GaNHEMT无金低粗糙度欧姆接触电极的制备方法与流程

本发明是涉及广泛应用于5g基站、移动终端、基站卫星、雷达市场、sbd、fet、无线充电、电源开关市场的一种关于gan高电子迁移率晶体管欧姆接触电极制备工艺的技术领域，更具体的涉及一种ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极的制备方法。

背景技术：

在微电子领域，由于gan材料的禁带宽度大的特点，可以制作高温大功率电子器件。例如用gan基材料制作的mosfet器件在汽车电子、开关电源等领域有广泛的应用。gan材料具有电子漂移饱和速度高，介电常数小，导热性能好等特点可以制作抗辐射、高频、大功率电子器件。此外，gan材料在高速以及微波器件领域也有广阔的应用前景。然而，较高的成本限制了gan高电子迁移率晶体管的广泛应用，降低gan高电子迁移率晶体管制造成本的方法是实现gan-on-sicmos工艺线大规模生产的技术关键。低电阻率的欧姆接触电极是确保gan高电子迁移率晶体管达到最佳器件性能的关键因素。常规的高电子迁移率晶体管的欧姆接触电极工艺中采用含金金属结构，例如：传统的ti/al/ni/au在合金过程中，因为au的扩散能力极强，会造成au对cmos工艺线的污染；而al处于熔融状态，会形成alau2或alau4等颗状物，影响欧姆接触电极表面粗糙度，因此合金以后会影响光刻标记识别，一般需要重新制作标记，从而增大了工艺复杂度，降低了光刻对准精度，影响最终成品率，并且粗糙的欧姆接触电极容易引起金属电迁移，影响器件可靠性。因此，无金低粗糙度欧姆接触技术是提高gan高电子迁移率晶体管可靠性和实现gan-on-sicmos工艺线的大规模制造的关键。

由于我们发现pd金属熔点高，可以作为扩散阻挡层金属，阻止高温合金时w和al的扩散，而ni的温度较低，无法承担这个任务，甚至在ti/al/ni/au结构中，ni由于熔点较低，也无法避免少量的au向内层扩散，所以pd是良好的扩散阻挡层。高性能pd薄膜通常是在较低的基底温度(40～50℃)下通过磁控溅射方式沉积的。沉积较薄的欧姆接触电极金属结构非常适用于life-off工艺，这样可以大大降低电极制备工艺复杂性，只需通过特定的掩膜设计，然后在分析纯丙酮溶液中浸泡2h,即可形成复杂的电极图形，并且不会对器件造成不良影响，而且电极尺寸控制精准，精度较高，同时省略了复杂的金属刻蚀工艺，大大降低了gan-on-sicmos的生产成本，并且不会产生如刻蚀损伤、高温下金属-半导体间的固相反应和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等不利的影响，非常有利于大规模工业化生产，因此具体如何设计使用w、pd制作ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极的制备工艺显得尤为重要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是在于改善ti/al/ni/au电极薄膜结构作为欧姆接触层金属高温退火过程存在的缺陷，通过磁控溅射ti/al/pd/w薄膜结构，并且后期采用rta高温快速退火，达到制作ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极的目的。其中w作为帽层金属，有效避免退火过程中欧姆接触势垒金属层的氧化，提升欧姆金属的导电性和抗性，同时使用在n2氛围下退火，降低了gan晶体管退火造成的表面损伤，是一种新型的ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极的制备方法，包括如下步骤：

(1)清洗表面：对ganhemt外延层进行标准的rca清洗，祛除表面杂质；

(2)光刻源漏电极图形：先在ganhemt外延层表面旋涂光刻胶，通过调整转速控制光刻胶厚度，光刻胶薄膜涂覆厚度通过台阶仪和椭偏仪测量获得，使用光刻机通过掩模版曝光来定义源漏电极的图形区域，然后用显影液显影得到所要的光刻图形；

(3)沉积电极材料：通过磁控溅射的方式，精准控制磁控溅射的功率和溅射时间，具体步骤如下：在ganhemt外延层表面上依次溅射ti/al/pd/w多层金属结构组成源漏电极，源漏电极包括间隔设置的源电极和漏电极，其中，溅射多层金属采用低温反应磁控溅射的方法沉积，溅射气体为氩气，流速37sccm，溅射基底温度在24～50℃范围内，溅射功率为100～500w之间；

(4)lift-off剥离：将步骤(3)所得沉积不同金属种类，不同膜厚的金属电极，浸泡在分析纯的丙酮溶液中2h，然后剥离掉电极金属层多余的部分，留下无金源漏电极金属层，形成源漏电极；

(5)rta退火：通过对步骤(4)所得的源漏电极进行快速退火，w、pd、al、ti这些金属重新结晶相互之间发生固相反应，会形成金属化合物，并重新结晶，然后与ganhemt外延层表面形成欧姆接触关系，所述退火的温度为920～960℃，所述rta快速退火在n2氛围下进行。除此之外，退火也能消除电极金属层的内应力和缺陷，促进合金原子序列重新排列，这之间的变化能大大降低电阻率，使源漏电极与ganhemt外延层形成欧姆接触关系。

为进一步达到本发明目的，优选地，在步骤4中利用lift-off剥离工艺的具体方法还可以为：对源漏电极图形区域进行表面处理，利用强酸溶液腐蚀光刻胶未覆盖的源漏电极外部区域，或采用干法刻蚀移除源漏电极以外的本征势垒层，形成源漏电极。本发明采用：在步骤4中利用lift-off剥离工艺，表面沉积金属后，通过使用分析纯度的丙酮溶液，浸泡2h，可完全精准的剥离出电极图形。

优选地，在步骤4中的溅射选取直流磁控溅射模式。

优选地，所述的源漏电极为ti/al/pd/w金属结构。

优选地，在步骤4中的源漏电极结构为ti/al/pd/w金属时，ti、al、pd、w金属的厚度分别是15nm、200nm、40nm、80nm。

优选地，在步骤5中rta退火的最高保温温度为920～960℃。

优选地，rta退火最高保温温度的保温时间为20～40s。

优选地，所述的源漏欧姆接触电极为圆形或矩形。

优选地，在步骤1所述的ganhemt外延层为在6英寸硅衬底上生长algan/gan异质结构。

优选地，所述rta快速退火在n2氛围下进行。

因此本发明相对于现有技术，本发明公开的是一种ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极的制备方法，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用磁控溅射多层金属薄膜结构，通过后期rta快速退火合金促进重新结晶和电极层间金属相互发生固相反应，使直流溅射含ti/al/pd/w金属结构的欧姆接触电极导电性大大提升；

2、本发明避免了使用au和pt等贵重金属，降低了工艺复杂程度，简化了工艺流程，有助于降低gan高电子迁移率晶体管的制造成本；

3、本发明在n2氛围下退火，有效避免退火过程中势垒金属层的氧化，提升欧姆金属的导电性和抗性，降低了gan晶体管退火造成的表面损伤；

4、本发明采用磁控溅射ti/al/pd/w金属薄膜结构，通过后期高温n2氛围下rta快速退火促进ti/al/pd/w重新结晶，相互之间发生固相反应，形成欧姆接触电极，并且大大降低器件表面粗糙度，对比传统的ti/al/ni/au电极结构，ti/al/pd/w结构能显著降低欧姆接触电极金属表面粗糙度，提升光刻标记识别率，从而降低了工艺复杂度，增大了光刻对准精度，最终达到提升成品率的目的，并且粗糙的欧姆接触容易引起金属电迁移，影响器件可靠性。

附图说明

图1为实施例1中使用ti/al/pd/w金属结构制作ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极和器件结构示意图。

图2为实施例1中使用ti/al/pd/w和现有技术中使用ti/al/ni/au金属结构分别制作ganhemt器件欧姆接触电极表面的扫描电子显微镜的局部外貌图。

图3为实施例1中使用ti/al/pd/w和现有技术中使用ti/al/ni/au金属结构分别制作ganhemt器件欧姆接触电极表面的afm原子力显微镜表面扫描图。

图4为实施例1中使用ti/al/pd/w金属结构制作ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极工艺制作的示意图。

图5为实施例1中使用ti/al/pd/w金属结构制作ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极的rta退火曲线。

图6为实施例1中使用ti/al/pd/w金属结构制作ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极结构厚度是15/200/40/80nm的八个圆环电极测试的i-v曲线。

图7为实施例1中使用ti/al/pd/w金属结构制作ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极结构厚度是15/200/40/80nm时并采用cdtlm测试方法最终的线性拟合曲线。

图中所示：1-衬底、2-中间层a、3-中间层b、4-栅极、5-金属ti、6-金属al、7-金属pd、8-金属w、9-光刻胶、10-金属层、11-金属电极。

具体实施方案

以下结合附图和实施方案对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方案不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或工艺参数，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

如图1所示，一种ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极，图中的ganhemt外延层从下至上包括衬底1、中间层a2(中间层a包含氮化物成核层、氮化物缓冲层、gan沟道层)和中间层b3(中间层b是本征势垒层)。优选方案中：衬底、氮化物成核层、氮化物缓冲层、gan沟道层和本征势垒层的厚度分别为0.5-2mm、0.2-1μm、600-2400nm、100-500nm和10-30nm；衬底的材质优选为gan、碳化硅、蓝宝石、硅，从好到差依次排列，最次的是硅做衬底，但是硅基的衬底也是最廉价，最适合大规模量产商用的衬底。氮化物成核层的材质优选为gan或aln；氮化物缓冲层的材质优选为gan、algan、渐变组分algan或其组合；本征势垒层的材质优选为algan或inaln。4是栅极、5是金属ti、6是金属al、7是金属pd、8是金属w、9是光刻胶、10是金属层、11是金属电极；源漏电极包括间隔设置的源电极和漏电极，源漏电极可以为矩形、圆形或其他形状，多个间隔设置的源漏电极设置在ganhemt外延层的本征势垒层上。

实施例1：

具体制备方法如下：

如图1-图7所示，本实施例公开了使用ti/al/pd/w金属结构制作的一种ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极的制备方法，步骤如下：

(1)清洗表面：对ganhemt外延层进行标准的rca清洗，祛除表面杂质；

(2)光刻源漏电极图形：先在ganhemt外延层表面旋涂光刻胶9，通过调整转速控制光刻胶厚度，光刻胶薄膜涂覆厚度通过台阶仪和椭偏仪测量获得，使用光刻机通过掩模版曝光来定义源漏电极的图形区域，然后用显影液显影得到所要的光刻图形；

(3)沉积电极材料：通过磁控溅射的方式，精准控制磁控溅射的功率和溅射时间，从而达到控制膜厚的目的，具体步骤如下：我们在ganhemt外延层表面上依次溅射ti金属5，al金属6，pd金属7，w金属8构成多层金属结构组成的源漏金属层10，上述：ti金属5厚度为15nm，al金属6厚度为200nm，pd金属7厚度为40nm，w金属8厚度为80nm。其中，溅射多层金属结构采用磁控溅射的方式沉积金属薄膜，溅射气体为氩气，流速37sccm，溅射基底温度在24～50℃范围，实验在恒温24℃超净间中进行，高速粒子携带能量打在ganhemt基底表面，导致基底温度略有增加，溅射功率为100～500w之间，根据金属种类的不同进行适当调整，保证最终沉积的多层金属薄膜厚度分别在10～200nm之间，根据需要适当控制不同种类的金属膜厚度，主要目的是为了rta退火后的合金功函数满足欧姆接触的需要，并且稳定性要好；

(4)lift-off剥离：步骤(3)所得沉积不同金属种类，不同膜厚的电极材料对应的金属层10浸泡在分析纯的丙酮溶液中2h，然后剥离掉电极金属层多余的部分，留下无金源漏电极金属层，形成欧姆接触金属电极11即源漏电极；

(5)rta退火：通过对步骤(4)所得的源漏电极进行950℃高温，30s快速退火，rta退火曲线如附图6所示，w、pd、al、ti这些金属重新结晶，相互之间发生固相反应，这些不同种类的金属会形成金属化合物，通过调整金属薄膜电极的层间金属种类和薄膜厚度使其退火后发生不同的固相反应，生成功函数较小的金属化合物，同时金属晶体重新排列，达到降低功函数的目的，从而与ganhemt外延层形成欧姆接触关系；同时本步骤中rta退火的气体氛围为n2，所述退火的温度为920～960℃；除此之外，退火也能消除电极金属层的内应力和缺陷，促进合金原子序列重新排列，这之间的变化能大大降低电阻率，使源漏电极与ganhemt外延层上的algan层形成欧姆接触，由于通过对步骤4所得的源漏电极进行快速退火，这些金属重新结晶，相互之间发生固相反应，这些不同种类的金属会形成金属化合物，退火也能消除电极金属层的内应力和缺陷，促进合金原子序列重新排列，最终确保形成上述的金属电极11即源漏电极。

为进一步实现本发明目的，优选地，在步骤4中利用lift-off剥离工艺的具体方法还可以为：对源漏电极图形区域进行表面处理，利用强酸溶液腐蚀光刻胶未覆盖的源漏电极外部区域，或采用干法刻蚀移除源漏电极以外的本征势垒层，形成源漏电极。本实施例采用：在步骤4中利用lift-off剥离工艺，表面沉积金属后，通过用丙酮浸泡，使用分析纯度的丙酮溶液，浸泡2h，可完全精准的剥离出电极图形。

优选地，在步骤4中的溅射选取直流磁控溅射模式。

优选地，所述的源漏电极为ti/al/pd/w金属结构。

优选地，在步骤4中的源漏电极结构为ti/al/pd/w金属时，ti、al、pd、w金属的厚度分别是15nm、200nm、40nm、80nm。

优选地，在步骤5中rta退火的最高保温温度为920～960℃。

优选地，rta退火最高保温温度的保温时间为20～40s。

优选地，所述的源漏欧姆接触电极为圆形或矩形。

优选地，在步骤1所述的ganhemt外延层为在6英寸硅衬底上生长algan/gan异质结构。

优选地，所述rta快速退火在n2氛围下进行。

通过实验对比：

使用本实施例中的ti/al/pd/w金属结构和现有技术中的ti/al/ni/au金属结构制作两组ganhemt接触电极，然后进行对比，如图2所示，通过表面的扫描电子显微镜的局部外貌图发现：利用本发明ti/al/pd/w结构的电极表面明显粗糙度较低，表面较为平坦；

如图3所示，使用本发明ti/al/pd/w和现有技术中的ti/al/ni/au金属结构分别制作ganhemt欧姆接触电极表面的afm原子力显微镜表面扫描图，也可以清楚的看见利用本发明ti/al/pd/w结构的电极表面粗糙度较低。

如图4所示，本发明使用ti/al/pd/w金属结构制作ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极工艺制作的示意图，主要包括以下顺序：旋胶即本实施例的步骤(2)；前烘、曝光、爆后烤、显影、坚膜、沉积金属即本实施例的步骤(3)；lift-off即本实施例的步骤(4)，图4中的11是金属电极，11的命名包括了图1中的电极材料ti金属5、al金属6、pd金属7和w金属8，如图7所示，本发明使用ti/al/pd/w金属结构制作ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极结构采用cdtlm测试方法最终的线性拟合曲线，从图7看最终计算的电阻率为1.92ω·mm。

因此本实施例使用ti/al/pd/w金属结构制作ganhemt无金低粗糙度欧姆接触电极，具有如下优点：

1、通过磁控溅射方式沉积多层金属薄膜结构，通过后期适当的rta快速高温退火，促进多层金属薄膜重新结晶，相互发生固相反应，使溅射多层金属薄膜电极导电性大大提升。本发明避免了使用au和pt等贵重金属，降低了工艺复杂程度，简化了工艺流程，有助于降低gan高电子迁移率晶体管的制造成本。

2、在n2氛围下高温快速退火，有效避免退火过程中欧姆金属的氧化，保持了欧姆接触金属电极的表面形貌，提升了欧姆接触金属电极的导电性和抗性，降低了gan晶体管退火造成的表面损伤。

3、采用磁控溅射ti/al/pd/w金属薄膜结构，对比传统的ti/al/ni/au结构，ti/al/pd/w结构能显著降低欧姆接触金属电极表面粗糙度，提升光刻标记识别率，从而降低了工艺复杂度，增大了光刻对准精度，最终达到提升成品率的目的。并且粗糙的欧姆接触容易引起金属电迁移，影响器件可靠性。

本发明涉及到的无金低粗糙度欧姆接触电极的形成是一个复杂的过程，涉及到多种固相反应，单一金属形成的欧姆接触电极很难保证各方面性能的综合提高，例如现有技术中的低接触电阻率、低金属方块电阻、高热稳定性、抗氧化腐蚀等，而在现有技术中多层欧姆接触结构是指在半导体表面淀积3层或3层以上金属结构，通过适当的工艺处理得到所需的欧姆接触特性，一般分为势垒层、覆盖层、扩散阻挡层、帽层。

在本发明中衬底金属为ti、al，扩散阻挡层为直流磁控溅射pd金属，帽层金属是w,最终形成ti/al/pd/w金属结构。因此，本发明的核心是对扩散阻挡层的制备和设计过程，后期通过rta快速退火合金工艺促进多层薄膜发生固相反应重新结晶，使多层金属结构与algan本征势垒层形成欧姆接触，本发明采用磁控溅射薄膜，选取直流磁控溅射模式，溅射气体氛围为氩气，溅射靶材为ti靶，直流溅射功率为100w，溅射速率为6.25nm/min；溅射靶材为al靶，直流溅射功率为500w，溅射速率为50.0nm/min；溅射靶材为pd靶，直流溅射功率为150w，溅射速率为9.20nm/min；溅射靶材为w靶，直流溅射功率为100w，溅射速率为7.18nm/min；基底温度始终控制在25～50℃，溅射厚度ti/al/pd/w金属结构厚度是15/200/40/80nm；然后通过后期rta高温快速退火使势垒层、覆盖层、扩散阻挡层、帽层金属之间形成合金，重新结晶并发生固相反应，使直流溅射的gan高电子迁移率晶体管电极导电性大大提升，电阻率大幅下降，从而实现电极与algan表面形成欧姆接触关系。

经过实验证明本申请通过研究了ti/al/pd/w金属结构以及合金温度对欧姆接触、表面粗糙度的影响，采用的欧姆金属化结构，在合金温度为950℃时，实现最优欧姆接触电阻率1.92ω·mm欧姆，接触表面形貌也有显著改善，表面粗糙度rms＜4.0nm。通过改善表面形貌，gan高电子迁移率晶体管的击穿电压提高约4％，同时也证实了ti/al/pd/w金属结构可靠性满足工程化应用，ti/al/pd/w金属结构可以实现gan标记自对准，从而简化工艺流程并提升成品率。

本实施方案不构成对本发明的任何限制，因此对于本领域的专业技术人员来说，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。