1.本发明属于微电子
技术领域：
：，尤其涉及一种氮化镓器件结构及其制作方法。
背景技术：
：：2.氮化镓(gan)材料和器件由于其宽禁带宽度、高击穿电场、高电子饱和漂移率以及很强的抗辐射能力和良好的化学稳定性等特性而备受青睐，成为制作微波射频器件、功率器件的优良选择，具有高温、大功率、高频和抗辐照等得天独厚的优势。欧姆接触技术是实现高性能gan器件的关键技术之一。源漏欧姆接触的好坏对algan/ganhemt制造至关重要，良好的欧姆接触可使器件通态电阻低，饱和电流高，输出功率大，具有良好的稳定性和可靠性。欧姆接触金属结构、合金化方法、表面处理等工序直接影响器件的欧姆接触电阻和形貌，进而影响器件工作电流和输出功率。由于氮化镓的能带宽度很高，欧姆接触合金的肖特基势垒也相应较高，氮化镓多层金属合金化需要很高的退火温度，金属表面凹凸不平，给后续的表面钝化和电镀工艺提高难度，从而降低成品率。由于钛与氮化镓的肖特基势垒相对较低，algan/ganhemt源漏欧姆接触金属一般采用钛合金接触，常见的是ti/al基的多层金属结构，例如ti/al/ti/au，ti/al/ni/au，cr/al/ni/au多层金属结构，通过电子束蒸发或者离子溅射的方式在氮化镓半导体表面沉积金属，多层金属薄膜用快速退火炉在n2气氛下用800℃-1000℃的高温退火30秒到120秒，从而形成电阻值较低的欧姆接触。对于高铝组分的algan器件，ti/al和cr/al基的多层结构很难获得良好的欧姆接触，然而zr/al基的多层金属结构可以。zr/al/mo/au可以获得较好的欧姆接触，但是由于材料铝组分很高(65％)，方块电阻很大(1800ω/□)，欧姆接触还是比较大，从而影响器件的饱和电流和输出功率，饱和电流只有250ma/mm，比一般的algan/ganhemt的饱和电流小很多(1000ma/mm)。3.发明人认为，以上的多层金属结构以及合金化方法仍有不足之处，ti/al基的退火温度比较高，表面损伤比较大，表面粗糙度比较大，cr/al基的稳定性和重复性不是很好，zr/al基的接触电阻对样品表面很敏感，接触电阻的性能有待提高。为此，需要设计出一种氮化镓器件结构及其制作方法。4.需要说明的是，在上述
背景技术：
：部分公开的信息仅用于加强理解本公开的背景，并且因此可以包括不构成现有技术的信息。技术实现要素：5.发明人通过研究发现，欧姆接触金属结构、合金化方法、表面处理等工序直接影响器件的欧姆接触电阻和形貌，进而影响器件工作电流和输出功率，但现有的氮化镓功率器件因高退火温度和表面形貌的问题无法获得电阻值低和稳定性好的欧姆接触的技术问题。6.鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了的一种氮化镓器件结构及其制作方法，具体技术方案如下：7.一种氮化镓器件结构，自下而上包括衬底层、缓冲层、氮化镓沟道层、氮化铝隔离层、铝镓氮势垒层、帽层，所述帽层设有穿透至铝镓氮势垒层的开口，所述开口内在铝镓氮势垒层的上表面形成有zr/ti/al合金层，zr/ti/al合金层上表面形成有阻挡金属层，阻挡金属层上表面形成有保护金属层，通过铝镓氮和zr/ti/al合金层的设置，使得本发明提出的欧姆接触可以在现有工艺基础上降低欧姆接触电阻10-20％，相应提高欧姆接触的稳定性和可靠性，以及器件工作电流和输出功率。8.一种氮化镓器件制作方法，用于制作上述的氮化镓器件结构，包括如下步骤：在衬底层上利用mocvd工艺，依次生长缓冲层、氮化镓沟道层、氮化铝隔离层、铝镓氮势垒层和帽层；在帽层开孔蒸镀zr/ti/al合金层、阻挡金属层、保护金属层；使用高温退火炉在n2环境中，以700～1000℃，进行30～120秒的退火，高温退火后铝镓氮势垒层与zr/ti/al合金层合金化形成欧姆接触。9.相比较现有技术而言，本发明具有以下有益效果：10.1.本发明提出的欧姆接触可以在现有工艺基础上降低欧姆接触电阻10-20％，相应提高欧姆接触的稳定性和可靠性，以及器件工作电流和输出功率。11.2.本发明工艺过程与氮化镓传统欧姆接触工艺类似，工艺菜单简单，重复性好，能够充分发挥氮化镓功率器件高频、高击穿电压、高电流密度等特点。附图说明12.图1为本发明结构中实施例1氮化镓hemt器件外延层结构的示意图；13.图2为本发明结构中欧姆接触金属层结构的示意图；14.图3为tlm测试金属板结构示意图；15.图4为tlm测试曲线；16.图5为50％al组分的algan的tial及zral测试结果比较图。17.图中标号说明：1、衬底层；2、缓冲层；3、氮化镓沟道层；4、氮化铝隔离层；5、铝镓氮势垒层；6、帽层；71、zr金属层；72、ti金属层；73、al金属层；8、阻挡金属层；9、保护金属层。具体实施方式：18.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。19.本文中为部件所编序号本身，仅用于区分所表述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本公开中所说“连接”，如无特殊具体说明，均包括直接和间接的“连接”。在本技术的描述中，需要理解的是，方位术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简要描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为对本技术的限制。20.如图1至图2所示，设计出一种氮化镓器件结构，自下而上包括衬底层1、缓冲层2、氮化镓沟道层3、氮化铝隔离层4、铝镓氮势垒层5、帽层6，所述帽层6设有穿透至铝镓氮势垒层5的开口，所述开口内在铝镓氮势垒层5的上表面形成有zr/ti/al合金层，zr/ti/al合金层分别由zr金属层71、ti金属层72和al金属层73自下而上组成，zr/ti/al合金层上表面形成有阻挡金属层8，阻挡金属层8上表面形成有保护金属层9，本公开提出的欧姆接触可以在现有工艺基础上降低欧姆接触电阻10-20％，相应提高欧姆接触的稳定性和可靠性，以及器件工作电流和输出功率。21.一种氮化镓器件制作方法，用于制作上述的氮化镓器件结构，包括如下步骤：在衬底层1上利用mocvd工艺，依次生长缓冲层2、氮化镓沟道层3、氮化铝隔离层4、铝镓氮势垒层5和帽层6；在帽层6开孔蒸镀zr/ti/al合金层、阻挡金属层8、保护金属层9；使用高温退火炉在n2环境中，以700～1000℃，进行30～120秒的退火，高温退火后铝镓氮势垒层5与zr/ti/al合金层合金化形成欧姆接触，本公开的工艺过程与氮化镓传统欧姆接触工艺类似，工艺菜单简单，重复性好，能够充分发挥氮化镓功率器件高频、高击穿电压、高电流密度等特点。22.本公开具体的技术原理是：23.氮化镓材料普遍采用的欧姆接触金属结构是tial基的多层金属层。24.已知氮化镓的能带宽度为3.4ev，氮化铝的能带宽度是6.2v，铝镓氮的能带宽度根据铝组分的变化而变化，在3.4ev和6.2ev之间。金属与氮化镓的功函数比较大，肖特基势垒直接与金属功函数相关。为了获得较好的欧姆接触，肖特基势垒越低越好，所以我们需要选择金属功函数低的金属，比较好的选择就是钛，铝，锆，铬，钒，相应的金属功函数为钛4.33ev，铝4.28ev，锆4.05ev，铬4.50ev，钒4.30ev。相应的肖特基势垒高度钛0.58v，锆0.48v，铬0.51v。氮化镓领域常用的n-gan,algan/gan接触金属是ti/al系列多层金属，ti/al/ti/au,ti/al/ni/au,ti/al/mo/au等。25.本公开的欧姆接触电阻通过传输线模型tlm测试方法进行测量，如图3至图4所示，tlm测试是通过测试固定宽度w金属板在不同间距l的总电阻r，根据r-l的曲线获得斜率k和y-轴截距b，从而计算出面电阻rsh＝w.k，接触电阻rc＝w.b/2。26.表1是我们不同铝组分n-algan材料采用ti/al/ti/au欧姆接触的tlm测试结果。27.表1：n-algan不同铝组分的接触电阻比较[0028][0029]从表1可以看出，当铝组分增加时，n-algan的接触电阻迅速增加。这有以下几个因素：[0030]1.随着铝组分的增加，algan的能带宽度增加，肖特基势垒也变得更高，欧姆接触电阻增加；[0031]2.随着铝组分增加，暴露在空气中的al也增加，而空气中的铝很容易与氧气结合形成al2o3绝缘层，增加欧姆接触电阻；[0032]3.在高温退火时，钛和铝金属扩散到氮化镓材料中，形成tial合金和tin合金，一方面tial合金扩散增强材料导电性，降低肖特基势垒，另一方面，ti扩散到氮化镓材料中，gan中的n与ti结合成tin后，n的空穴提供了导电电荷，从而降低肖特基势垒，在金属与氮化镓之间形成欧姆接触。当氮化镓材料中增加铝组分时，扩散到algan材料中的ti除了与algan中的n结合形成tin合金，n空穴提供导电电荷，ti也会与al结合形成tial合金，减少tin合金的可能性。[0033]在无铝或铝组分比较小的时候，tial基的欧姆接触可以获得比cral,zral,val等金属结构更低的欧姆接触电阻，虽然tial基的欧姆接触在高温下容易形成铝球，器件可靠性也因此受到影响，但是这并不影响tial金属结构在无铝或低铝组分情况下的广泛应用。对于高铝组分algan，寻找更稳定的在高铝组分algan材料中低电阻欧姆接触电阻金属有很重要的意义。在s.d.wolter,b.p.luther,s.e.mohney,r.f.carlicek,r.s.kern，等人的论文“thermallystablezrn/zr/n-ganohmiccontacts”,(electrochemicalandsolidstateletters,vol.2,no.3,1999,p151-153)中提出了采用zr代替ti欧姆接触，获得了比ti更稳定的氮化镓欧姆接触，yafune用zr/al/mo/au多层金属结构，成功地在高铝组分algan材料上获得了良好的欧姆接触，解决了tial基的高铝组分algan材料高阻值问题和稳定性问题，但是zral基多层金属在低铝组分algan材料的欧姆接触电阻不如tial基的。原因可能是高铝组分algan材料阻挡了tial合金的扩散，ti不容易穿过algan分子层扩散，这样就限制了tin合金的形成，从而限制了tial基的高铝组分algan材料的欧姆接触，而zral基的zr金属更容易穿过algan分子层扩散，形成tin合金，从而降低接触电阻。如图5所示，w＝200um,tial基欧姆接触的接触电阻是20.1ω.mm,zral基欧姆接触的接触电阻是8.0ω.mm。在高铝组分algan材料欧姆接触，zral比tial为好。[0034]本公开经过对以上tial和zral两种金属结构在不同铝组分条件下的欧姆接触电阻及其欧姆接触的原理分析，主要有以下两方面主要导电机理：[0035]1.tial基金属结构中的ti和al扩散到gan材料中，形成tial合金，tin合金，降低肖特基势垒，获得欧姆接触通道；[0036]2.zral基金属结构中的zr扩散到高铝algan材料中，形成zrn合金，降低肖特基势垒，获得欧姆接触通道。[0037]综上所述，对于不同铝组分的algan材料，我们采用zr/ti/al多层金属结构，例如zr/ti/al/ti/au,zr/ti/al/ni/au,zr/ti/al/mo/au等金属结构，根据algan中的铝组分适当调节zr和ti的比例，充分发挥tial合金和zral合金的导电机理，以获得最低的欧姆接触电阻。[0038]其中，以上实施方式中，列举出3种实施例实现上述技术方案：[0039]实施例1[0040]本实施例是所述衬底层1为硅衬底，所述缓冲层2为氮化铝缓冲层；所述zr/ti/al合金层的金属厚度分别是zr金属层71为2nm，ti金属层72为2nm，al金属层73为10nm；所述帽层6为si3n4帽层；所述阻挡金属层8的材料为ti，阻挡金属层8的厚度为20nm；[0041]本实施例是在衬底层1上利用mocvd工艺，依次生长缓冲层2、氮化镓沟道层3、氮化铝隔离层4、铝镓氮势垒层5和帽层6；在帽层6刻蚀深度至铝镓氮势垒层5的开孔，在开孔内的铝镓氮势垒层5上表面蒸镀zr/ti/al合金层、阻挡金属层8、保护金属层9，其中保护金属层9的材料为au，厚度为30nm；使用高温退火炉在n2环境中，以700℃，进行120秒的退火，高温退火后铝镓氮势垒层5与zr/ti/al合金层合金化形成欧姆接触。[0042]本实施例可用于氮化镓hemt器件的欧姆接触制作。[0043]实施例2[0044]本实施例是所述衬底层1为碳化硅衬底，所述缓冲层2为氮化铝缓冲层；所述zr/ti/al合金层的金属厚度分别是zr金属层71为20nm，ti金属层72为20nm，al金属层73为100nm；所述帽层6为gan帽层；所述阻挡金属层8的材料为ni，阻挡金属层8的厚度为100nm；[0045]本实施例是在衬底层1上利用mocvd工艺，依次生长缓冲层2、氮化镓沟道层3、氮化铝隔离层4、铝镓氮势垒层5和帽层6；在帽层6开孔蒸镀zr/ti/al合金层、阻挡金属层8、保护金属层9，其中保护金属层9的材料为au，厚度为300nm；使用高温退火炉在n2环境中，以1000℃，进行30秒的退火，高温退火后铝镓氮势垒层5与zr/ti/al合金层合金化形成欧姆接触。[0046]本实施例可以用于深紫外led器件的欧姆接触制作。[0047]实施例3[0048]本实施例是所述衬底层1为蓝宝石衬底，所述缓冲层2为氮化镓缓冲层；所述zr/ti/al合金层的金属厚度分别是zr金属层71为10nm，ti金属层72为120nm，al金属层73为60nm；所述帽层6为gan帽层；所述阻挡金属层8的材料为mo，阻挡金属层8的厚度为65nm；[0049]本实施例是在衬底层1上利用mocvd工艺，依次生长缓冲层2、氮化镓沟道层3、氮化铝隔离层4、铝镓氮势垒层5和帽层6；在帽层6开孔蒸镀zr/ti/al合金层、阻挡金属层8、保护金属层9，保护金属层9的材料为au，厚度为210nm；使用高温退火炉在n2环境中，以860℃，进行60秒的退火，高温退火后铝镓氮势垒层5与zr/ti/al合金层合金化形成欧姆接触。[0050]可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。当前第1页12当前第1页12