适用于氮化镓器件N型欧姆接触的制作方法.pdf

本发明公开了一种适用于氮化镓(GaN)器件的欧姆接触快速热退火方法。主要解决了常规快速热退火工艺对钛/铝/钛/金(Ti/Al/Ti/Au)欧姆接触可能造成金属侧流和合金表面形貌粗糙的问题。针对铝镓氮/氮化镓异质结高电子迁移率器件(AlGaN/GaN HEMT)源/漏欧姆接触工艺中常规采用的Ti/Al/Ti/Au金属系，提出二次独立快速热退火技术方案，其中高温持续时间明显缩短，该技术使欧姆接触特性和合金表面形貌特征都有明显的改善，克服了常规的一次快速热退火技术存在的问题，也避免了两段台阶温度退火技术中长时间的温度处理对氮化镓材料可能造成的影响。本发明显著降低GaN HEMT器件制造的复杂度，提高器件可靠性，降低器件制造成本，为器件工艺实用化打下坚实的基础。

1.  一种适用于氮化镓器件N型欧姆接触制作方法，在宽禁带半导体氮化镓异质结外延层表面依次进行金属蒸发、源/漏电极区剥离、快速热退火，在金属层与外延层的界面形成欧姆接触，其特征在于，热退火采用两次独立的高温快速热退火过程。

2.  根据权利要求1所述的N型欧姆接触制作方法，其特征在于，第二次快速热退火的高温温度高于第一次快速热退火的高温温度，该温度差不超过100℃。

3.  根据权利要求1或2所述的N型欧姆接触制作方法，其特征在于，第一次快速热退火的工艺条件：退火温度为800℃～850℃之间，维持时间为15～20秒；第二次快速热退火的工艺条件：退火温度为850℃～900℃之间，维持时间为15～20秒。

4.  根据权利要求1所述的N型欧姆接触制作方法，其特征在于第一次高温快速热退火与第二次高温快速热退火之间的时间间隔为60～180秒。

5.  一种适用于氮化镓器件N型欧姆接触制作的快速热退火方法，包括如下过程：
(1)将制作N型欧姆接触的样品置氮气环境的退火设备中，在50℃～60℃温度下经过180～300秒的氮气预处理；
(2)预处理后开始快速升温至800℃～850℃，维持15～20秒，再通过增大氮气流量快速降温至300℃，完成第一次快速热退火过程；
(3)第一次快速热退火过程完成之后，维持60～180秒，开始快速升温至850℃～900℃，维持15～20秒，再降温至室温，完成第二次快速热退火过程。

6.  根据权利要求5所述的快速热退方法，其特征在于，预处理的温度为50℃，时间为300秒；第一次快速热退火的温度为825℃，维持时间为15秒；第二次快速热退火的温度为850℃，维持时间为15秒。

7.  根据权利要求5所述的快速热退方法，其特征在于第一次快速热退火的时间与第二次快速热退火的时间间隔为60秒。

8.  根据权利要求5所述的快速热退火方法，其特征在于，制作N型欧姆接触的样品采用钛/铝/钛/金四层金属，或钛/铝/镍/金四层金属，或钛/铝/铂/金四层金属。

适用于氮化镓器件N型欧姆接触的制作方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体材料、器件制造技术，具体的说是一种半导体器件制造中的欧姆接触的制作方法，用于制作高质量的异质结构高频器件和大功率器件。
背景技术
近年来以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体，由于具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和速率、异质结界面高二维电子气浓度等优良特性，受到了人们广泛的关注。其中铝镓氮/氮化镓异质结高电子迁移率晶体管(AlGaN/GaN HEMT)、氮化镓异质结双极晶体管(GaN HBT)在微波、毫米波领域所展现出来的优异性能，使得国内外对其进行了广泛而深入的研究并相继取得了令人瞩目的成果。
在AlGaN/GaN HEMT器件制造工艺中，源/漏电极区的欧姆接触工艺是关键技术之一，它直接影响器件的频率和功率特性。该工艺通常是采用真空蒸发、溅射淀积等方法在AlGaN/GaN异质材料表面形成多层堆叠金属，其中以钛/铝(Ti/Al)做为金-半接触的基本金属系。在高温快速热退火过程中，金属与GaN材料之间发生氮化反应，形成氮化钛(TiN)和铝钛氮(AlTi₂N)，从而获得很低的欧姆接触电阻率，同时Ti与Al之间也形成TiAl₃金相的钛铝合金，进一步减小了接触区的电阻。在实际的欧姆接触工艺中，采用钛/铝/耐熔金属/金(Ti/Al/Metal/Au)四层金属系做为N型欧姆接触材料已经被广泛采用，但各层金属比例、层厚度、退火条件与材料和设备相关性较强。到目前为止，AlGaN/GaN HEMT的制造仍然未形成一个标准的工艺流程，相关研究还在不断发展中，这主要归因于宽禁带GaN材料制备的稳定性目前还远未达到传统半导体材料的水准。
在上述的Ti/Al/Metal/Au四层金属系中，Metal层被称为阻挡层，广泛采用钛(Ti)、镍(Ni)、铂(Pt)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)等耐熔金属，而近年来对复合阻挡层的研究也取得了一定的进展，如Ti-Pt、Ti-W复合阻挡层等，参见Materials Science andEngineering B 143(2007)55-59。与此同时，跟GaN直接接触的Ti反应层也有被复合金属层替代的相关研究，所有这些努力都是致力于降低欧姆接触电阻率和提高合金表面形貌和图形质量，以提高器件的可靠性。但是很明显，这种采用复合金属层的技术可形成多达五、六层的金属系，这无疑会增加器件的制造成本和工艺复杂度，这对器件工艺可靠性是不利的，因此从GaN器件实用化推广的角度来说，在保证欧姆接触性能的前提下尽量减少金属系的层数和金属种类应该是人们努力的方向。
在传统的四层欧姆接触金属系中，以Ti做为阻挡层的Ti/Al/Ti/Au金属系已被广泛应用于N型GaN欧姆接触，而且Ti金属又被频繁用于其他器件工艺环节如金属互连、电镀等工艺中，因此这种仅使用Ti、Al、Au三元金属的欧姆接触工艺可降低器件制造成本和对淀积、蒸发设备的要求，提高器件可靠性和可制造性。但是目前人们发现Ti/Al/Ti/Au金属系存在的问题是：在高温850℃～900℃退火过程中，除了底面两层的Ti/Al参与氮化反应形成欧姆接触以外，第三层的Ti阻挡层也会与其下层的Al形成非定型的TiAl_x相合金，使得Ti阻挡层被部分消耗，尤其在较长时间的高温环境下这种合金过程几乎不能被均匀控制，从而顶层的Au与熔融状态的Al会有很大的几率穿过阻挡层而互扩散，容易形成低熔点的AlAu₄合金，并且会发生侧向溢出，使得欧姆接触区边缘不整齐甚至出现“毛刺”现象，造成器件的栅/源、栅/漏间电场分布不均匀而影响器件特性，同时也会造成金属表面形貌不平整。这些现象的出现主要是由于传统退火方式造成的，因为常规的一次快速热退火方法采用的高温温度和退火时间通常为850℃～900℃和30～60秒钟，该方法虽然保证了金-半接触充分的氮化反应，但是由于金属Al的熔融时间长，往往增大了Al、Au共相形成的可能性，减弱了Ti层阻挡效果，因此极有可能出现金属侧向流动且表面不平整的现象，见后文附图5(b)和(c)中的照片描述。而两段台阶温度退火方法通常采用600℃～680℃低温+800℃～900℃高温的方法或800℃～900℃高温+500℃～600℃低温的方法，其中低温时间为5～10分钟甚至长达30分钟，这种长时间处理过程虽然有利于金-半界面的接触特性，但是对GaN异质材料的表面应力可能造成影响，从而影响到二维电子气的分布和稳定性。
发明的内容
本发明的目的在于克服传统的快速热退火方式对Ti/Al/Ti/Au欧姆接触属系造成的影响的问题，提出一种适用于氮化镓器件N型欧姆接触的制作方法，以提高欧姆接触特性，改善接触区金属图形和表面形貌，从而提高器件的整体可靠性。
实现本发明目的的技术关键是针对N型GaN欧姆接触工艺，提出了一种新的快速热退火方法即两次快速热退火方法，该方法不同于两段台阶温度退火方法即低温+高温或高温+低温的方法，而是采用两次间隔时间很短的独立的快速退火过程，即在第一次退火温度稍低，快速降温后马上进行第二次退火，其温度稍高，与第一次退火温度差在100℃以内，并且两次的退火时间基本相同，都控制在较短的时间范围内。其技术方案是：
在宽禁带半导体氮化镓异质结外延层表面依次进行金属蒸发、源/漏电极区剥离、快速热退火，在金属层与外延层的界面构成欧姆接触，其中，热退火采用两次独立的高温快速退火过程。
所述的第二次快速热退火的高温温度高于第一次快速热退火的高温温度，该温度差小于100℃。
所述的第一次快速热退火的工艺条件：退火温度为800℃～850℃之间，维持时间为15～20秒；第二次快速热退火的工艺条件：退火温度为850℃～900℃之间，维持时间为15～20秒。
所述的第一次高温快速热退火与第二次高温快速热退火之间的时间间隔为60～180秒钟。
本发明提供的N型欧姆接触制作的快速热退火方法，包括如下过程：
(1)将制作N型欧姆接触的样品置氮气环境的退火设备中，在50℃～60℃温度下经过180～300秒的氮气预处理；
(2)预处理后开始快速升温至800℃～850℃，维持15～20秒，再通过增大氮气流量快速降温至300℃，完成第一次快速热退火过程；
(3)第一次快速热退火过程完成之后，维持60～180秒钟，开始快速升温至850℃～900℃，维持15～20秒，再降温至室温，完成第二次快速热退火过程。
本发明由于采用了两次退火均采用高温短时间条件，其首次快速热退火是通过金-半接触的GaN与底层Ti/Al金属进行正常TiN的氮化反应和TiAl₃合金形成过程，虽然该温度已使Al层处于熔融状态，但由于高温时间很短，阻挡层Ti不会过度参与TiAl_x合金反应而造成不均匀分布，因此有效地阻挡了顶层Au与下层Al的互扩散而产生AlAu₄金相的趋势；同时由于在加快降温过程中，各层的金相迅速固化，当进行第二次快速热退火过程时，与GaN接触的底层Ti继续深入的氮化过程，但在很短的时间内，第二次Al熔融过程会明显减弱，阻挡层Ti和已经初步形成的非定型TiAl_x合金仍维持较均匀的分布，从而降低了Al、Au合金形成并侧向流动的可能，既提高了欧姆接触特性，又维持了金属表面形貌的平整性和图形边缘的整齐性。本发明的两次快速热退火与常规的一次快速热退火方法相比，其比接触电阻率ρ_c和欧姆接触电阻R_Ω有明显下降，提高了器件的频率和功率特性。与两段台阶温度退火方法相比，也避免了长时间的温度处理引起的材料表面应力变化和稳定性等问题。
附图说明
图1是本发明方法用于制作AlGaN/GaN HEMT器件的结构图；
图2是本发明制作AlGaN/GaN HEMT器件的流程示意图；
图3是本发明两次快速热退火过程的温度-时间曲线图；
图4是本发明的两次快速热退火与常规一次快速热退火的欧姆接触特性比较图；
图5是本发明的两次快速热退火与常规一次快速热退火的合金图形比较图；
其中，图5(a)本发明两次快速热退火的欧姆接触区表面和图形边缘形貌图；
图5(b)是常规一次快速热退火的欧姆接触区表面和图形边缘形貌图；
图5(c)是常规一次快速热退火的欧姆接触图形边缘金属侧流现象图。
具体实施方式
参照图1，本发明制作的器件为AlGaN/GaN HMET结构，该结构包括在SiC或蓝宝石衬底、成核层、GaN层、AlGaN层，该AlGaN层上为欧姆接触的源、漏电极和肖特基栅电极。其中，源、漏电极的金属层为Ti/Al/Ti/Au四层金属结构。
参照图2，本发明制作图1器件的主要过程如下：
1、对外延材料基片表面依次进行有机溶剂清洗和去离子水清洗并烘干。
2、采用GaN干法刻蚀工艺，在外延材料基片表面刻蚀形成器件的有源区台面。
3、通过光刻在有源区台面形成源漏电极区图形，并采用真空电子束蒸发或溅射方法自下而上形成Ti/Al/Ti/Au四层金属薄膜，其中Ti为金-半接触的金属层。
4、经金属剥离工艺，形成源/漏电极区图形。
5、对源/漏电极区图形进行欧姆接触快速热，其退火过程的温度-时间曲线如图3所示，具体步骤为：
第一步，样品置于快速热退火设备中，在50℃～60℃温度下经过180～300秒钟的氮气预处理，并根据不同设备情况，氮气流量设置为中流量；
第二步，进行第一次快速热退火过程：氮气置中低流量，最高温度设定为800℃～850℃，最高温度持续时间设定为15～20秒，高温过程结束后，氮气置大流量，快速降温至300℃；
第三步，维持300℃的时间为60～180秒钟后，进行第二次快速热退火过程：氮气置中低流量，最高温度设定为850℃～900℃，最高温度持续时间设定为15～20秒，高温过程结束后，氮气置大流量，快速降温至室温，完成退火过程。
所述两次高温快速退火的温度差不超过100℃。
6、光刻形成栅区图形，并采用电子束蒸发方法自下而上顺序形成Ni/Au金属，Ni为金-半接触的金属层，各层金属厚度随设计目标和工艺环境不同而改变。
7、经金属剥离工艺，形成肖特基栅电极。
8、经互连和电镀加厚电极工艺，形成HEMT器件管芯。
实施例1
对SiC衬底和Ti/Al/Ti/Au欧姆接触的AlGaN/GaN HEMT器件的制作：
第1步，材料表面清洗工艺。
对SiC衬底上AlGaN/GaN外延层基片表面进行有机溶剂清洗和去离子水清洗，并烘干。
第2步，器件有源区台面刻蚀工艺
在外延层基片表面经涂胶、曝光、显影，形成有源区图形，经ICP干法刻蚀形成器件有源区台面。
第3步：金属蒸发工艺
在外延层基片表面经涂胶、曝光、显影，在有源区台面上形成源漏电极区图形，通过真空电子束蒸发方法依次蒸发Ti/Al/Ti/Au四层金属薄膜，厚度分别为Ti：30nm，Al：120nm，Ti：40nm，Au：50nm。
第4步：金属剥离工艺
经过有机溶液+超声的方法，剥离掉源漏电极区外的多余金属，保留源漏电极区图形中的金属。
第5步：N型欧姆接触快的两次快速热退火工艺
(1)将基片置氮气环境的退火设备中，氮气设置为中流量，在50℃温度下进行300秒预处理；
(2)预处理后将氮气设置为中低流量，快速升温至825℃，维持15秒后快速降温，氮气置大流量，温度降至300℃，完成第一次快速热退火过程；
(3)将氮气置中低流量，使300℃的温度维持60秒，然后开始快速升温至850℃，维持15秒后快速降温，置氮气为中流量，待温度降至室温后取出基片，完成第二次快速热退火过程。
第6步：肖特基栅工艺
在基片表面经涂胶、曝光、显影，形成栅电极窗口图形，经真空电子束依次自下而上蒸发Ni/Au薄膜，厚度分别为Ni：50nm，Au：150nm，经金属剥离工艺后形成肖特基栅。
第7步：电极互连和电镀工艺
在基片表面涂胶、曝光、显影，形成电极互连窗口图形，经过电极互连工艺和电镀工艺，完成栅源漏电极和焊盘的镀金加厚过程，从而完成AlGaN/GaN HEMT器件的制造。
实施例2
对蓝宝石衬底和Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的AlGaN/GaN HEMT器件制作
第1步，材料表面清洗工艺。
对蓝宝石衬底上AlGaN/GaN外延层基片表面进行有机溶剂清洗和去离子水清洗，并烘干。
第2步，器件有源区台面刻蚀工艺
在外延层基片表面经涂胶、曝光、显影，形成有源区图形，经ICP干法刻蚀形成器件有源区台面。
第3步：金属蒸发工艺
在外延层基片表面经涂胶、曝光、显影，在有源区台面上形成源漏电极区图形，通过真空电子束蒸发方法依次蒸发Ti/Al/Ni/Au四层金属薄膜，厚度分别为Ti：20nm，Al：120nm，Ni：55nm，Au：45nm。
第4步：金属剥离工艺
经过有机溶液+超声的方法，剥离掉源漏电极区外的多余金属，保留源漏电极区图形中的金属。
第5步：N型欧姆接触快的两次快速热退火工艺
(1)将基片置氮气环境的退火设备中，氮气设置为中流量，在60℃温度下进行180秒的氮气预处理；
(2)预处理后将氮气设置为中低流量，快速升温至850℃，维持20秒后快速降温，氮气置大流量，温度降至300℃，完成第一次快速热退火过程；
(3)将氮气置中低流量，使300℃的温度维持180秒，然后开始快速升温至900℃，维持20秒后快速降温，置氮气为中流量，待温度降至室温后取出基片，完成第二次快速热退火过程。
第6步：肖特基栅工艺
在基片表面经涂胶、曝光、显影，形成栅电极窗口图形，经真空电子束依次自下而上蒸发Ni/Au薄膜，厚度分别为Ni：50nm，Au：150nm，经金属剥离工艺后形成肖特基栅。
第7步：电极互连和电镀工艺
在基片表面涂胶、曝光、显影，形成电极互连窗口图形，经过电极互连工艺和电镀工艺，完成栅源漏电极和焊盘的镀金加厚过程，从而完成AlGaN/GaN HEMT器件的制造。
实施例3
对SiC衬底和Ti/Al/Pt/Au欧姆接触的AlGaN/GaN HEMT器件的制作：
第1步，材料表面清洗工艺。
对SiC衬底上AlGaN/GaN外延层基片表面进行有机溶剂清洗和去离子水清洗，并烘干。
第2步，器件有源区台面刻蚀工艺
在外延层基片表面经涂胶、曝光、显影，形成有源区图形，经ICP干法刻蚀形成器件有源区台面。
第3步：金属蒸发工艺
在外延层基片表面经涂胶、曝光、显影，在有源区台面上形成源漏电极区图形，通过真空电子束蒸发方法依次蒸发Ti/Al/Pt/Au四层金属薄膜，厚度分别为Ti：20nm，Al：120nm，Pt：50nm，Au：50nm。
第4步：金属剥离工艺
经过有机溶液+超声的方法，剥离掉源漏电极区外的多余金属，保留源漏电极区图形中的金属。
第5步：N型欧姆接触快的两次快速热退火工艺
(1)将基片置氮气环境的退火设备中，氮气设置为中流量，在55℃温度下进行240秒的氮气预处理；
(2)预处理后将氮气设置为中低流量，快速升温至800℃，维持18秒后快速降温，氮气置大流量，温度降至300℃，完成第一次快速热退火过程；
(3)将氮气置中低流量，使300℃的温度维持120秒，然后开始快速升温至870℃，维持18秒后快速降温，置氮气为中流量，待温度降至室温后取出基片，完成第二次快速热退火过程。
第6步：肖特基栅工艺
在基片表面经涂胶、曝光、显影，形成栅电极窗口图形，经真空电子束依次自下而上蒸发Ni/Au薄膜，厚度分别为Ni：50nm，Au：150nm，经金属剥离工艺后形成肖特基栅。
第7步：电极互连和电镀工艺
在基片表面涂胶、曝光、显影，形成电极互连窗口图形，经过电极互连工艺和电镀工艺，完成栅源漏电极和焊盘的镀金加厚过程，从而完成AlGaN/GaN HEMT器件的制造。
本发明的效果可通过以下测试结果进一步说明：
测试条件：采用矩形传输线模型测试方法，矩形电极面积为120×80μm²，其中W＝120μm，电极间隔L分别为10、15、20、25、30、35μm，通过测试欧姆接触的线性I-V特性，计算得到比接触电阻率ρ_c和接触电阻R_Ω。为了对比测试，除制备采用本发明的器件和矩形传输线测试图形外，在相同材料和其他工艺条件下也制备了采用常规一次快速退火方法的器件和矩形传输线测试图形，其最佳退火条件为：高温温度850℃，维持时间35秒。欧姆接触区合金表面形貌的表征则采用高倍光学放大图像。
测试结果：经测试和计算得到的比接触电阻率ρ_c和接触电阻R_Ω数据分布见图4所示，图4中包括5组采用本发明的测试数据，4组采用常规一次退火方法的测试数据。总体结果显示，采用本发明的比接触电阻率ρ_c和接触电阻R_Ω的数值明显低于采用常规一次快速退火方法的数值，表明采用本发明的欧姆接触特性有显著改善。图5给出了源漏电极区表面形貌和图形边缘1000倍光学放大图，其中图5(a)为采用本发明得到的图形，图5(b)为采用常规一次退火方法得到的图形，图5(c)为图5(b)中金属侧流形成“毛刺”的局部图形。图5比较显示，常规一次快速热退火方法使欧姆接触合金图形出现了较明显的金属侧流现象，并且合金表面粗糙明显，而采用本发明技术的合金图形边缘和表面形貌均有明显的改善。
上述对比测试表明本发明的快速退火方法优于常规一次快速退火方法。
对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，能够在不背离本发明的原理和范围的情况下，根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。