GaN基HEMT无金欧姆接触电极及其热氮化形成方法技术

本发明专利技术公开了一种GaN基HEMT无金欧姆接触电极及其热氮化形成方法，所述电极为在GaN基HEMT的外延层上表面的两侧从下到上依次排布的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti和帽层金属层TiN，其中X为Ni、Ni/Ti/Ni或Ni/Ti/Ni/Ti/Ni多层金属中的一种以上。本发明专利技术避免了高温制备帽层金属层TiN过程，降低了工艺温度和工艺复杂程度，简化了工艺流程，同时低温提升了工艺的兼容性，有助于降低GaN基HEMT器件的制造成本。

GaN based HEMT gold free ohmic contact electrode and its thermal nitriding method

The invention discloses a GaN based HEMT gold free ohmic contact electrode and a thermal nitriding forming method thereof. The electrode is a first metal layer Ti, a second metal layer Al, a third metal layer x, a fourth metal layer Ti and a cap metal layer tin arranged from bottom to top on both sides of the upper surface of the epitaxial layer of GaN based HEMT, wherein X is more than one of Ni, Ni / Ti / Ni or Ni / Ti / Ni / Ni Multilayer metals. The invention avoids the process of preparing tin of cap metal layer at high temperature, reduces the process temperature and complexity, simplifies the process flow, improves the compatibility of the process at low temperature, and helps to reduce the manufacturing cost of GaN based HEMT devices.

【技术实现步骤摘要】
GaN基HEMT无金欧姆接触电极及其热氮化形成方法
本专利技术涉及半导体器件，特别是涉及一种GaN基HEMT无金欧姆接触电极及其热氮化形成方法。
技术介绍
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℃，退火时间为2~10min；2、高温退火窗口，氮气氛围，退火温度为800~1000℃，退火时间为15~60sec。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。在高温退火过程中，常规的有金欧姆接触电极和文献报道的W、Mo、Cu等无金欧姆接触电极，由于金属Al层通常要求100nm以上（Al的厚度远大于底层Ti的厚度），大量未反应的Al与团聚形成孤岛结构的Ti-Al合金不相融，导致源漏电极表面形貌及边缘形貌极差。此外，有金欧姆接触电极中，Al和Au的相互扩散形成合金也是电极表面形貌差的原因之一，而无金欧姆接触电极中，化学稳定性和热稳定性好的无金帽层金属与大量高活性Al层的粘附性较差也是电极表面形貌差的原因之一。氮化钛（TiN）是过渡金属氮化物，它由离子键、金属键和共价键混合而成，它具有高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱侵蚀、耐磨损以及良好的导电性和导热性，是替代Au作为欧姆接触帽层金属的极佳材料。目前，高性能TiN薄膜通常是在较高的基底温度（300~700℃）下通过直流反应磁控溅射方式沉积的。然而，在高温环境下沉积欧姆金属与传统金属剥离工艺不兼容，只能通过金属刻蚀、特殊掩膜设计等方法形成电极图形，电极制备工艺复杂性增加，并可能对器件造成不良影响，如刻蚀损伤、高温下金属-半导体间的固相反应等。此外，高温磁控溅射沉积金属及其合金薄膜，后续降温时间较长，制备成本增加且效率下降，不利于大规模工业化生产。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种GaN基HEMT无金欧姆接触电极及其热氮化形成方法，低温制备第四金属层Ti，将热氮化反应与欧姆接触的固相反应相结合，第四金属Ti层表面一部分发生热氮化反应，形成化学稳定性良好的帽层金属TiN，避免直接高温制备帽层金属TiN，同时，源漏电极的多层金属间发生固相反应，并与GaN基外延形成良好的欧姆接触，降低源漏电极制备工艺难度，简化工艺流程，解决了AlGaN/GaN异质结HEMT与Si-CMOS工艺兼容的技术瓶颈，有助于降低AlGaN/GaN异质结HEMT的制造成本。采用热氮化反应形成帽层金属层TiN可以有效地解决直接高温沉积TiN薄膜导致的系列问题。采用热氮化反应形成GaN基HEMT无金欧姆接触电极可以有效地解决高温退火下电极表面形貌差的问题。本专利技术的目的至少通过如下技术方案之一实现的。本专利技术提供了一种GaN基HEMT无金欧姆接触电极，所述电极为在GaN基HEMT的外延层上表面的两侧从下到上依次排布的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti和帽层金属层TiN，其中X为Ni、Ni/Ti/Ni或Ni/Ti/Ni/Ti/Ni多层金属中的一种以上。优选地，第一金属层Ti的厚度为1~30nm，第二金属层Al的厚度为40~200nm，第三金属层X的厚度为5~30nm，第四金属层Ti的厚度为60~120nm，帽层金属层TiN的厚度为10~40nm。本专利技术还提供了一种热氮化反应形成所述的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的方法，包括以下步骤：（1）定义源漏电极图形区域：利用光刻技术，在GaN基HEMT外延层上表面的两侧定义源漏电极图形区域，光刻掩模覆盖GaN基HEMT外延层上除源漏电极图形以外的区域；（2）表面处理：利用酸碱溶液清洗源漏电极图形区域；（3）电极金属层沉积：在GaN基HEMT外延层上的源漏电极图形区域及光刻掩模上依次沉积第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti；其中，源漏电极的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti采用低温制备，基底的温度为25~50℃；所述基底为经过步骤（2）处理后的GaN基HEMT外延层；（4）剥离：对步骤（3）通过剥离工艺去除光刻掩模以及光刻掩模上面的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti，留下源漏电极图形区域处的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti，形成源漏电极；（5）退火：对步骤（4）所得的源漏电极进行退火，将热氮化反应与欧姆接触的固相反应相结合，第四金属层Ti表面部分发生热氮化反应，形成化学稳定性良好的帽层金属层TiN，源漏电极的多层金属间发生固相反应，并与GaN基HEMT外延层形成良好的欧姆接触。优选地，步骤（3）中电极金属层沉积的方法为电子束蒸发或磁控溅射沉积。优选地，采用电子束蒸发第四金属层Ti，蒸发速率为0.4~0.8nm/秒。优选地，步骤（3）中电极金属层沉积的方法为磁控溅射沉积，磁控溅射选取直流磁控溅射模式。优选地，步骤（3）中沉积第四金属层Ti采用磁控溅射，沉积第四金属层Ti前，真空腔内的真空度为4E-04Pa以下。优选地，步骤（5）中的退火温度为500~900℃，退火时间为15s~10min，气氛为高纯氮气。本专利技术无金的源漏电极依次为第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti，第三金属层X为Ni、Ni/Ti/Ni或Ni/Ti/Ni/Ti/Ni的多层金属，形成Ti/Al/Ni/Ti、Ti/Al/Ni/Ti/Ni/Ti、Ti/Al/Ni/Ti/Ni/Ti/Ni/Ti等多层源漏电极金属体系。通过高纯氮气氛围下的退火过程，将热氮化反应和多层金属间的固相反应相结合，第四金属Ti层表面一部分发生热氮化反应，形成化学稳定性良好的帽层金属TiN，使多层源漏电极金属体系与AlGaN或InAlN本征势垒层形成欧姆接触，形成接触良好的欧姆接触电极Ti/Al/Ni/Ti/TiN、Ti/Al/Ni/Ti/Ni/Ti/TiN、Ti/A本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.GaN基HEMT无金欧姆接触电极，其特征在于，所述电极为在GaN基HEMT的外延层上表面的两侧从下到上依次排布的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti和帽层金属层TiN，其中X为Ni、Ni/Ti/Ni或Ni/Ti/Ni/Ti/Ni多层金属中的一种以上。/n

【技术特征摘要】
1.GaN基HEMT无金欧姆接触电极，其特征在于，所述电极为在GaN基HEMT的外延层上表面的两侧从下到上依次排布的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti和帽层金属层TiN，其中X为Ni、Ni/Ti/Ni或Ni/Ti/Ni/Ti/Ni多层金属中的一种以上。


2.根据权利要求1所述的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，其特征在于，第一金属层Ti的厚度为1~30nm，第二金属层Al的厚度为40~200nm。


3.根据权利要求1所述的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，其特征在于，第三金属层X的厚度为5~30nm，第四金属层Ti的厚度为60~120nm。


4.根据权利要求1所述的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，其特征在于，帽层金属层TiN的厚度为10~40nm。


5.热氮化反应形成如权利要求1至4任一项所述的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）定义源漏电极图形区域：利用光刻技术，在GaN基HEMT外延层上表面的两侧定义源漏电极图形区域，光刻掩模覆盖GaN基HEMT外延层上除源漏电极图形以外的区域；
（2）表面处理：利用酸碱溶液清洗源漏电极图形区域；
（3）电极金属层沉积：在GaN基HEMT外延层上的源漏电极图形区域及光刻掩模上依次沉积第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti；其中，源漏电极的第一金属层Ti、第二金属层Al、第三金属层X、第四金属层Ti采用低温制备，基底的温度为25~50℃；所述基底为经过步骤（2）处理后的GaN基HEMT外延层；

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪，李先辉，周泉斌，高升，
申请(专利权)人：中山市华南理工大学现代产业技术研究院，华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44