GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，包括：在GaN基高電子遷移率晶體管外延片上涂覆光刻膠，并光刻形成歐姆接觸圖形；利用低損傷刻蝕技術(shù)從歐姆接觸圖形的開(kāi)孔區(qū)域刻蝕減薄GaN基HEMT的勢(shì)壘層；對(duì)刻蝕區(qū)域進(jìn)行濕法表面處理，并在處理后的外延片上沉積多層無(wú)金歐姆金屬；剝離GaN基高電子遷移率晶體管外延片表面的光刻膠及該光刻膠之上沉積的多層無(wú)金歐姆金屬；以及退火形成低溫?zé)o金歐姆接觸。利用本發(fā)明，降低了GaN基HEMT的工藝溫度，解決了GaN基HEMT與Si-CMOS工藝兼容的技術(shù)瓶頸，有助于降低GaN基HEMT的制造成本，加快GaN基功率電子器件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
【專利說(shuō)明】GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)制備【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著GaN基射頻功率，特別是面向民用的功率開(kāi)關(guān)器件的長(zhǎng)足發(fā)展，GaN基HEMT相對(duì)于傳統(tǒng)Si功率器件的性能優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，它在擊穿電壓，工作溫度，以及轉(zhuǎn)換效率方面遠(yuǎn)優(yōu)于Si基MOSFET器件，而在能耗上又低于Si器件。雖然硅基GaN外延技術(shù)已經(jīng)能使外延片的尺寸逼近主流Si片尺寸(目前已達(dá)到8寸)，然而GaN基HEMT的規(guī)?；庸さ陌l(fā)展相對(duì)滯后，嚴(yán)重制約了 GaN基HEMT的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
[0003]為了降低GaN基HEMT的制造成本，必須實(shí)現(xiàn)HEMT在S1-CMOS工藝線的大規(guī)模生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)GaN基HEMT的CMOS加工主要面臨以下技術(shù)難題:1、在HEMT器件的歐姆和肖特基接觸工藝中采用無(wú)金接觸金屬，避免Au對(duì)CMOS工藝線的致命污染；2、降低HEMT器件的工藝溫度，避免HEMT和CMOS工藝的相互影響；由于Ga對(duì)CMOS工藝線存在污染風(fēng)險(xiǎn)，所以工藝溫度盡量采用低溫。
[0004]目前主流GaN基射頻功率和功率開(kāi)關(guān)器件均采用含金體系，尤其是歐姆接觸，通常采用Ti / Al / X / Au四層金屬，而且退火溫度在800°C以上。這種經(jīng)過(guò)高溫過(guò)程的含金歐姆接觸，表面形貌非常粗糙，而且邊緣毛刺較多，會(huì)造成器件的電場(chǎng)分布很不均勻，導(dǎo)致器件的短路或可靠性退化。同時(shí)含金接觸迫使GaN基HEMT只能在專門(mén)的工藝線加工，無(wú)形提高了總體成本，不利于推動(dòng)GaN基功率電子器件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
[0005]綜上所述，開(kāi)發(fā)低溫?zé)o金歐姆接觸技術(shù)替代傳統(tǒng)高溫有金工藝，不僅從器件物理上開(kāi)辟一種新興歐姆接觸制備技術(shù)，而且能夠解決GaN基功率電子器件產(chǎn)業(yè)化的瓶頸問(wèn)題，是其產(chǎn)業(yè)化的必然趨勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0007]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，以解決GaN基HEMT在S1-CMOS工藝線加工的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，降低GaN基HEMT的工藝制造成本，促進(jìn)GaN基功率電子器件的產(chǎn)業(yè)化。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，包括:在GaN基高電子遷移率晶體管外延片上涂覆光刻膠，并光刻形成歐姆接觸圖形；利用低損傷刻蝕技術(shù)從歐姆接觸圖形的開(kāi)孔區(qū)域刻蝕減薄GaN基HEMT的勢(shì)壘層；對(duì)刻蝕區(qū)域進(jìn)行濕法表面處理，并在處理后的外延片上沉積多層無(wú)金歐姆金屬；剝離GaN基高電子遷移率晶體管外延片表面的光刻膠及該光刻膠之上沉積的多層無(wú)金歐姆金屬；以及退火形成低溫?zé)o金歐姆接觸。
[0010]上述方案中，所述在GaN基高電子遷移率晶體管外延片上涂覆光刻膠的步驟中，所述GaN基高電子遷移率晶體管外延片由下至上依次包括襯底、GaN緩沖層和勢(shì)壘層，其中襯底為硅襯底、SiC襯底、藍(lán)寶石襯底或同質(zhì)外延的GaN襯底，勢(shì)壘層是AlGaN或AlInN三元合金勢(shì)魚(yú)層，或者是AlInGaN四元合金勢(shì)魚(yú)層。
[0011]上述方案中，所述在GaN基高電子遷移率晶體管外延片上涂覆光刻膠的步驟中，所述光刻膠為負(fù)性光刻膠AZ5214E，涂覆厚度為1.1微米。
[0012]上述方案中，所述利用低損傷刻蝕技術(shù)從歐姆接觸圖形的開(kāi)孔區(qū)域刻蝕減薄GaN基HEMT的勢(shì)壘層的步驟中，所述低損傷刻蝕技術(shù)是采用干法刻蝕技術(shù)，該干法刻蝕技術(shù)是利用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕實(shí)現(xiàn)的。
[0013]上述方案中，所述電感耦合等離子體刻蝕是先利用BCl3刻蝕勢(shì)壘層表面的氧化層，然后利用bci3、Cl2混合等離子體刻蝕勢(shì)壘層達(dá)到一定厚度，刻蝕深度視勢(shì)壘層的厚度而定。
[0014]上述方案中，所述對(duì)刻蝕區(qū)域進(jìn)行濕法表面處理，是利用稀鹽酸或氫氟酸清潔處理后的表面，時(shí)間為40秒，以達(dá)到去除干法刻蝕殘留物和氧化層的目的。
[0015]上述方案中，所述在處理后的外延片上沉積多層無(wú)金歐姆金屬的步驟中，是采用電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方法在處理后的外延片上沉積多層無(wú)金歐姆金屬，該多層無(wú)金歐姆金屬由下至上依次包含 Ti / Al / Ti / W，或 Ti / Al / W，或 Ti / Al / Ti / TiN0
[0016]上述方案中，所述退火形成低溫?zé)o金歐姆接觸的步驟中，所述退火溫度不高于600°C，時(shí)間為2分鐘，氣氛為高純氮?dú)狻?br> [0017](三)有益效果
[0018]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0019]1、本發(fā)明提供的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，避免了含金歐姆接觸對(duì)S1-CMOS工藝線的污染，突破了 GaN基HEMT在S1-CMOS工藝線制造的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，有利于降低GaN基功率電子器件的制造成本。
[0020]2、本發(fā)明提供的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，降低了 GaN基HEMT的整體工藝溫度(含金歐姆接觸的退火溫度在整個(gè)工藝過(guò)程中是最高的)，提高了歐姆接觸的表面粗糙度，從而提高了器件的成品率。
[0021]3、本發(fā)明提供的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，相對(duì)于目前GaN基HEMT的高溫含金歐姆接觸(例如Ti / Al / Ni / Au)，表面和邊緣形貌非常平坦，無(wú)明顯橫向擴(kuò)散，非常有利于深亞微米GaN基HEMT的精細(xì)加工，提高了器件的成品率。
[0022]4、本發(fā)明提供的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，降低了 GaN基HEMT的工藝溫度，解決了 GaN基HEMT與S1-CMOS工藝兼容的技術(shù)瓶頸，有助于降低GaN基HEMT的制造成本，加快GaN基功率電子器件的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
[0023]5、本發(fā)明提供的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，是實(shí)現(xiàn)GaN基HEMT在現(xiàn)有S1-CMOS工藝線大規(guī)模制造的關(guān)鍵工藝，能夠有效抑制Au對(duì)S1-CMOS生產(chǎn)線的污染。該技術(shù)有利于推動(dòng)大尺寸硅基GaN功率電子器件在CMOS工藝線的加工，極大的降低其制造成本。該技術(shù)同時(shí)有助于GaN-HEMT與S1-CMOS的集成，促進(jìn)GaN基射頻功率器件和電路的發(fā)展。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本發(fā)明提供的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法流程圖；
[0025]圖2至圖4是依照本發(fā)明實(shí)施例的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作工藝流程圖；
[0026]圖5至圖6分別是含金和無(wú)金歐姆接觸表面和邊緣光學(xué)形貌對(duì)比；
[0027]圖7至圖8分別是無(wú)金歐姆接觸低溫退火前后的電流-電壓(1-V)特性對(duì)比；
[0028]圖9是含金歐姆接觸退火后的1-V特性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0030]本發(fā)明提供的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，依據(jù)歐姆金屬與二維電子氣溝道間隧穿電流隨兩者間距減小而增大的物理性質(zhì)，通過(guò)歐姆前低損傷刻蝕工藝先刻蝕掉部分勢(shì)壘層，然后再淀積無(wú)金歐姆金屬，在低溫下退火形成了與GaN基HEMT傳統(tǒng)含金歐姆接觸相當(dāng)了接觸性能。
[0031]如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，該方法包括:
[0032]步驟1:在GaN基高電子遷移率晶體管外延片上涂覆光刻膠，并光刻形成歐姆接觸圖形。
[0033]其中，GaN基高電子遷移率晶體管外延片由下至上依次包括襯底、GaN緩沖層和勢(shì)壘層，其中襯底為硅襯底、SiC襯底、藍(lán)寶石襯底或同質(zhì)外延的GaN襯底等，勢(shì)壘層是AlGaN或AlInN三元合金勢(shì)壘層，或者是AlInGaN四元合金勢(shì)壘層；在GaN基高電子遷移率晶體管外延片上涂覆的光刻膠為負(fù)性光刻膠AZ5214E，涂覆厚度大約1.1微米，負(fù)膠更易于剝離且邊緣良好。前烘條件為100°C熱板加熱90秒，此處的100°C是指AZ5214E光刻膠的標(biāo)準(zhǔn)烘烤溫度，不同的熱板，溫度設(shè)置可能會(huì)有微小偏差；此處的90秒是指AZ5214E光刻膠的標(biāo)準(zhǔn)烘烤時(shí)間，不同的熱板，烘烤時(shí)間可能會(huì)有偏差，其目的是使AZ5214E光刻膠中的溶劑充分揮發(fā)；
[0034]步驟2:利用低損傷刻蝕技術(shù)從歐姆接觸圖形的開(kāi)孔區(qū)域刻蝕減薄GaN基HEMT的
勢(shì)壘層。
[0035]其中，該步驟中的低損傷刻蝕技術(shù)是采用干法刻蝕技術(shù)，該干法刻蝕技術(shù)是利用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕實(shí)現(xiàn)的，在刻蝕過(guò)程中控制ICP的功率，降低等離子體對(duì)勢(shì)壘層(如AlGaN)表面的損傷。先利用BCl3刻蝕勢(shì)壘層表面的氧化層，然后利用BC13、Cl2混合等離子體刻蝕勢(shì)壘層達(dá)到一定厚度，刻蝕深度視勢(shì)壘層的厚度而定。
[0036]步驟3:對(duì)刻蝕區(qū)域進(jìn)行濕法表面處理。
[0037]由于刻蝕過(guò)的勢(shì)壘層表面可能有殘留膠?；蛐律傻难趸?，所以刻蝕后濕法表面處理過(guò)程非常必要。本發(fā)明通過(guò)稀鹽酸或氫氟酸清潔處理后的表面，時(shí)間大約為40秒，以達(dá)到去除干法刻蝕殘留物和氧化層的目的。
[0038]步驟4:采用電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方法在處理后的GaN基高電子遷移率晶體管外延片表面沉積多層無(wú)金歐姆金屬。
[0039]該步驟是緊接著濕法表面處理進(jìn)行的，通過(guò)電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方法(或兩者的結(jié)合)在GaN基高電子遷移率晶體管外延片表面淀積多層無(wú)金歐姆金屬，該多層無(wú)金歐姆金屬典型結(jié)構(gòu)由下至上依次包含Ti / Al / Ti / W，或Ti / Al / W，或Ti / Al / Ti / TiN等。其中的第一層接觸金屬Ti的功函數(shù)比較低，有助于形成低阻歐姆接觸，最上面的W或TiN是比較好的保護(hù)層，熱穩(wěn)定性好，有助于形成良好的表面形貌。
[0040]步驟5:金屬剝離；剝離GaN基高電子遷移率晶體管外延片表面的光刻膠及該光刻膠之上沉積的多層無(wú)金歐姆金屬。
[0041]步驟6:在低溫下退火形成低溫?zé)o金歐姆接觸。
[0042]特征退火條件為退火溫度不高于600°C，時(shí)間為2分鐘，氣氛為高純氮?dú)?。通過(guò)1-V測(cè)量監(jiān)測(cè)歐姆接觸性能，退火溫度可能因所使用設(shè)備的狀況而稍作調(diào)整。
[0043]基于圖1所示的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法流程圖，圖2至圖4是依照本發(fā)明實(shí)施例的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作工藝流程圖，具體包括:
[0044]圖2所示為在GaN基高電子遷移率晶體管外延片上涂覆光刻膠并光刻之后形成的歐姆接觸圖形。涂覆光刻膠的條件為:AZ5214E光刻膠厚度為I ii m以上，在100°C熱板烘烤90秒；
[0045]圖3所示為干法刻蝕歐姆接觸圖形的開(kāi)孔區(qū)域，刻蝕深度依勢(shì)壘層的厚度而定；
[0046]圖4所示為剝離GaN基高電子遷移率晶體管外延片表面光刻膠及該光刻膠之上沉積的多層無(wú)金金屬后的無(wú)金歐姆接觸圖形。
[0047]圖5與圖6對(duì)比了傳統(tǒng)含金歐姆接觸(示例為T(mén)i / Al / Ni / Au(20 / 150 /55 / 45nm))和本發(fā)明的無(wú)金歐姆接觸(示例為T(mén)i / Al / Ti / W(20 / 120 / 20 /30nm))退火后的表面和邊緣光學(xué)形貌對(duì)比?？梢钥闯龊饸W姆接觸經(jīng)高溫合金之后(示例退火條件為890°C，30秒)，表面出現(xiàn)凸起和不規(guī)則的溝壑，這是GaN基HEMT含金歐姆工藝的共性特征，而本發(fā)明的無(wú)金歐姆接觸表面很平整(示例退火條件為600°C，120秒)，基本保持了金屬的原始形貌，非常有利于亞微米GaN基HEMT的精細(xì)加工。在邊緣形貌方面，本發(fā)明的無(wú)金歐姆接觸也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)含金歐姆接觸。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的歐姆電極間距為6 ym，經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)含金歐姆工藝后間距縮為5.85 u m,縮小了 0.15 u m,而無(wú)金工藝間距基本上沒(méi)有改變。無(wú)金工藝的邊緣毛刺也明顯少于有金工藝。
[0048]圖7與圖8對(duì)比了本發(fā)明的無(wú)金歐姆接觸在低溫退火前后1-V特性(示例為T(mén)i /Al / Ti / W(20 / 120 / 20 / 30nm)，歐姆前刻蝕時(shí)間為120秒)，退火前樣品呈現(xiàn)出肖特基特性，在3V左右電流只有IOnA左右，而經(jīng)過(guò)600°C，120秒在N2中退火后，樣品呈現(xiàn)出明顯的歐姆特性，在OV附近1-V曲線呈直線，且在3V下電流超過(guò)20mA。
[0049]圖9所示是相應(yīng)的含金歐姆接觸的1-V特性，也呈現(xiàn)線性特性，在3V下電流接近40mA，高于無(wú)金歐姆接觸電流，但通過(guò)歐姆前刻蝕條件和金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化，無(wú)金歐姆接觸應(yīng)該能達(dá)到與有金歐姆接觸近似的歐姆性能。
[0050]附表I對(duì)比了本發(fā)明的無(wú)金歐姆接觸和傳統(tǒng)含金歐姆接觸的接觸電阻特性，可以看出，傳統(tǒng)含金歐姆接觸電阻為0.7Ω.πιπι，本發(fā)明的無(wú)金歐姆接觸大約1.3Ω._。盡管稍稍偏大，但經(jīng)過(guò)歐姆前刻蝕條件和金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化，必定能實(shí)現(xiàn)更低的接觸電阻。
[0051]表1
【權(quán)利要求】
1.一種GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，其特征在于，包括: 在GaN基高電子遷移率晶體管外延片上涂覆光刻膠，并光刻形成歐姆接觸圖形； 利用低損傷刻蝕技術(shù)從歐姆接觸圖形的開(kāi)孔區(qū)域刻蝕減薄GaN基HEMT的勢(shì)壘層； 對(duì)刻蝕區(qū)域進(jìn)行濕法表面處理，并在處理后的外延片上沉積多層無(wú)金歐姆金屬； 剝離GaN基高電子遷移率晶體管外延片表面的光刻膠及該光刻膠之上沉積的多層無(wú)金歐姆金屬；以及 退火形成低溫?zé)o金歐姆接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，其特征在于，所述在GaN基高電子遷移率晶體管外延片上涂覆光刻膠的步驟中，所述GaN基高電子遷移率晶體管外延片由下至上依次包括襯底、GaN緩沖層和勢(shì)壘層，其中襯底為硅襯底、SiC襯底、藍(lán)寶石襯底或同質(zhì)外延的GaN襯底，勢(shì)壘層是AlGaN或AlInN三元合金勢(shì)魚(yú)層，或者是Al InGaN四元合金勢(shì)魚(yú)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，其特征在于，所述在GaN基高電子遷移率晶體管外延片上涂覆光刻膠的步驟中，所述光刻膠為負(fù)性光刻膠AZ5214E，涂覆厚度為1.1微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，其特征在于，所述利用低損傷刻蝕技術(shù)從歐姆接觸圖形的開(kāi)孔區(qū)域刻蝕減薄GaN基HEMT的勢(shì)壘層的步驟中，所述低損傷刻蝕技術(shù)是采用干法刻蝕技術(shù)，該干法刻蝕技術(shù)是利用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕實(shí)現(xiàn)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，其特征在于，所述電感耦合等離子體刻蝕是先利用BCl3刻蝕勢(shì)壘層表面的氧化層，然后利用BC13、C12混合等離子體刻蝕勢(shì)壘層達(dá)到一定厚度，刻蝕深度視勢(shì)壘層的厚度而定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，其特征在于，所述對(duì)刻蝕區(qū)域進(jìn)行濕法表面處理，是利用稀鹽酸或氫氟酸清潔處理后的表面，時(shí)間為40秒，以達(dá)到去除干法刻蝕殘留物和氧化層的目的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，其特征在于，所述在處理后的外延片上沉積多層無(wú)金歐姆金屬的步驟中，是采用電子束蒸發(fā)或?yàn)R射方法在處理后的外延片上沉積多層無(wú)金歐姆金屬，該多層無(wú)金歐姆金屬由下至上依次包含 Ti / Al / Ti / W，或 Ti / Al / W，或 Ti / Al / Ti / TiN0
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GaN基高電子遷移率晶體管的低溫?zé)o金歐姆接觸的制作方法，其特征在于，所述退火形成低溫?zé)o金歐姆接觸的步驟中，所述退火溫度不高于600°C，時(shí)間為2分鐘,氣氛為高純氮?dú)狻?br> 【文檔編號(hào)】H01L21/28GK103606516SQ201310632276
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】黃森, 劉新宇, 王鑫華, 魏珂, 劉果果, 章晉漢, 鄭英奎, 陳向東, 張昊翔, 封飛飛, 萬(wàn)遠(yuǎn)濤 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所, 杭州士蘭微電子股份有限公司