Способ изготовления омического контакта с низким удельным сопротивлением к пассивированной нитрид-галлиевой гетероструктуре на кремниевой подложке

Изобретение относится к технологии изготовления мощных и СВЧ нитрид-галлиевых транзисторов на кремниевой подложке и интегральных схем на их основе, а именно к технологии изготовления омических контактов с низким удельным сопротивлением и гладкой морфологией к пассивированной нитрид-галлиевой гетероструктуре. После помещения образцов в рабочую камеру и достижения рабочего давления осуществляется обработка пассивированной поверхности приборной гетероструктуры источником ионов аргона для удаления загрязнений, возникших в межоперационный период. Далее на пассивирующий диэлектрик последовательно осаждаются методом электронно-лучевого испарения слои Si/Ti/Al/Ni/Au с толщинами 10-20/20/100/40/60 нм, соответственно. Затем производится термическая обработка контакта в атмосфере гелия при температуре 850°С в течение 30 с. Техническим результатом при реализации заявленного решения является создание омического контакта с низким удельным сопротивлением и гладкой морфологией к пассивированной GaN/AlGaN гетероструктуре на кремниевой подложке. 4 ил.

 

Изобретение относится к технологии изготовления мощных и СВЧ нитрид-галлиевых транзисторов на кремниевой подложке и интегральных схем на их основе, а именно к технологии изготовления омических контактов с низким удельным сопротивлением и гладкой морфологией к пассивированной нитрид-галлиевой гетероструктуре.

Нитрид галлия обладает большим потенциалом для применения в оптоэлектронике, силовой и СВЧ электронике. На его основе изготавливают эффективные оптические излучатели и детекторы, работающие в спектральном диапазоне от желтого до ультрафиолетового, а также термостойкие силовые и СВЧ транзисторы. Для коммерческого успеха на рынке все эти устройства требуют наличия низкоомных омических контактов. Большие потери мощности и малые сроки службы приводят к появлению дорогих и ненадежных устройств, неприемлемых для коммерческого использования. Лучшим показателем качества омического контакта является значение удельного контактного сопротивления (ρ_с). В зависимости от технологии изготовления значения ρ_с могут изменяться на несколько порядков.

Чаще всего омический контакт к n-GaN изготавливается путем нанесения тонкого слоя (~20-40 нм) Ti непосредственно на поверхность нитрида и покрытия его более толстым слоем (~100-150 нм) Al. Опубликованные исследования этого контакта многочисленны и противоречивы [1]. Процесс создания контакта имеет множество технических нюансов, включая источник и метод выращивания нитридного материала, метод подготовки поверхности для нанесения контактного металла, метод нанесения слоев контактной металлизации, способ отжига контакта для достижения омического поведения, структура металлических слоев. Все эти технические нюансы могут оказывать заметное влияние на электрические и металлургические свойства получаемого контакта.

Известен способ создания омического контакта Ti/Al/Ni/Au с помощью электронно-лучевого напыления металлов в вакуумной камере при давлении от 1⋅10^-7 до 1⋅10^-8 мм рт.ст. и последующего высокотемпературного отжига [2]. Обычно в камере присутствует значительное количество остаточного кислорода и паров воды, которые интенсивно окисляют Ti и Al. В результате ухудшаются адгезия омических контактов со слоем AlGaN, а также диффузия Al в этот слой. Как следствие, повышается контактное сопротивление. Для связывания кислорода и паров воды перед напылением металлизации в вакуумной камере распыляют Ti до образования 2-3 монослоев Ti на поверхностях элементов, расположенных внутри вакуумной камеры. Отжиг контакта проводится в атмосфере азота при температуре 850-950°С в течение 20-40 с. По сведениям авторов изобретения полученные омические контакты имеют контактное сопротивление ρ_с=0,1-0,2 Ом⋅мм.

Известен способ создания омического контакта к гетероструктуре AlGaN/GaN, покрытой слоем диэлектрика (SiO₂) [3]. Через фоторезистивную маску проводится травление «окно» в диэлектрической пленке, после чего фоторезистивная маска удаляется. Далее проводится травление гетероструктуры, через сформированные «окна» в диэлектрической пленке, на глубину ниже залегания области двумерного электронного газа. После образования углублений в герероструктуре происходит повторное травление диэлектрической пленки для расширения «окон». Формирование омических контактов завершается последовательным нанесением металлических слоев Ti/Al/Ni/Au.

Альтернативой контактам на основе Ti/Al/Ni/Au могут быть низкотемпературные омические контакты на основе композиций TiN/Al, Hf/Al или Ta/Al. Известен способ изготовления омических контактов, включающий формирование на поверхности пластины двухслойной фоторезистивной маски с последующим плазмохимическим травлением слоя AlGaN, последовательное осаждение методом электронно-лучевого испарения в вакууме тонких пленок барьерообразующего слоя на основе тантала (Та) толщиной 5-100 нм, слоя проводника на основе алюминия (Al) толщиной 5-1000 нм и верхнего защитного слоя на основе тантала (Та) толщиной 5-1000 нм, удаление двухслойной фоторезистивной маски и термообработку контактов в инертной атмосфере [4]. Напыление пленок барьеробразующего и защитного слоев на основе тантала (Та) производится методами магнетронного распыления в вакууме. Омические контакты на основе композиции Та/Al/Та, полученные указанным способом, демонстрируют минимальное значение приведенного контактного сопротивления порядка 0.3 Ом-мм после термической обработки при температуре 550°С в течение 60 секунд в среде азота.

Известен способ изготовления омических контактов к предварительно запассивированным нитридным структурам с низкими температурами отжига, заключающийся в удалении в области формирования омического контакта защитного слоя диэлектрика и барьерного слоя гетероструктуры до области залегания 2DEG с осаждением двойного слоя Ti/Al [5]. Соотношение толщина слоя Ti в слое Al находится между 0,01 до 0,1. После осаждения проводится быстрый термический отжиг. Получаемое сопротивление 0,62 Ом⋅мм. Дополнительное нанесение в вытравленную область под омические контакты на основе Ti/Al тонкого слоя Si позволило получить сопротивление до 0,3 Ом⋅мм. Недостатком указанного способа изготовления контакта является плазмохимическое травление диэлектрика и приборной структуры, что может привести к ее повреждению и делает характеристики контакта трудновоспроизводимыми. Также использование сложного плазмохимического оборудования увеличивает стоимость технологического процесса.

Известен способ создания омического контакта, выбранный нами за прототип, путем последовательного напыления в вакууме четырех слоев: кремний (Si), алюминий (Al), никель (Ni) и золото (Au), с использованием фоторезистивной маски на участок поверхности нитридной гетероструктуры с последующим статическим отжигом на графитовом столике в среде азота [6]. Использование подслоя кремния обеспечивает при термической обработке за счет диффузии легирование подконтактной области, формируя высоколегированный полупроводник и изменяя работу выхода из него, обеспечивая формирование невыпрямляющего контакта алюминия с высоколегированной областью под контактом. Толщина слоя Si составляет от 5 до 7,5 нм. Термическую обработку проводят при температурах от 675 до 725°С. Удельное сопротивление ρ_с=0,4-0,5 Ом⋅мм. Недостатком указанного способа является плохая морфология контакта и высокое контактное сопротивление.

Задача настоящего изобретения - создание омического контакта с низким удельным сопротивлением и гладкой морфологией к пассивированной GaN/AlGaN гетероструктуре на кремниевой подложке.

Предлагаемый способ заключается в следующем: после помещения образцов в рабочую камеру и достижения рабочего давления осуществляется обработка пассивированной поверхности приборной гетероструктуры источником ионов аргона для удаления загрязнений, возникших в межоперационный период. Далее на пассивирующий диэлектрик последовательно осаждаются методом электронно-лучевого испарения слои Si/Ti/Al/Ni/Au с толщинами 10-20/20/100/40/60 нм, соответственно. Затем производится термическая обработка контакта в атмосфере гелия при температуре 850°С в течение 30 с.

Проведенные исследования демонстрируют технический результат, достигаемый по предлагаемому способу, относительно способа прототипа. В экспериментах использовались эпитаксиальные гетероструктуры AlGaN/GaN выращенные на кремниевых подложках диаметром 150 мм. Поверхность гетероструктуры была запассивирована слоем Si₃N₄. Металлические слои формируются на установке электронно-лучевого осаждения Telemark при вакууме 7,2⋅10^-7 Торр. После помещения образцов в рабочую камеру и достижения рабочего давления производится обработка поверхности пластины источником ионов аргона для удаления загрязнений, возникших в межоперационный период. Источник расположен в рабочей камере под углом 45° к поверхности образца. Параметры процесса: напряжение катод-анод 100 В, ток катода 1 А, время обработки 90 секунд. Во время процесса держатель подложки вращается со скоростью 4 оборота в минуту для достижения большей равномерности. Удаление загрязнений повышает адгезию слоев кремния к пассивирующему диэлектрику.

Для оценки влияния подслоя кремния на качество омических контактов, на одну пластину осаждались две металлизации: стандартная Ti/Al/Ni/Au и металлизация с дополнительным слоем кремния Si/Ti/Al/Ni/Au. Для этого вначале закрывались 2/3 пластины. На открытую часть наносилась стандартная металлизация Ti/Al/Ni/Au (20/100/40/30 нм). Далее закрытая часть пластины открывалась, а область со стандартной металлизацией, наоборот, закрывалась. На открытую поверхность наносились слои Si/Ti/Al/Ni/Au. Всего было изготовлено три опытных пластины с разными толщинами Si: 5 (как в способе-прототипе), 10 и 20 нм.

В ходе эксперимента пластины резались на кристаллы размером 1×1 см². Образцы со стандартной металлизацией Ti/Al/Ni/Au вжигались в течение 30 секунд при температуре 870°С. Контактное сопротивление составило 0,5-0,7 Ом⋅мм. Образцы с металлизацией Si/Ti/Al/Ni/Au вжигались при различных температурах в диапазоне 840-880°С. Результаты измерения контактного сопротивления в зависимости от температуры отжига показаны на фиг. 1. Из фиг. 1 видно, что использование 5 нм подслоя кремния, применяемого в способе-прототипе, не приводит к существенному уменьшению сопротивления контактов. При толщинах Si подслоя 10 и 20 нм контактное сопротивление не превосходит 0,33 Ом⋅мм при температурах отжига в диапазоне 850-870°С. Минимальное значение сопротивления равно 0,19 Ом⋅мм и достигается при 850°С для 10 нм слоя Si и при 860°С для 20 нм слоя Si. Это меньше чем контактное сопротивление при использовании способа-прототипа.

На фиг. 2 показаны РЭМ изображения сечения контакта и приконтактной области полупроводника при наличии и отсутствии 20 нм подслоя кремния. Отжиг контакта проводился при 860°С. При отжиге стандартной металлизации титан проникает в полупроводник неоднородно. Можно выделить области повышенной и пониженной концентрации. Относительно малая площадь области с высокой концентрацией титана приводит к высокому сопротивлению (0,6 Ом⋅мм). Использование подслоя кремния позволило добиться более равномерного проникновения титана в полупроводник во время отжига. Площадь контакта между металлом и полупроводником увеличилась. Это привело к понижению сопротивления контакта до 0,2 Ом⋅мм.

Термическая обработка осуществляется на установке UniTemp 1200. В ходе отработки процесса вжигания омических контактов были получены оптимальные температурные профили для двух различных инертных газов: гелия и азота, применяемого в способе-прототипе. Максимальные температуры задавались разные (Не - 850°С, N₂ -870°С), однако вследствие разной теплопроводности газов профили температур практически совпадают (фиг. 3). Время выдержки составляет в обоих случаях 30 секунд. Из фиг. 3 видно, что применение гелия в качестве инертного газа при отжиге образцов позволяет сократить общее время процесса практически вдвое. При этом охлаждение ускоряется при температурах менее 400°С, когда интенсивность диффузионных процессов минимальна. Использование гелия позволяет быстрее остановить диффузионные процессы после того как произошло сплавление металлов и полупроводника, что приводит к существенному улучшению морфологии поверхности.

На фиг 4 показано сравнение морфологий омических контактов, изготовленных по способу-прототипу из патента [6], и по предлагаемому способу. Предлагаемый способ позволяет получить более гладкую морфологию.

На фиг. 1 представлена зависимость контактактного сопротивления от температуры вжигания образцов с разной толщиной подслоя Si.

На фиг. 2 представлены РЭМ изображения сечения границы контакта метал/полупроводник, температура вжигания 860°С, металлизация: a) Ti/Al/Ni/Au; б) Si(20 нм)/ Ti/Al/Ni/Au.

На фиг. 3 представлены температурные профили образца при отжиге в атмосферах гелия и азота.

На фиг. 4 представлены фотографии омических контактов, изготовленных по способу-прототипу из патента [6] а) и по предлагаемому способу б).

Источники информации

1. Greco G., Iucolano F., Roccaforte F. Ohmic contacts to Gallium Nitride materials // Appl. Surf. Sci. Elsevier B.V., 2016. Vol. 383. P. 324-345.

2. Патент РФ №2315389

3. Патент РФ №2610346

4. Патент РФ №2696825

5. Патент США №9634107

6. Патент РФ №2619444 – прототип.

Способ изготовления омического контакта с низким удельным сопротивлением к пассивированной нитрид-галлиевой гетероструктуре на кремниевой подложке, включающий последовательное электронно-лучевое осаждение в вакуумной камере слоев кремния, титана, алюминия и золота и последующий высокотемпературныйо отжиг, отличающийся тем, что перед осаждением, по достижении рабочего давления в камере, осуществляется обработка пассивированной поверхности полупроводниковой пластины ионами аргона для удаления загрязнений, возникших в межоперационный период, осаждение проводится непосредственно на пассивирующий диэлектрик без его предварительного травления, толщина осаждаемого слоя кремния - 10-20 нм, а высокотемпературный отжиг производится в атмосфере гелия при 850-860°С в течение 30 секунд.