，可以有效減緩肖特基柵中用於降低柵阻的Au、Al或者Cu等金屬層升溫降溫過程，從而避免了驟冷驟熱過程中金屬機械應力對AlGaN/GaN HEMT器件外延層的衝擊，有利於提高AlGaN/GaN HEMT器件的工作可靠性。

附圖說明：

圖1是本發明提出的一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統的基形結構示意圖。

圖2A是圖1中所示的從AlGaN勢壘層13與源電極14、AlGaN/GaN HEMT柵電極16以及漏電極15結合的界面處開始，依次包括金屬層21、22、23、24和25的第一種方案。

圖2B是圖1中所示的從AlGaN勢壘層13與源電極14、AlGaN/GaN HEMT柵電極16以及漏電極15結合的界面處開始，依次包括金屬層26、27、28和29的第二種方案。

圖3A至圖3E是本發明提出的一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統的實施例1的結構示意圖。

圖4A至圖4B是本發明的提出的一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統的實施例2的結構示意圖。

具體實施例

下面結合附圖和實施例對本發明的具體實施方式進一步進行詳細說明。

結合圖1、圖2A和圖2B，本發明提出的一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統的第一種方案，該氮化鎵器件的結構自下而上依次包括襯底11、GaN緩衝層12、AlGaN勢壘層13；所述AlGaN勢壘層13上方的一端設有源電極14和另一端設有漏電極15；還包括位於所述源電極14和漏電極15之間的AlGaN勢壘層13的上方設有AlGaN/GaN HEMT柵電極16，所述AlGaN/GaN HEMT柵電極16為設有肖特基接觸結構的柵電極，所述肖特基接觸結構包括設有Ni金屬層/Mo金屬層/Ti金屬層/Pt金屬層/Y金屬層的複合金屬層，從所述AlGaN勢壘層13與源電極14、AlGaN/GaN HEMT柵電極16以及漏電極15結合的界面處開始，自下而上依次包括Ni金屬層21、Mo金屬層22、Ti金屬層23、Pt金屬層24和Y金屬層25；其中：所述Y金屬層為Au、Al或Cu和Ti的Au/Ti複合金屬層、Al/Ti複合金屬層或Cu/Ti複合金屬層。

本發明提出的一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統的第一種方案的優選方案是：

所述Y金屬層為Au、Al或Cu和Pt及Ti的Au/Pt/Au/Ti複合金屬層、Al/Pt/Al/Ti複合金屬層或Cu/Pt/Cu/Ti複合金屬層。

所述Ni金屬層21的厚度為5-10nm，所述Mo金屬層22的厚度為10-30nm，所述Ti金屬層23的厚度為70-150nm，所述Pt金屬層24的厚度為30-50nm；所述Y金屬層25為Au/Ti或者Al/Ti或者Cu/Ti，Au或者Al或者Cu金屬層的厚度為300-500nm,Ti金屬層的厚度為10-30nm。

結合圖1、圖2A和圖2B，本發明提出的一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統的第二種方案，該氮化鎵器件的結構自下而上依次包括襯底11、GaN緩衝層12、AlGaN勢壘層13；所述AlGaN勢壘層13上方的一端設有源電極14和另一端設有漏電極15，其特徵在於還包括位於所述源電極14和漏電極15之間的AlGaN勢壘層13的上方設有AlGaN/GaN HEMT柵電極16，所述AlGaN/GaN HEMT柵電極16為設有肖特基接觸結構的柵電極，所述肖特基接觸結構包括設有Ni金屬層/Mo金屬層/X金屬層/Y金屬層組成的複合金屬層，從所述AlGaN勢壘層13與源電極14、AlGaN/GaN HEMT柵電極16以及漏電極15結合的界面處開始，自下而上依次包括Ni金屬層26、Mo金屬層27、X金屬層28和Y金屬層29；其中：所述X金屬層包括Ti金屬層/Pt金屬層/Ti金屬層/Pt金屬層的複合金屬層或Ti金屬層/Mo金屬層/Ti金屬層/Mo金屬層的複合金屬層；所述Y金屬層包括Au金屬層/Ti金屬層、Al金屬層/Ti或Cu金屬層/Ti金屬層的複合金屬層。

本發明提出的一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統的第二種方案的優選方案是：

所述Y金屬層包括Au金屬層/Pt金屬層/Au金屬層/Ti金屬層的複合金屬層、Al金屬層/Pt金屬層/Al金屬層/Ti金屬層的複合金屬層或Cu金屬層/Pt金屬層/Cu金屬層/Ti金屬層的複合金屬層。

所述Ni金屬層26的厚度為5-10nm，所述Mo金屬層27的厚度為10-30nm；所述X金屬層28中的每層Ti金屬層的厚度為35-75nm、每層Pt金屬層或Mo金屬層的厚度為30-50nm；所述Y金屬層29中的Au金屬層、Al金屬層或Cu金屬層的厚度均為300-500nm、Ti金屬層的厚度為10-30nm。

下面結合附圖進一步公開本發明提出的一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統的製造方法。圖3A-圖3E是本發明的實施例1的具體實施步驟，圖3A是AlGaN/GaN HEMT器件所採用外延材料的基形結構示意圖，包括襯底11、GaN緩衝層12以及AlGaN勢壘層13。關於AlGaN/GaN HEMT器件中的襯底11所用的材料、GaN緩衝層12以及AlGaN勢壘層13的形成與現有公知技術相同，可參考現有文獻；圖3A中的AlGaN/GaN HEMT器件所採用外延材料還存在其它形式的外延材料結構,其它的結構形式可參考現有文獻，不再進一步描述。

接下來，如圖3B所示，在AlGaN勢壘層13上提供歐姆接觸電極34作為源電極、歐姆接觸電極35作為漏電極，源電極34和漏電極35的間距優選的距離為2微米至5微米。源電極34和漏電極35的形成一般需要經過塗覆光刻膠層、曝光、顯影去除需要澱積源電極34和漏電極35區域的光刻膠層、澱積歐姆接觸金屬層以及剝離去除光刻膠層及其上的歐姆接觸金屬層，對於塗覆光刻膠層、曝光、顯影以及運用剝離工藝去除光刻膠及其上的金屬層在本領域是眾所周知的，此處不再贅述。源電極34和漏電極35可採用包括但不僅限於Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Mo/Au等多層金屬體系，一般還需要經過高溫退火使得源電極34和漏電極35與其下的半導體層形成良好的歐姆接觸，退火溫度優選的為800-850℃。

實施例1。在上述源電極34和漏電極35完成後，如圖3C所示澱積一層介質層36，介質層36同時覆蓋在源源電極34和漏電極35、AlGaN勢壘層33上，介質層36可使用的材料包括氮化矽(SiN)和氧化矽(SiO2)中的一種，介質層36澱積的方法包括濺射、電子束蒸發、等離子體增強化學汽相澱積(PECVD)，優選的介質材料和澱積方法為SiN和PECVD。

接下來，如圖3D所示在源電極34和漏電極35之間的介質層36上形成稱之為柵腳的窗口37，柵腳窗口37的形成一般需要經過塗覆光刻膠層、曝光、顯影等步驟在柵腳窗口37上方的光刻膠層中形成窗口、以光刻膠層為掩膜採用幹法等離子體刻蝕的方法將該窗口中的介質層36去除，並去除介質層36上的光刻膠後在介質層36上得到柵腳窗口37。

接下來，如圖3E所示在源電極34和漏電極35之間的柵腳窗口37上提供柵電極38，柵電極38同時部分騎在了介質層36上，柵電極38的形成一般需要經過塗覆光刻膠層、曝光、顯影去除需要澱積柵電極38區域的光刻膠層、澱積柵電極金屬層以及剝離去除光刻膠層及其上的柵電極金屬層，同樣對於塗覆光刻膠層、曝光、顯影以及運用剝離工藝去除光刻膠及其上的金屬層在本領域是眾所周知的，此處不再贅述。柵電極38的目的，一個方面是與AlGaN勢壘層33形成肖特基接觸，從而在器件工作的時候，柵電極上的電壓變化能夠調製溝道中二維電子氣；另外一個作用是降低器件的柵阻，提升器件的頻率特性。柵電極38優選採用蒸發的方式進行澱積，採用Ni/Mo/Ti/Pt/Y/Ti形式的多層金屬體系，其中Ni與金屬Mo一起與其下的AlGaN勢壘層13形成肖特基接觸，Ni優選的厚度為5nm-10nm，Mo優選的厚度為10nm-30nm；Ti為克服其上的Y金屬層(一般為Au或者是Al或者是Cu)高的熱脹係數帶來的不利影響，Ti具有較小的熱脹係數同時具有較低熱導率，使得器件工作時Y金屬層具有比外延層更低的溫度，從而規避其熱脹因素對器件性能與可靠性的影響，Ti優選的厚度為70nm-150nm；Pt金屬層的作用是阻止其下的Ti金屬與其上的Y金屬發生反應，Pt優選的厚度為30nm-50nm；Y金屬層為Au或者是Al或者是Cu，其主要作用是降低柵阻，提升器件的頻率特性，Y優選的厚度為300nm-500nm；Y金屬層上的Ti主要作用是保護Au金屬層，使得後續澱積SiN保護介質層時Au金屬層不會與SiN介質層發生共金反應，其優選的厚度為10nm-30nm。

實施例2。圖4A-4B是本發明實施例2的具體實施步驟。如圖4A所示，包括襯底11、GaN緩衝層12以及AlGaN勢壘層13；在源電極34和漏電極35完成後塗覆光刻膠層46，經曝光、顯影等工序在刻膠層46中形成具有「T」型的凹槽47，為了獲得「T」型凹槽47，光刻膠層46一般需要有兩種不同的光刻膠層組成，並經過至少兩次曝光，一次或者兩次顯影獲得，對於如何獲得「T」型凹槽47可參考或者澱積柵電極金屬層至凹槽47和光刻膠層46上並剝離去除光刻膠層及其上的柵電極金屬層，從而得到如圖4B所示的柵電極48。

所述柵電極48的目的，一方面是與AlGaN勢壘層33形成肖特基接觸，從而在器件工作的時候，柵電極48上的電壓變化能夠調製溝道中二維電子氣；另一方面的作用是降低器件的柵阻，提升器件的頻率特性。柵電極48優選採用蒸發的方式進行澱積，採用Ni/Mo/X/Y/Ti形式的多層金屬體系，其中Ni與金屬Mo一起與其下的AlGaN勢壘層13形成肖特基接觸，Ni優選的厚度為5nm-10nm，Mo優選的厚度為10nm-30nm；X金屬層為Ti/Pt/Ti/Pt，兩層Ti金屬層優選的厚度為40nm-70nm，兩層Pt金屬層優選的厚度為30nm-50nm，X金屬層的作用是克服其上Y金屬層(一般為Au金屬層、Al金屬層或Cu金屬層)高的熱脹係數帶來的不利影響，X金屬層具有較小的熱脹係數同時具有較低熱導率，使得器件工作時Y金屬層具有比外延層更低的溫度，從而規避其熱脹因素對器件性能與可靠性的影響。Y金屬層為Au金屬層、Al金屬層或Cu金屬層，其主要作用是降低柵阻，提升器件的頻率特性，Y優選的厚度為300nm-500nm；Y金屬層上的Ti主要作用是保護Au金屬層，使得後續澱積SiN保護介質層時Au金屬層不會與SiN介質層發生共金反應，其優選的厚度為10nm-30nm。

本發明的具體實施方式中未涉及的說明屬於本領域公知的技術，可參考公知技術加以實施。

本發明經反覆實驗驗證，取得了滿意的試用效果。

以上具體實施方式及實施例是對本發明提出的一種具有複合金屬勢壘層的氮化鎵器件肖特基接觸系統技術思想的具體支持，不能以此限定本發明的保護範圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在本技術方案基礎上所做的任何等同變化或等效的改動，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍。