基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件，特别涉及基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极及其制备方法。

背景技术

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)在高压、高频、大功率半导体激光器件以及高性能紫外探测器等领域有广泛的应用前景。然而，化合物半导体专用产线技术相对落后，制程更新和运营维护成本较高，提高了GaN基HEMT器件的生产成本。采用成熟先进的Si-CMOS工艺线生产HEMT器件，能有效降低HEMT器件的制备难度，降低制造成本。常规HEMT器件的欧姆和肖特基接触工艺中采用的重金属Au，在Si中会形成深能级杂质，污染CMOS工艺线。

Cu(铜)具有优异的导电性、导热性和塑韧性，在Si-CMOS工艺线上常采用Cu作为金属电极和互连线。然而，Cu和Si易反应，通常需要增加一层阻挡层。此外，在退火过程中，Cu会发生严重的扩散，扩散到AlGaN/GaN层中形成Ga-Cu合金，诱导形成类似空位的缺陷并且提高GaN表面的p型掺杂，抑制GaN表面氮空位的形成。

大多数具有低接触电阻的高质量欧姆接触，都是采用Ti/Al基多层金属，经过氮气氛围的快速热退火处理而形成。GaN表面的Ti/Al基多层金属体系，由下至上分别为接触层、覆盖层、阻挡层和帽层。接触层通常采用金属Ti，覆盖层通常采用金属Al，经过高温退火处理后，金属Ti形成低阻化合物TiN，同时在GaN中形成了N空位；金属Al处于熔融状态且促进多层金属之间发生固相反应，与金属Ti形成低功函数的致密合金Ti-Al；阻挡层常采用熔点较高的金属，用于防止帽层金属与其他金属的相互扩散；帽层常采用热稳定性好、抗氧化性好的金属，如Au，用于避免接触层和覆盖层金属的氧化。

研究表明，对于非刻蚀的AlGaN/GaN异质结材料的欧姆接触，Ti/Al的相对厚度对欧姆接触的形成起到关键作用：一方面，当Al的厚度相对较大时，过量的Al会大量消耗用于形成欧姆接触的Ti，结合形成电阻比Al更大的Ti-Al合金，从而减少了低电阻TiN和N空位的形成；另一方面，当Ti的厚度相对较大时，过量的Ti也会与Al结合形成Ti-Al合金，但仍有足够量的Ti在退火合金中形成低电阻TiN和AlGaN/GaN的N空位[X.Kong,et al,J.Phys.D,Appl.Phys.,2012,45(26)]。根据已有的研究，对于退火后形成欧姆接触的AlGaN/GaN异质结材料，Ti/Al厚度与所需退火温度存在匹配关系。换言之，每一个具有不同Ti/Al厚度的Ti/Al基多层欧姆金属结构，都存在一个形成欧姆接触的最佳退火温度。当Ti的厚度较大时，形成欧姆接触的退火温度往往要求为750℃到950℃。而当Al的厚度较大时，经过550℃左右的低温退火下就可形成欧姆接触。因此，优化设计接触层和覆盖层是GaN基HEMT无金欧姆接触电极制备的关键。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极。相对于传统欧姆接触电极金属体系，本发明采用Ti-Al合金替代金属Al作为覆盖层，可以降低退火合金温度，有效地解决高温退火下电极表面形貌差的问题。本发明采用Cu-W合金代替金属Au作为帽层，提高电极的导电性，降低工艺难度，有助于降低GaN基HEMT器件的制造成本。

本发明的目的至少通过如下技术方案实现：

本发明提供了一种基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，所述电极为在GaN基HEMT的外延层上表面的两侧从下到上依次排列的第一金属层Ti、第二金属层Ti-Al合金和第三金属层Cu-W合金。

优选地，第一金属层Ti的厚度为1～10nm，第二金属层Ti-Al合金的厚度为50～200nm，第三金属层Cu-W合金的厚度为40～80nm。

优选地，第二金属层Ti-Al合金采用磁控溅射单靶沉积或双靶共溅射沉积制备。

优选地，第二金属层Ti-Al合金采用磁控溅射单靶沉积时，靶材为Ti-Al镶嵌靶或Ti-Al合金靶。

优选地，第二金属层Ti-Al合金采用磁控溅射双靶共溅射沉积时，双靶为Ti靶和Al靶。

优选地，第三金属层Cu-W合金采用磁控溅射单靶沉积，靶材为Cu-W镶嵌靶。

本发明还提供了一种基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用光刻技术，在GaN基外延层上光刻定义源漏欧姆接触电极图形；

(2)利用酸碱溶液清洗源漏欧姆接触电极图形区域；

(3)利用磁控溅射系统，在GaN基外延层上的源漏欧姆接触电极图形区域及光刻掩膜上依次沉积第一金属层Ti、第二金属层Ti-Al合金和第三金属层Cu-W合金；其中，源漏欧姆接触电极的第一金属层Ti、第二金属层Ti-Al合金和第三金属层Cu-W合金均在室温制备，基底温度为20～30℃；所述基底为经过步骤(2)处理后的GaN基HEMT外延层；

(4)制备完所述第一金属层、第二金属层以及第三金属层后，采用剥离手段形成源漏欧姆接触电极，于600～750℃进行合金退火处理，形成源漏欧姆接触电极。

优选地，步骤(4)的退火时间为30s～10min，气氛为高纯氮气。

相对于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：

(1)本发明的无金欧姆接触电极采用Ti/Ti-Al/Cu-W三层欧姆接触金属技术，区别于传统Ti/Al/Ni/Au金属体系，本发明为无阻挡层的三层欧姆接触金属，采用Ti-Al合金替代金属Al作为覆盖层，采用Cu-W合金代替金属Au作为帽层，与GaN基HEMT形成欧姆接触的接触层仍为金属Ti。由于覆盖层Ti-Al合金中的金属Ti和金属Al进行了充分的接触，可以降低退火合金温度。Cu-W合金将高导电、高导热性的Cu与高熔点、高强度的W复合，可以减少Cu的扩散，避免Cu与GaN发生反应，同时具有高导电性、高导热性和高熔点、高强度的优异特性。采用Cu-W合金替代Au作为无金帽层金属，不需要复杂的阻挡层，可以简化欧姆金属体系。

(2)本发明采用Ti/Ti-Al/Cu-W三层欧姆接触金属技术，降低了工艺复杂程度，采用无金工艺有助于降低GaN基HEMT器件的制造成本，且可以避免形成杂质而污染工艺线的情况发生。

(3)本发明的GaN基HEMT经过600～750℃，30s～10min的快速退火形成欧姆接触，相比于传统欧姆接触金属体系，本发明的退火合金温度降低了150～250℃，覆盖层Ti-Al合金中金属Ti和金属Al的充分接触，减少了熔融Al在退火合金时对电极表面造成的影响，使得欧姆接触表面形貌及边缘更加平整。

(4)本发明的无金欧姆接触电极可用于电力电子和微波通信等领域，应用领域广泛。

附图说明

图1为实施例1至3中形成源漏刻蚀图形时GaN基HEMT外延层的示意图。

图2为实施例1至3中在源漏欧姆接触图形区域及光刻掩膜上依次沉积第一金属层Ti、第二金属层Ti-Al合金、第三金属层Cu-W合金后的GaN基HEMT外延上的示意图。

图3为实施例1至3中剥离光刻掩膜上的第一金属层Ti、第二金属层Ti-Al合金、第三金属层Cu-W合金后的GaN基HEMT外延层结构的示意图。

图4为实施例中可选择的Ti-Al镶嵌靶的正面图。

图5为实施例中可选择的Cu-W镶嵌靶的正面图。

图6为实施例1中采用(a)传统高温830℃有金欧姆退火和(b)基于Ti/Ti-Al/Cu-W的600℃无金欧姆退火后的扫描电镜图。

图7、8、9分别为为实施例1、2、3中的TLM测试结果曲线图。

图中示出：1-GaN基HEMT外延层，2-第一金属层Ti，3-第二金属层Ti-Al合金，4-第三金属层Cu-W合金，5-源漏电极图形区域，6-光刻掩膜，7-Ti靶，8-Al靶，9-Cu靶，10-W靶。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此；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。

实施例1

本实施例提供了一种基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，如图3所示，所述电极为在GaN基HEMT外延层1上表面的两侧从下到上依次排列的第一金属层Ti2、第二金属层Ti-Al合金3和第三金属层Cu-W合金4。第一金属层Ti的厚度为1nm，第二金属层Ti-Al合金的厚度为50nm，第三金属层Cu-W合金的厚度为40nm。

第二金属层Ti-Al合金采用磁控溅射单靶沉积或双靶共溅射沉积制备，采用磁控溅射单靶沉积时，采用的靶材为Ti-Al镶嵌靶或Ti-Al合金靶，采用磁控溅射双靶共溅射沉积时，所述双靶为Ti靶和Al靶。镶嵌靶指的是不同区域的靶材材料是不同的，具体与镶嵌靶材的设计有关，Ti-Al镶嵌靶可以是，在靶材上分布有一个或多个Al靶，靶材的其他区域都是Ti靶，请参阅图4(a)，在6寸的靶材上，7指的是Ti靶，8指的是Al靶，4个两寸区域的Al靶分布在Ti-Al镶嵌靶的中央，两寸以外的区域均为Ti靶；可以是在靶材上设置一个Al靶和一个Ti靶，请参阅图(b)，在6寸的靶材上，7指的是Ti靶，8指的是Al靶，Ti靶与Al靶各占6寸镶嵌靶的一半，其中Ti靶在左侧，Al靶在右侧；可以是Ti靶和Al靶交替镶嵌，请参阅图4(c)中，在在6寸镶嵌靶中间，取镶嵌靶的4寸区域挖去3寸区域的圆环作为Al靶，其他区域为Ti靶。合金靶是指将一定成分配比的Al和Ti金属原料熔炼，再将合金溶液浇注于模具中，形成铸锭，最后经机械加工制成靶材，任何区域的靶材材料都是合金。

第三金属层Cu-W合金采用磁控溅射单靶沉积，如图5所示，采用的靶材为Cu-W镶嵌靶。Cu-W镶嵌靶可以是，在靶材上分布有一个或多个Cu靶，靶材的其他区域都是W靶，请参阅图5(a)，在6寸的靶材上，9指的是Cu靶，10指的是W靶，图5(a)中，4个两寸区域的W靶分布在Cu-W镶嵌靶的中央，两寸以外的区域均为Cu靶；可以是，在靶材上设置一个Cu靶和一个W靶，请参阅图5(b)，Cu靶与W靶各占6寸镶嵌靶的一半，其中Cu靶在左侧，W靶在右侧；可以是，Cu靶与W靶交替镶嵌，请参阅图5(c)，在6寸镶嵌靶中间，取镶嵌靶的4寸区域挖去3寸区域的圆环作为W靶，其他区域为Cu靶。

本实施例还提供了一种基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用光刻技术，在GaN基HEMT外延层1上光刻定义源漏欧姆接触电极图形5，如图1所示；

(2)利用酸碱溶液清洗源漏欧姆接触电极图形区域5；

(3)利用磁控溅射系统，在GaN基HEMT外延层1上的源漏欧姆接触电极图形区域5及光刻掩膜6上依次沉积第一金属层Ti2、第二金属层Ti-Al合金3和第三金属层Cu-W合金4，如图2所示；其中，源漏欧姆接触电极的第一金属层Ti2、第二金属层Ti-Al合金3和第三金属层Cu-W合金4均在室温制备，基底温度为25℃；所述基底为经过步骤(2)处理后的GaN基HEMT外延层1；

低温磁控溅射沉积第二金属层Ti-Al合金3采用磁控溅射双靶共溅射，双靶为Ti靶和Al靶。沉积前，真空腔内真空度为3.2E-04Pa；溅射气体为氩气，基底温度为25℃，工作气压为0.6Pa，Ti靶的溅射功率为280W，Al靶的溅射功率为130W。

低温磁控溅射沉积第三金属层Cu-W合金4采用磁控溅射单靶溅射，靶材为Cu-W镶嵌靶，如图5所示。沉积前，真空腔内真空度为3.2E-04Pa；溅射气体为氩气，基底温度为25℃，工作气压为0.6Pa，Cu-W镶嵌靶的溅射功率为230W。

(4)制备完所述第一金属层、第二金属层以及第三金属层后，采用剥离手段形成源漏欧姆接触电极，于600～750℃进行合金退火处理，形成源漏欧姆接触电极，如图3所示。在快速热退火系统中合金退火处理，形成源漏欧姆接触电极。退火温度为600℃，退火时间为10min，气氛为高纯氮气。

图6为本实施例中采用(a)传统高温830℃有金欧姆退火和(b)基于Ti/Ti-Al/Cu-W的600℃无金欧姆退火后的扫描电镜图，从图可以看出基于Ti/Ti-Al/Cu-W无金欧姆在退火后具有更为平滑的表面，欧姆电极表面的粗糙度更低。对本实施例制备的基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的TLM测试结构进行I-V测试，TLM电极间距L分别为10μm，20μm，30μm，40μm，50μm。得到R-L曲线图，如图7所示，通过计算可知，本实施例制备的欧姆接触电阻R

实施例2

本实施例提供了一种基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，如图3所示，所述电极为在GaN基HEMT外延层1上表面的两侧从下到上依次排列的第一金属层Ti2、第二金属层Ti-Al合金3和第三金属层Cu-W合金4。第一金属层Ti的厚度为5nm，第二金属层Ti-Al合金的厚度为150nm，第三金属层Cu-W合金的厚度为60nm。

本实施例还提供了一种基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用光刻技术，在GaN基HEMT外延层1上光刻定义源漏欧姆接触电极图形5，如图1所示；

(2)利用酸碱溶液清洗源漏欧姆接触电极图形区域5；

(3)利用磁控溅射系统，在GaN基HEMT外延层1上的源漏欧姆接触电极图形区域5及光刻掩膜6上依次沉积第一金属层Ti2、第二金属层Ti-Al合金3和第三金属层Cu-W合金4，如图2所示；其中，源漏欧姆接触电极的第一金属层Ti2、第二金属层Ti-Al合金3和第三金属层Cu-W合金4均在室温制备，基底温度为20℃；所述基底为经过步骤(2)处理后的GaN基HEMT外延层1；

低温磁控溅射沉积第二金属层Ti-Al合金3采用磁控溅射单靶溅射，靶材为Ti-Al镶嵌靶，如图4所示。沉积前，真空腔内真空度为3.0E-04Pa；溅射气体为氩气，基底温度为20℃，工作气压为0.4Pa，Ti-Al镶嵌靶的溅射功率为200W。

低温磁控溅射沉积第三金属层Cu-W合金4采用磁控溅射单靶溅射，靶材为Cu-W镶嵌靶，如图5所示。沉积前，真空腔内真空度为3.0E-04Pa；溅射气体为氩气，基底温度为20℃，工作气压为0.4Pa，Cu-W镶嵌靶的溅射功率为200W。

(4)制备完所述第一金属层、第二金属层以及第三金属层后，采用剥离手段形成源漏欧姆接触电极，于600～750℃进行合金退火处理，形成源漏欧姆接触电极。退火温度为650℃，退火时间为5min，气氛为高纯氮气。

对本实施例制备的基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的TLM测试结构进行I-V测试，TLM电极间距L分别为10μm，20μm，30μm，40μm，50μm。得到R-L曲线图，如图8所示，通过计算可知，本实施例制备的欧姆接触电阻R

实施例3

本实施例提供了一种基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极，如图3所示，所述电极为在GaN基HEMT外延层1上表面的两侧从下到上依次排列的第一金属层Ti2、第二金属层Ti-Al合金3和第三金属层Cu-W合金4。第一金属层Ti的厚度为10nm，第二金属层Ti-Al合金的厚度为200nm，第三金属层Cu-W合金的厚度为80nm。

本实施例还提供了一种基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用光刻技术，在GaN基HEMT外延层1上光刻定义源漏欧姆接触电极图形5，如图1所示；

(2)利用酸碱溶液清洗源漏欧姆接触电极图形区域5；

(3)利用磁控溅射系统，在GaN基HEMT外延层1上的源漏欧姆接触电极图形区域5及光刻掩膜6上依次沉积第一金属层Ti2、第二金属层Ti-Al合金3和第三金属层Cu-W合金4，如图2所示；其中，源漏欧姆接触电极的第一金属层Ti2、第二金属层Ti-Al合金3和第三金属层Cu-W合金4均在室温制备，基底温度为30℃；所述基底为经过步骤(2)处理后的GaN基HEMT外延层1；

低温磁控溅射沉积第二金属层Ti-Al合金3采用磁控溅射单靶溅射，靶材为Ti-Al镶嵌靶，如图4所示。沉积前，真空腔内真空度为3.0E-04Pa；溅射气体为氩气，基底温度为23℃，工作气压为0.7Pa，Ti-Al镶嵌靶的溅射功率为150W。

低温磁控溅射沉积第三金属层Cu-W合金4采用磁控溅射单靶溅射，靶材为Cu-W镶嵌靶，如图5所示。沉积前，真空腔内真空度为3.0E-04Pa；溅射气体为氩气，基底温度为23℃，工作气压为0.3Pa，Cu-W镶嵌靶的溅射功率为180W。

(4)制备完所述第一金属层、第二金属层以及第三金属层后，采用剥离手段形成源漏欧姆接触电极，于600～750℃进行合金退火处理，形成源漏欧姆接触电极，如图3所示。在快速热退火系统中合金退火处理，形成源漏欧姆接触电极。退火温度为750℃，退火时间为30s，气氛为高纯氮气。

对本实施例制备的基于Ti/Ti-Al/Cu-W的GaN基HEMT无金欧姆接触电极的TLM测试结构进行I-V测试，TLM电极间距L分别为10μm，20μm，30μm，40μm，50μm。得到R-L曲线图，如图9所示，通过计算可知，本实施例制备的欧姆接触电阻R

本实施例不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，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。