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GaN HFET器件的高性能欧姆接触工艺

solarrd 发表了文章 • 0 个评论 • 177 次浏览 • 2019-01-28 11:18 • 来自相关话题

GaN HFET器件的高性能欧姆接触工艺  对于AlGaN/GaN HFET器件而言,源漏极的欧姆接触电阻一直是影响器件性能的关键因素。高性能欧姆接触对于AlGaN/GaN HFET器件实现其大电流大功率的优势具有关键作用。GaN为宽禁带半导体材料,且不易掺杂 ...查看全部
GaN HFET器件的高性能欧姆接触工艺  对于AlGaN/GaN HFET器件而言,源漏极的欧姆接触电阻一直是影响器件性能的关键因素。高性能欧姆接触对于AlGaN/GaN HFET器件实现其大电流大功率的优势具有关键作用。GaN为宽禁带半导体材料,且不易掺杂,因此相比于硅材料器件,GaN HFET的欧姆接触制备具有一定困难。长期以来,GaN HFET的欧姆接触主要是通过V/Al/Mo/Au、Ta/Al/Ta和Ti/Al/X/Au等金属的高温快速热退火工艺来实现,X为Ti、Al、Ni、Ti/Al、Mo、Pd等。近年来,Shinohara K等人采用再生方法和重掺杂n+-GaN方法制备的欧姆接触,可使接触电阻率达到0.1Ω·mm以下水平。考虑实际应用和国内工艺线客观条件,Ti/Al/Ni/Au因其低成本、高可靠性和低接触电阻率成为本论文的具体实施方案。
 
  1. 优化欧姆接触实验方案
  本单项实验所采用的AlGaN/GaN晶圆为基于4英寸Si衬底的国产MOCVD外延片。材料由下至上依次为2µm厚的非掺杂GaN缓冲层,1nm厚的AlN空间插入层,21.5nm厚的AlGaN势垒层。其中,AlGaN势垒层中的Al组份为25%,沟道二维电子气浓度为8.9×1012cm-2。因为本实验已确定选用Ti/Al/Ni/Au金属体系,因此本实验的主要变量为金属厚度比例和高温退火条件。在金属厚度比例上,由于主要由Ti/Al与GaN材料发生反应,所以实验中四种金属厚度的优化主要在于Ti/Al比例的优化。在高温退火条件上,主要调整退火时间和退火温度。基于以上考虑,优化欧姆接触的实验方案如表1所示。参考已有资料,实验共设计三种金属厚度配比,Ti/Al/Ni/Au厚度分别为20/140/55/45nm、20/150/55/45nm、20/170/55/45nm。T代表退火温度,本实验共设置850℃、870℃、890℃三组不同温度。t为退火时间,实验选用30秒和50秒两个条件,升温系统设置为200℃经20秒上升至退火温度。

表1 欧姆接触实验方案
  
  欧姆接触实验单项工艺流程如下:
  (1)划片。使用Disco划片机将4寸晶圆样品分解成若干小块。
  (2)样品清洗。样品置于丙酮中超声清洗5分钟,置于异丙醇中超声清洗5分钟,去离子水冲洗6遍,氮气吹干后使用热板烘干。
  (3)有源区隔离。光刻出有源区图形后使用ICP干法刻蚀台面,台面高度约为300nm。
  (4)源漏极光刻。光刻出源漏极图形。
  (5)金属淀积前处理。将样品放入浓度为25%的盐酸溶液中浸泡1分钟,去除表面自然氧化层。
  (6)金属淀积。使用电子束蒸发台淀积金属。
  (7)高温快速热退火。使用快速退火炉,在氮气环境下对样品进行高温退火。
  (8)测试。
 
  2. 欧姆接触电阻率测试方法
  金属和半导体很难形成理想的欧姆接触,这是因为在金半接触面存在附加电阻。接触电阻可以直观的表征欧姆接触性能,目前主要采用传输线模型法(Transmission Line Method,TLM)来测量接触电阻。TLM测量方法将接触层下半导体层的厚度忽略,保留其方块电阻值。设Rsh为有源区方块电阻,l是相邻两个欧姆接触区之间的距离,W是欧姆接触区的宽度,则相邻两个欧姆接触区的测量电阻可以表示为,

Rtot=2Rc+Rshl/W    (1)其中Rc为接触电阻。
 
图1 长条形TLM测试结构和接触电阻的计算 
  传输线模型的测试结构如图1所示。它是在有源区上由一组不同间距的方块金属组成。将测得的相邻两个欧姆接触区的电阻值对距离作图,拟合出一条直线。由直线的斜率可以计算出有源区的方块电阻Rsh,直线与Y轴的交点可以计算出接触电阻值Rc。
 
  本实验制备的TLM测试结构如图2所示。该测试结构共有7组间距值,分别为2、4、8、16、28、40和52µm,方形pad宽度为100µm。采用TLM方法测试欧姆接触电阻十分方便,测试前需进行有源区隔离,防止其他传导电流干扰。

 
图2 本实验制备的的TLM测试结构 
  3. 欧姆接触电阻测试结果
  采用四探针法来排除探针电阻,更精确的测量每两个相邻欧姆接触pad的I-V曲线并提取相应的电阻值。通过对测试数据进行计算,得到了15组样品的欧姆接触电阻值,如表2所示。

表2  15组样品的欧姆接触电学特性测试结果
  
  由表中可以看出,当Ti/Al/Ni/Au厚度为20/140/55/45nm和20/150/55/45nm时,对应编号1-12样品均形成了有效的欧姆接触。退火时间为50s的欧姆接触电阻要低于退火时间为30s的。11号样品退火温度为870℃,退火时间50s,接触电阻为0.428Ω·mm,成为本实验最优的结果。13-15号样品,仅仅增加了Al的厚度,所有样品在退火温度高达890℃仍然存在明显的势垒,并未能形成有效的欧姆接触。
 
  4. 欧姆接触表面形貌分析
  由于采用高温快速热退火的方法来形成欧姆接触,必然面临欧姆接触表面形貌比较粗糙的问题。B.Lu等人的研究表明,粗糙的欧姆接触表面形成的金属尖刺会增大GaN缓冲层中电荷的注入,从而影响器件可靠性。图3所示为退火前样品和退火后10号、11号和12号样品表面形貌的光学显微镜照片,照片内方形pad尺寸为100µm,图(a)、(b)、(c)和(d)分别对应退火前样品、退火后10号、退火后11号和退火后12号样品。可以看出,相同金属厚度的情况下,退火温度越高,样品退火后欧姆金属颜色更深、表面凸起尺寸越大,表面颗粒感越强。

 
图3 样品显微镜照片(a)退火前;(b)退火后10号;(c)退火后11号;(d)退火后12号 
  使用原子力显微镜(Atomic Force Microscopy,AFM)对欧姆金属退火前后表面形貌进行表征,如图4所示,图(a)为11号样品退火前金属表面形貌,(b)为11号样品退火后金属表面形貌。可以看出,退火后样品表面存在一些凸起,展现出一定程度的高低起伏。通过AFM测试设备自带的分析系统进行定量量取,11号样品退火前后表面均方根粗糙度分别为0.856nm和103.645nm。

 
图4 11号样品AFM测试照片(a)退火前;(b)退火后 
  5. 欧姆接触形成的物理机制
  一般而言,金属高温退火与AlGaN/GaN异质结形成欧姆接触主要有两种内在电子输运机制:一种是借助GaN中N空位的隧穿机制,另一种是形成TiN低阻岛的直接接触机制。第一种隧穿机制主要依赖于N的抽取产生N空位,在GaN中N空位提供施主能级,从而实现n型掺杂。同时,在高温退火过程中,部分AlGaN势垒层会被反应所消耗,进而缩短了隧穿距离,可以提升隧穿几率。第二种直接接触机制主要依赖低阻TiN来形成电子的直接输运通道。Y.Ando等人的报道表明,TiN的接触电阻仅为10-5~10-2Ω·mm,要比Ti/Al/Ni/Au四种金属本身的电阻更低。因此这种直接接触的机制可能会比隧穿机制更加高效。
 
  图5所示为Ti/Al/Ni/Au高温退火过程中与AlGaN/GaN所发生的各种反应。第一,Al熔点仅为660℃,在高温退火过程中首先液化,一部分液态Al会和下层的Ti发生反应形成Ti-Al二元相,Ti-Al二元相熔点和电阻率要比Ti低,可以促进Ti与AlGaN/GaN中N原子反应。第二,液态Al会与AlGaN/GaN中的N发生反应形成AlN,进而产生更多的N空位。第三,液态Al和Ni也会发生反应,反应程度随着Al比例增长或温度升高而逐渐深化,同时该反应抑制了液态Al继续向上扩散。第四,高温下Ti和AlGaN/GaN发生替位反应,替换掉Ga元素,反应形成TiN,在这一过程中Ga元素向外扩散,晶格中会出现大量的Ga空位并引发电荷不平衡,为缓解这种不平衡,附近的N原子将填补Ga空位,进而产生N空位。Au在反应过程中主要作用为保护Ti和Al,防止其在高温下被氧化。整个反应过程直接决定了直接接触能否形成和隧穿机制的效率。各层金属的比例以及退火温度、时间等条件均会影响高温退火反应过程,直观反映在欧姆接触电阻的大小上。

 
图5 高温快速热退火过程中四种金属与AlGaN/GaN之间的反应 
  使用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)对欧姆金属高温退火前后表面形貌进行表征,如图6所示。退火后,可以观察到样品表面亮暗相间的分布,如图6(b)上1区(暗区)和2区(亮区),亮区连成一片,暗区形如孤岛,且呈杂乱无序态。

 
图6 欧姆金属SEM扫描照片 (a)退火前;(b)退火后 
  形成这种亮暗区相间的机制如下:因AlGaN/GaN材料晶格失配和强应力造成上AlGaN层中出现螺旋位错,在高温退火过程中,这些位错引发了金属下陷,更容易形成TiN岛,与此同时,因流体黏力和高温张力使得Ni向下沉并聚集在TiN岛之上,形成了图(b)中的暗区;对于没有位错的区域,由于Ni转移到了位错区域,故Au大量聚集形成AlAux,形成了图(b)中的亮区。
 
  从表1和表2中可以看到,Ti/Al比例对欧姆接触电阻会产生较大影响,甚至会影响正常的欧姆接触形成。最佳的Ti/Al比例与AlGaN/GaN晶圆质量息息相关,不同单位生产的晶圆所需最佳Ti/Al比例存在一定差异,并且这个最佳比例存在的机理,目前并不十分明确。
 
  如图7所示,图(a)为5号样品(Ti/Al/Ni/Au=20/140/55/45nm)TLM结构的I-V测试曲线,图(b)为14号样品(Ti/Al/Ni/Au=20/170/55/45nm)TLM结构的I-V测试曲线,两个样品退火温度和时间均一致,TLM上pad间距为2,4,8,16µm。图(a)中5号样品的I-V曲线呈现线性特征,形成了良好的欧姆接触,而图(b)的14号样品则存在明显的势垒。两种样品的欧姆接触电阻分别为0.596Ω·mm和3.65Ω·mm。

 
图7 TLM结构I-V曲线 (a)5号样品;(b)14号样品 
  5号样品和14号样品仅存在Ti/Al比例的区别,然而退火之后的电学特性出现了明显的差异,这说明Ti/Al比例会显著影响Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的形成。对于14号样品,由于Al比例过高,在高温退火反应过程中会大量消耗Ni和Ti,一方面会削弱Ni的阻挡作用并致使Au发生内扩;另一方面使被消耗掉的Ti失去与AlGaN势垒层发生替位反应的活性,降低了N空位的形成量。有限的N空位无法形成n型重掺杂,使得电迁移效率很低,最终在14号样品I-V曲线的非线性特征中得到展现。在5号样品中,Ti/Al比例处于合理范围,有足够的Ti与AlGaN/GaN发生替位反应,在AlGaN/GaN中形成大量TiN岛和N空位。

TLM的基本原理与应用

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solarrd 回复了问题 • 1 人关注 • 2 个回复 • 304 次浏览 • 2018-12-19 15:37 • 来自相关话题