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  GaN HEMT良好的n型欧姆接触通常在800~900℃的高温合金下,在剧烈的金半合金反应和扩散的过程中,金半界面、金属表面及侧壁的形貌退化严重,对器件的功能性能及可靠性造成不利影响。降低欧姆接触的形成温度以改善形貌意义重大。降低GaN HEMT n型欧姆接触形成温度的途径主要包括以下几种:在源漏区域采用注入或扩散的方式进行重掺杂或在源漏区域选择性二次外延重掺杂帽层;源漏区域挖槽;欧姆金属层优化等。
  在上述三种降低欧姆接触形成温度的技术途径中,源漏区域挖槽最具简单易行的优势。源漏区域挖槽有泛挖槽和孔阵列挖槽两种方式,相对于源漏区域泛挖槽,孔阵列挖槽有利于保持源漏区域的二维电子气浓度,而更有利于实现好的欧姆接触特性。基于此,本文开展相关实验,通过源漏区域阵列挖槽降低了GaN HEMT n型欧姆接触形成温度,实现了对GaN HEMT n型欧姆接触金属形貌的改善。
 
1. 实验
  在101.6mm(4英寸)氮化镓外延圆片上光刻源漏孔阵列图形,如图1所示,其中图1(a)为光学显微镜下的拍摄到的图像,源漏孔阵列位于临近器件沟道的源漏区域;图1(b)为电子显微镜下拍摄的孔阵列局部图像,孔尺寸为1.1μm,孔孔中心间距为1.7μm,器件源漏间距为3.5μm,源(漏)孔阵列边缘到源(漏)边缘距离为0.2μm,源(漏)区域孔阵列宽度为5孔、11μm。
光刻后的源漏孔阵列图形  
图1 光刻后的源漏孔阵列图形:(a)全貌;(b)局部
 
  光刻出源漏孔阵列图形以后,以光刻胶为掩膜对孔内势垒层进行刻蚀,刻蚀气体为Cl2/BCl3,刻蚀功率为200W,刻蚀深度为15nm,势垒层总厚度为20nm。刻蚀完成后去光刻胶,之后通过光刻源漏图形定义出源漏区域,之后采用电子束蒸发和金属剥离工艺进行欧姆金属化,欧姆金属体系为Ti/Al/Ni/Au四层金属。图2为金属剥离后的源漏扫电图片。
  之后通过快速热退火工艺进行源漏金半合金以形成欧姆接触,合金温度为780~820℃,温度梯度为10℃,合金时间为30s。合金完成后采用TLM方法对欧姆接触电阻(Rc)进行测试,Rc与合金温度的对应关系如图3中方标曲线所示。在800℃最佳合金温度下的欧姆接触电阻值为0.2Ω·mm;在正负20℃的温度窗口内Rc在0.5Ω*mm以下。
  采用相同氮化镓外延圆片、相同源漏制备工艺但不做孔阵列挖槽的对照项目表明,在无孔阵列挖槽的情况下,接触电阻-合金温度曲线向高温方向移动40℃左右,如图3中圆标曲线所示。
  图4为800℃合金后源漏金属形貌的扫电图片,金属表面合金颗粒大小均匀一致,金属边缘线条笔直无凹凸,金属外无多余物质析出。
源漏金属剥离后扫电图片  
图2 源漏金属剥离后扫电图片
 
欧姆接触电阻与合金温度对应关系  
图3 欧姆接触电阻与合金温度对应关系
 
  GaN HEMT良好的欧姆接触特性依赖于金半反应、扩散以及中间合金相的形成,而金半反应、扩散和合金相形成的过程通常会造成金属形貌尤其是金属侧边形貌的退化,甚至在金属侧边析出多余的金属或合金相。而基于孔阵列挖槽的欧姆接触既实现了优良的欧姆接触特性又保持良好的金属侧边形貌,为了探究原因,在合金以后采用王水和氢氟酸腐蚀掉源漏金属,之后对合金相进行分析。图5为腐蚀掉源漏金属后在电子显微镜下的图片,在图中可以清晰地观察到孔阵列区域的孔内、孔外以及孔阵列区域以外的合金相分布情况。图中源漏区域的黑色斑点为金半合金相,相关文献表明此合金相的成分主要为TiN。区域A、B、C分别为源漏间区域、源漏的孔阵列内区域、源漏的孔阵列外区域,在源漏孔阵列外区域可以观察到均匀分布的、粒径为数百纳米的合金颗粒,而在孔阵列区域内合金颗粒的分布不是均匀的,而是选择性地分布在孔内,说明选择性刻蚀形成的孔提供了一个低激活能的金半反应通道,孔阵列内的金半反应和扩散首先在孔内部发生,孔内的金属耗尽之后孔外的金属向孔内迁移,最终在孔阵列区域形成不均匀的合金相分布情况。孔内金半反应激活能的降低可能与刻蚀损伤或势垒层减薄有关。
孔阵列挖槽的800℃源漏合金后形貌  
图4 孔阵列挖槽的800℃源漏合金后形貌
 
合金后的金半合金相分布  
图5 合金后的金半合金相分布
 
  相对于合金相随机均匀分布,孔阵列内的合金相的孔内选择性分布提供了一种优势:源(漏)金属侧边邻近孔阵列且在孔以外,故侧边位置无金半间反应、扩散以及合金相的形成和分布,这对于改善合金后源漏侧边形貌是特别有利的。图6为非孔阵列挖槽对照项目840℃源漏合金后的扫电形貌,其形貌尤其是侧边形貌显著差于图3孔阵列挖槽的800℃源漏合金后形貌。
非孔阵列挖槽的源漏840℃合金后形貌  
图6 非孔阵列挖槽的源漏840℃合金后形貌
 
2 . 结论
  采用源漏区域孔阵列挖槽的方法,显著降低了GaN HEMT n型欧姆接触的合金温度,并明显改善了GaN HEMT n型欧姆接触的金属形貌尤其是金属侧边形貌。孔阵列内合金相的孔内选择性分布以及更低的合金温度是源漏区域孔阵列挖槽的欧姆接触可以实现更好金属形貌的原因。本文的结果对提高相关器件及电路性能、成品率及可靠性很有好处。

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