钽基欧姆接触的制作方法

本申请涉及并要求于2014年6月11日提交的美国申请序列号14/301,677的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本发明。

关于联邦资助的声明

无。

技术领域

本申请涉及欧姆接触，并且具体地涉及用于功率开关用途的欧姆接触。更具体地，本申请公开了一种用于功率开关用途中的铝镓氮/镓氮(ALGAN/GAN)基的异质结场效应晶体管(HFETS)和/或金属氧化物异质结场效应晶体管(MOSHFETS)中的钽基无金(AU-FREE)欧姆接触。

背景技术：

用于AlGaN/GaN基HFET的无Au欧姆接触具有优于常规欧姆接触的优点。AlGaN/GaN基HFET中的常规欧姆接触使用钛(Ti)和铝(Al)，以及在顶部的包含金(Au)的覆盖层和在其下面的阻挡层，例如Ni、Ti或Pt。具有Au的覆盖层被认为降低接触电阻，但是顶层特别是Au的作用还不完全了解，正如A.N.Bright等人在Journal of Applied Physics,Vol.89,No.6,第3143-3150页中的“Correlation of contact resistance with microstructure for Au/Ni/Al/Ti/AlGaN/GaN ohmic contacts using transmission electron microscopy”中所报道的那样。

常规欧姆接触的典型退火温度相当高，且表面形态不光滑。即使在下面具有阻挡层，Au尖钉(spikes)仍然可以穿透下面的金属堆叠并且可能到达金属/半导体界面，这导致可靠性降低。这种现象已经被观察到，正如A.N.Bright等人在Journal of Applied Physics,Vol.89,No.6,第3143-3150页中的“Correlation of contact resistance with microstructure for Au/Ni/Al/Ti/AlGaN/GaN ohmic contacts using transmission electron microscopy”中所报道的那样。

用于AlGaN/GaN基HFET和/或MISHEMT的无Au欧姆接触已被描述用在Si衬底上。例如，Hiroshi Kambayashi等人在Furukawa Review No.29,2006,第7-12页中公开的“Improving the Performance of GaN Power Devices for High Breakdown Voltage and High Temperature Operation”；以及B.De Jaeger等人在Proceeding of the 2012 24^th ISPSD第49-52页中公开的“Au-free CMOS-compatible AlGaN/GaN HEMT processing on 200mm Si substrates”。这两个出版物报道了分别为Ti/AlSi/Mo和Ti/Al/Ti/TiN的欧姆层。

D.Qiao等人在Journal of Applied Physics,Vol.89,No.10,2001,第5543-5546页中公开了“Ta-based interface Ohmic contacts to AlGaN/GaN heterostructures”；然而，所需的退火温度相当高，需要在950℃快速热退火(RTA)4分钟。极高的退火温度可能破坏异质结构或在退火期间需要复杂的覆盖层。

在Semiconductor Today Compounds&Advanced Silicon Vol.6Issue 3April/May 2011中的“Tantalum-based ohmic contacts for nitride semiconductor transistors”描述了使用比660℃的Al熔化温度更低的温度进行退火；然而，使用所述技术获得可接受的结果在重复性上可能是有挑战的，并且可能难以获得低于1Ω/mm的Rc。

S.H.Lim等人在Applied Physics Letters Vol.78,No.24,第3797-3799页中的“Microstructural evidence on electrical properties of Ta/Ti/Al and Ti/Ta/Al Ohmic contacts to n-AlGaN/GaN”中表明，在欧姆接触层的底部有Ta相比在底部有Ti而言具有优势。他们描述，在有Ta位于底部的金属/半导体界面处形成有较厚的TaN层，其厚度是相对于形成于有Ti位于欧姆层堆叠底部的相同界面处的TiN层的厚度。Ta/Ti/Al的具体接触电阻率比Ti/Ta/Al的接触电阻率低几个数量级。

需要一种改进的欧姆接触，特别是对于使用具有高击穿电压和长期可靠性要求的大型器件的功率开关用途。还需要低欧姆接触电阻。本申请的实施例满足了这些和其他需要。

技术实现要素：

在本发明公开的第一实施例中，形成欧姆接触的方法包括在阻挡层的接触区域中形成Ta层，在第一Ta层上形成Ti层，在Ti层上形成Al层，其中所述阻挡层包括具有10％至40％的Al成分和至的厚度范围的AlGaN，其中所述阻挡层在包含GaN的沟道层上。

在本发明公开的另一个实施例中，形成用于场效应晶体管的欧姆接触的方法，欧姆接触包括在阻挡层的接触区的Ta层，在第一Ta层上的Ti层，以及在Ti层上的Al层，其中所述阻挡层包括AlGaN，其具有10％至40％的Al成分和至之间范围内的厚度，并且其中所述阻挡层在包含GaN的沟道层上。

根据下面的详细描述和附图，这些和其它特征和优点将变得更加显而易见。在图和描述中，数字表示各个特征，在整个附图和说明书中，相同的数字表示相同的特征。

附图说明

图1示出了根据现有技术具有用于器件隔离的光致抗蚀剂(photo resist)的起始垂直层结构；

图2示出了根据现有技术用于器件隔离的钝化层蚀刻之后的垂直层结构；

图3示出了根据现有技术用于器件隔离的注入离子；

图4示出了根据现有技术光致抗蚀剂去除之后的垂直层结构；

图5示出了根据本发明欧姆接触区打开的欧姆级光刻之后的垂直层结构；

图6示出了根据本发明在去除欧姆接触区中的钝化层之后的垂直层结构；

图7示出了根据本发明欧姆金属蒸发之后的垂直层结构；

图8A和8B示出了根据本发明的欧姆接触层；

图9示出了根据本发明覆盖金属沉积之后的垂直层结构；

图10A示出了根据本发明中HV07L22和HV07L24批次中来自传输线测量(TLM)的Rsh以及图10B示出了Rt；

图11A示出了根据本发明中HV07L22和HV07L24批次中来自TLM的Rc以及图11B示出了转移长度(Lt)；

图12示出了根据本发明测试结构TLM中的欧姆接触的平滑表面形态。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了许多具体细节以清楚地描述本发明所公开的各种具体实施例。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有下面讨论的所有具体细节的情况下实施当前要求保护的本发明。在其他情况下，没有描述公知的特征，以便不模糊本发明。

本发明描述了用于Si衬底上的改进的AlGaN/GaN基HFET和/或MOSHFET的Ta基无Au欧姆接触，可以应用在高功率开关用途和其它用途中。本发明的欧姆接触金属堆叠具有分别为和厚度的Ta、Ta、Ti和Al的金属堆叠。Ta在与半导体接触的金属堆栈的底部上。金属叠层可以通过电子束蒸发以/秒-/秒的速率沉积，对于Ta层，在每个Ta层形成之后将系统冷却至30℃。使用快速热退火(RTA)在750℃-850℃的温度下对金属堆叠进行退火10秒至60秒。RTA时间通常可以是30秒。本发明中的退火温度显着低于由D.Qiao等人在Journal of Applied Physics,Vol.89,No.10,第5543-5546页中的“Ta-based interface Ohmic contacts to AlGaN/GaN heterostructures”中公开的温度，其需要950℃的RTA温度持续4分钟。根据本发明的欧姆接触可以提供小于或等于0.5Ω/mm的接触电阻。

在其上使用欧姆接触的外延结构可以包含具有10％至40％的Al和厚度在至范围内的AlGaN阻挡层。具有厚度的AlN间隔层可以在AlGaN阻挡层下方，并且GaN层可以在间隔层下方。优选地，Si₃N₄用作表面钝化层，并且Si₃N₄钝化层可以在器件加工之前例如通过MOCVD沉积在外延层的顶部上；然而，可以使用其它钝化材料。或者，Si₃N₄钝化层可以在欧姆接触加工之后，例如通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积，或者在欧姆接触形成之前和之后沉积，这取决于器件设计。Si₃N₄钝化层的厚度可以为20nm或更厚。

本发明的Ta基无Au欧姆接触提供具有良好界定的边缘的平滑表面形态，以获得低接触电阻Rc。对于高击穿电压器件，需要低电阻触点以减少功率开关用途的损耗和自加热。光滑的表面形态和良好界定的特征边缘也增强了长期性能和可靠性。

Ta/Ta/Ti/Al欧姆金属堆叠可以通过光刻、蒸发和剥离或通过溅射和干蚀刻形成，这两者都是用于难熔金属接触的标准加工技术。本发明的欧姆接触具有金属堆叠的优点，就是与低成本Si-CMOS处理技术兼容并因此可以实现应用于其中。对于Si衬底上的改良AlGaN/GaN基HFET和/或MOSHFET可以获得的0.5Ω/mm或更小的低接触电阻，非常适合于高功率开关中的用途。

图1-9示出了用于形成Ta基无Au欧姆接触的工艺的示例。图1示出了一个示例性HFET器件的起始垂直层结构的示意图，具有Si衬底10、AlGaN和GaN HFET层12以及Si₃N₄钝化层14，其可以通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)来沉积。Si₃N₄对于钝化层14是优选的，因为它具有能够经受快速热退火(RTA)的性质。AlGaN阻挡层可以是25％的Al，未掺杂的并且具有的厚度。GaN沟道层可以具有1μm的厚度。沉积光致抗蚀剂层16并图案化以用于器件隔离。

图2示出了在蚀刻Si₃N₄钝化层14以限定器件之后的器件的垂直结构，图3示出了离子18被注入到Si₃N₄钝化层14的外部以用于器件隔离。图4示出了去除光致抗蚀剂层16之后的垂直结构。

然后，如图5所示，使用光刻沉积和图案化光致抗蚀剂20，使得欧姆接触区22开放。

然后，如图6所示，通过蚀刻在欧姆接触区22中去除Si₃N₄钝化层。如果在欧姆接触形成工艺之前沉积栅极电介质层，和/或对于AlGaN阻挡层需要凹部，取决于AlGaN的厚度，在欧姆金属沉积之前，这些层也可以在该步骤被去除。

图7示出了对于例如HFET的源极接触24和漏极接触26形成欧姆接触之后的垂直结构。欧姆接触的层，如图8A所示，可以是以下：在GaN沟道层9上的AlGaN阻挡层13上的厚度为的第一Ta层30，在第一Ta层30上的厚度为的第二Ta层32，在第二Ta层32上的厚度为的Ti层34，以及在Ti层34上的厚度为的Al层36。Ta层30可以以/秒-/秒的Ta蒸发速率沉积。在Ta层30蒸发工艺之后，可以将系统和Ta层30冷却至30℃。Ta层32也可以以/秒-/秒的Ta蒸发速率沉积，并且在蒸发处理之后，可以将系统和Ta层32冷却至30℃。AlGaN阻挡层13优选地具有10％至40％的Al成分和介于至之间的范围内的厚度。具有厚度的AlN间隔层11可以在阻挡层13和沟道层9之间。

除了通过蒸发在AlGaN阻挡层13上沉积厚的第一Ta层30，然后在第一Ta层30上沉积厚的第二Ta层32以外，也可以通过蒸发在AlGaN阻挡层13上沉积厚的第一Ta层30，然后在第一Ta层30上沉积厚的Ti层34，在Ti层34上沉积厚的Al层36，如图8B所示。在该实施例中，可以使用或除去沉积之间的冷却步骤。

在欧姆金属蒸发之后，在750℃-850℃的温度范围内进行RTA(快速热退火)10秒至60秒。通常，RTA时间可以是30秒。

图9示出了覆盖金属40沉积在欧姆接触24或26上之后的垂直结构。

图10A和10B示出了来自传输线测量(TLM)的结果。TLM是在半导体物理和工程中用于确定金属和半导体之间的接触电阻的技术。图10A和10B示出了Rsh和Rt TLM结果，结果来自批次HV07L22，在晶片GA591C中AlGaN为使用800℃进行RTA 30秒；以及批次HV07L24，在晶片GA602A中AlGaN为使用800℃进行RTA 15秒，和在GA602B中，使用800℃进行RTA 30秒。图11示出了HV07L22和HV07L24的接触电阻Rc和转移长度Lt的TLM测量值。

图12示出了根据本发明在批次HV07L22的晶片GA591C上制造的测试结构TLM的示例，其具有用于欧姆接触的平滑表面形态。

现在已经根据专利法规的要求描述了本发明，本领域技术人员将理解如何对本发明进行改变和修改以满足其具体要求或条件。在不脱离本发明所公开的范围和精神的情况下，可以进行改变和修改。

根据法律的要求所呈现的示例性和优选的实施例的前述详细描述，是为了说明和公开的目的。其并不旨在是详尽的，也不将本发明限制为所描述的精确形式，而是仅使得本领域的其他技术人员能够理解本发明如何适合于特定的用途或实现。修改和变化的可能性对于本领域技术人员将是显而易见的。通过可能包括公差、特征尺寸、特定操作条件、工程规格等的示例性实施例的描述，以及可以在不同实施方式之间变化或随着技术状态而变化的描述，并不意图限制本发明，并且也没有来自那里的暗示性的限制。申请人已经针对当前技术水平做出了本发明，但是也考虑到未来的改进或改变可能考虑到这些改进，即根据那时的技术水平。意图是本发明的范围由所书写的权利要求书和适当的等同物限定。除非明确地声明，否则以单数形式对权利要求要素的引用不意在表示“一个且仅一个”。此外，本发明中的元件、组件或方法或过程步骤不旨在专用于公开，而不管元件、组件或步骤是否在权利要求中被明确地陈述。这里没有权利要求要素根据35U.S.C.中112条第6款的规定解释，除非该元素使用短语“用于……的装置”明确地记载，并且本文中的方法或工艺步骤不应根据那些规定来解释，除非使用短语“包括步骤……”来明确地表述的一个或多个步骤。

优选地包括本文所描述的所有元件、部件和步骤。应当理解，对于本领域技术人员显而易见的是，这些元件、部件和步骤中的任何一个可以被其它元件、部件和步骤替代或者完全删除。

构思

本文至少公开了以下构思。

1.一种形成用于场效应晶体管的欧姆接触的方法，包括：

在阻挡层的接触区形成Ta层；

在第一Ta层上形成Ti层；和

在Ti层上形成Al层；

其中所述阻挡层包括AlGaN，其具有10％至40％的Al成分和至之间范围内的厚度；以及

其中所述阻挡层在包含GaN的沟道层上。

2.根据构思1所述的方法，其中：

Ta层为厚；

Ti层为厚；以及

Al层为厚。

3.根据构思1所述的方法，其中，还包括：

以/秒-/秒的蒸发速率通过蒸发形成Ta层；和

所述蒸发之后，将Ta层冷却至30℃以下。

4.根据构思1或3所述的方法，其中，还包括：

在750℃至850℃的温度范围内快速热退火10秒至60秒。

5.根据构思1所述的方法，其中，还包括：

在衬底上形成GaN沟道层，所述沟道层具有大约1μm的厚度；以及

在所述沟道层上以及在所述沟道层和所述阻挡层之间形成厚度为的AlN间隔层。

6.根据构思1所述的方法，其中，所述欧姆接触的接触电阻小于或等于0.5Ω/mm。

7.根据构思1所述的方法，其中，所述Ta层、Ti层和Al层通过光刻、蒸发和剥离或通过溅射和干蚀刻形成。

8.根据构思1所述的方法，其中，还包括：

在形成欧姆接触之前，使用金属有机化学气相沉积在阻挡层上形成钝化层，然后使用光致抗蚀剂和光刻来限定至少一个接触区；和

通过蚀刻所述钝化层去除所述接触区中的钝化层。

9.根据构思1所述的方法，其中，还包括：

在形成所述欧姆接触之后，使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在所述阻挡层上形成钝化层。

10.根据构思8或9所述的方法，其中，所述钝化层包括Si₃N₄。

11.根据构思1所述的方法，其中，形成Ta层包括：

通过以/秒-/秒的蒸发速率蒸发在所述接触区中形成厚的第一Ta层；

在所述蒸发后将所述第一Ta层冷却至30℃以下；和

通过以/秒-/秒的蒸发速率蒸发在所述第一Ta层上形成厚的第二Ta层；

在所述蒸发后将所述第二Ta层冷却至30℃以下；

在所述第二Ta层上形成所述Ti层；和

在所述Ti层上形成所述Al层。

12.一种用于场效应晶体管的欧姆接触，其中，包括：

在阻挡层的接触区的Ta层；

在第一Ta层上的Ti层；以及

在Ti层上的Al层；

其中所述阻挡层包括AlGaN，其具有10％至40％的Al成分和至之间范围内的厚度；并且

其中所述阻挡层在包含GaN的沟道层上。

13.根据构思12所述的欧姆接触，其中：

Ta层为厚；

Ti层为厚；以及

Al层为厚。

14.根据构思12所述的欧姆接触，其中，还包括：

在衬底上的GaN沟道层，所述沟道层具有大约1μm的厚度；以及

在所述沟道层上以及在所述沟道层和所述阻挡层之间的厚度为的AlN间隔层。

15.根据构思12所述的欧姆接触，其中，所述欧姆接触的接触电阻小于或等于0.5Ω/mm。

16.根据构思12所述的欧姆接触，其中，还包括：

在源极接触和漏极接触之间的阻挡层上的钝化层。

17.根据构思16所述的欧姆接触，其中，所述钝化层包括Si₃N₄。

18.根据构思12所述的欧姆接触，其中，所述Ta层是以/秒-/秒的蒸发速率蒸发形成的。

19.根据构思12所述的欧姆接触，其中，所述Ta层包括：

在所述接触区中的厚的第一Ta层，其通过以/秒-/秒的蒸发速率蒸发并且在所述蒸发后冷却至30℃以下而形成；和

在所述第一Ta层上的厚的第二Ta层，其通过以/秒-/秒的蒸发速率蒸发并且在所述蒸发后冷却所述第二Ta层至30℃以下而形成；

在所述第二Ta层上的Ti层；和

在所述Ti层上的Al层。