[发明专利]适用于氮化镓器件N型欧姆接触的制作方法

说明书

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