GaN HEMT源漏欧姆接触技术

  GaN HEMT器件制作中的第一步是欧姆接触的制作,通过欧姆接触的制作形成器件的源电极和漏电极。要保证器件具有优异的性能首先就要获得优良的欧姆接触,良好的欧姆接触必须具备以下条件:
  (1)低的接触电阻和高的一致性;
  (2)好的线条定义能力
  (3)平整的表面;
  (4)优异的机械和热稳定性等。
 
  欧姆接触电阻在 AIGaN/ GaN HEMT器件中作为寄生的串联电阻存在,其大小直接影响到微波器件工作时的效率、增益等性能,降低欧姆接触电阻是器件工艺不懈的追求。器件栅源、栅漏之间半导体材料的电阻也是影响器件效率和增益的重要因素,减小这一寄生电阻的方法主要包括降低材料的方块电阻和减小栅源以及栅漏之间的间距,而要减小这些间距就必须保证制作的欧姆接触需要有好的线条定义能力。另外,好的线条定义能力还有利于提高器件击穿电压以及成品率。
 
  欧姆接触表面的平整程度对于后续光刻中的套准精度有着十分重要的影响,尤其对于栅条的套刻,微小的偏差都有可能影响器件的击穿电压、增益等,甚至引起器件的短路。最后欧姆接触还必须具有优异的机械和热稳定性,好的机械稳定性能保证器件电极在后续工艺中不被破坏,如后续工艺中用来监控工艺的探针测试等,而热稳定性则尤为重要,除了要经受工艺中诸多的高温步骤如钝化介质的生长外,器件还要能耐受工作时高的结温,以保证其可靠的工作。
 
  GaN HEMT欧姆接触大多采用的是Ti/Al/Ni/Au多层金属系统,为使得金属与AlGaN/GaN异质结形成欧姆接触,需要对其进行快速热退火,退火温度可高至900℃,并且需要在惰性气体如N2、Ar氛围下进行。Ti/Al/Ni/Au多层金属系统制作 GaN HEMT欧姆接触要经过高温退火,会使得欧姆接触金属的表面变粗糙,同时边缘将呈现锯齿状,这不仅影响后来的光刻,同时锯齿状的边缘也将影响器件击穿特性甚至引起器件短路,特别是栅源之间由于间距更小,更容易发生短路。因此需要对其优化,以获得良好的表面形貌,同时保持低的欧姆接触电阻值。
 
  通过调节Ti/Al/Ni/Au欧姆接触金属体系中各金属层特别是Ni与Au金属层的厚度可实现低的欧姆接触值与良好的欧姆接触形貌。首先固定Ti、Al、Au三层金属的厚度,其中Au的厚度为30nm,改变Ni金属层厚度,分别为36nm、45nm、55nm和65nm,欧姆接触退火在N2气氛下进行,退火温度和时间分别为840℃和30s,得到欧姆接触的形貌如图1所示。
Ni金属层厚度为36nm(a)、45nm(b)、55nm(c)和65nm(d)时的欧姆接触形貌 
图1 Ni金属层厚度为36nm(a)、45nm(b)、55nm(c)和65nm(d)时的欧姆接触形貌
 
  当Ni金属层厚度为36nm时,欧姆接触表面呈颗粒状形貌,颗粒较细且均匀分布,当Ni金属厚度增加为45nm和55nm时获得了光滑的表面形貌,而当Ni金属厚度进一步增加为65nm时,欧姆接触表面呈现出星星点点分布的大颗粒起伏,因此单就形貌而言,Ni金属层厚度选择在45~55nm为宜。对欧姆接触而言,除了表面形貌,更重要的是欧姆接触电阻的大小,图2为欧姆接触电阻值随Ni金属层厚度的变化,对于欧姆接触电阻而言,Ni金属层厚度在45nm时出现最小值,因此综合考虑选择Ni金属层的厚度为45m。
欧姆接触电阻与Ni金属层厚度的关系 
图2 欧姆接触电阻与Ni金属层厚度的关系
 
  在优化Ni金属厚度的基础上还需对Au金属层的厚度进行优化,欧姆接触形貌随着Au金属层厚度的增加而变差,但是Au金属层厚度过低时欧姆接触电阻急剧增大。图3为欧姆接触电阻与Au金属层厚度的关系,Au金属层厚度在40mm时欧姆接触达到了最小值,综合考虑形貌和欧姆接触电阻值选择Au金属层的厚度为40nmm。
欧姆接触电阻与Ni金属层厚度的关系 
图3 欧姆接触电阻与Au金属层厚度的关系
 
  退火时的合金温度同样影响器件的欧姆接触电阻,图4为欧姆接触电阻与合金温度的关系,图中可以看出最合适的合金温度为840℃。
 欧姆接触电阻与合金温度的关系 
图4 欧姆接触电阻与合金温度的关系

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