本申請(qǐng)涉及并要求于2014年6月11日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)14/301,677的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用并入本發(fā)明。

關(guān)于聯(lián)邦資助的聲明

無(wú)。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及歐姆接觸，并且具體地涉及用于功率開(kāi)關(guān)用途的歐姆接觸。更具體地，本申請(qǐng)公開(kāi)了一種用于功率開(kāi)關(guān)用途中的鋁鎵氮/鎵氮(ALGAN/GAN)基的異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HFETS)和/或金屬氧化物異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSHFETS)中的鉭基無(wú)金(AU-FREE)歐姆接觸。

背景技術(shù)：

用于AlGaN/GaN基HFET的無(wú)Au歐姆接觸具有優(yōu)于常規(guī)歐姆接觸的優(yōu)點(diǎn)。AlGaN/GaN基HFET中的常規(guī)歐姆接觸使用鈦(Ti)和鋁(Al)，以及在頂部的包含金(Au)的覆蓋層和在其下面的阻擋層，例如Ni、Ti或Pt。具有Au的覆蓋層被認(rèn)為降低接觸電阻，但是頂層特別是Au的作用還不完全了解，正如A.N.Bright等人在Journal of Applied Physics,Vol.89,No.6,第3143-3150頁(yè)中的“Correlation of contact resistance with microstructure for Au/Ni/Al/Ti/AlGaN/GaN ohmic contacts using transmission electron microscopy”中所報(bào)道的那樣。

常規(guī)歐姆接觸的典型退火溫度相當(dāng)高，且表面形態(tài)不光滑。即使在下面具有阻擋層，Au尖釘(spikes)仍然可以穿透下面的金屬堆疊并且可能到達(dá)金屬/半導(dǎo)體界面，這導(dǎo)致可靠性降低。這種現(xiàn)象已經(jīng)被觀察到，正如A.N.Bright等人在Journal of Applied Physics,Vol.89,No.6,第3143-3150頁(yè)中的“Correlation of contact resistance with microstructure for Au/Ni/Al/Ti/AlGaN/GaN ohmic contacts using transmission electron microscopy”中所報(bào)道的那樣。

用于AlGaN/GaN基HFET和/或MISHEMT的無(wú)Au歐姆接觸已被描述用在Si襯底上。例如，Hiroshi Kambayashi等人在Furukawa Review No.29,2006,第7-12頁(yè)中公開(kāi)的“Improving the Performance of GaN Power Devices for High Breakdown Voltage and High Temperature Operation”；以及B.De Jaeger等人在Proceeding of the 2012 24^th ISPSD第49-52頁(yè)中公開(kāi)的“Au-free CMOS-compatible AlGaN/GaN HEMT processing on 200mm Si substrates”。這兩個(gè)出版物報(bào)道了分別為T(mén)i/AlSi/Mo和Ti/Al/Ti/TiN的歐姆層。

D.Qiao等人在Journal of Applied Physics,Vol.89,No.10,2001,第5543-5546頁(yè)中公開(kāi)了“Ta-based interface Ohmic contacts to AlGaN/GaN heterostructures”；然而，所需的退火溫度相當(dāng)高，需要在950℃快速熱退火(RTA)4分鐘。極高的退火溫度可能破壞異質(zhì)結(jié)構(gòu)或在退火期間需要復(fù)雜的覆蓋層。

在Semiconductor Today Compounds&Advanced Silicon Vol.6Issue 3April/May 2011中的“Tantalum-based ohmic contacts for nitride semiconductor transistors”描述了使用比660℃的Al熔化溫度更低的溫度進(jìn)行退火；然而，使用所述技術(shù)獲得可接受的結(jié)果在重復(fù)性上可能是有挑戰(zhàn)的，并且可能難以獲得低于1Ω/mm的Rc。

S.H.Lim等人在Applied Physics Letters Vol.78,No.24,第3797-3799頁(yè)中的“Microstructural evidence on electrical properties of Ta/Ti/Al and Ti/Ta/Al Ohmic contacts to n-AlGaN/GaN”中表明，在歐姆接觸層的底部有Ta相比在底部有Ti而言具有優(yōu)勢(shì)。他們描述，在有Ta位于底部的金屬/半導(dǎo)體界面處形成有較厚的TaN層，其厚度是相對(duì)于形成于有Ti位于歐姆層堆疊底部的相同界面處的TiN層的厚度。Ta/Ti/Al的具體接觸電阻率比Ti/Ta/Al的接觸電阻率低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

需要一種改進(jìn)的歐姆接觸，特別是對(duì)于使用具有高擊穿電壓和長(zhǎng)期可靠性要求的大型器件的功率開(kāi)關(guān)用途。還需要低歐姆接觸電阻。本申請(qǐng)的實(shí)施例滿(mǎn)足了這些和其他需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在本發(fā)明公開(kāi)的第一實(shí)施例中，形成歐姆接觸的方法包括在阻擋層的接觸區(qū)域中形成Ta層，在第一Ta層上形成Ti層，在Ti層上形成Al層，其中所述阻擋層包括具有10％至40％的Al成分和至的厚度范圍的AlGaN，其中所述阻擋層在包含GaN的溝道層上。

在本發(fā)明公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施例中，形成用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的歐姆接觸的方法，歐姆接觸包括在阻擋層的接觸區(qū)的Ta層，在第一Ta層上的Ti層，以及在Ti層上的Al層，其中所述阻擋層包括AlGaN，其具有10％至40％的Al成分和至之間范圍內(nèi)的厚度，并且其中所述阻擋層在包含GaN的溝道層上。

根據(jù)下面的詳細(xì)描述和附圖，這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見(jiàn)。在圖和描述中，數(shù)字表示各個(gè)特征，在整個(gè)附圖和說(shuō)明書(shū)中，相同的數(shù)字表示相同的特征。

附圖說(shuō)明

圖1示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)具有用于器件隔離的光致抗蝕劑(photo resist)的起始垂直層結(jié)構(gòu)；

圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)用于器件隔離的鈍化層蝕刻之后的垂直層結(jié)構(gòu)；

圖3示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)用于器件隔離的注入離子；

圖4示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)光致抗蝕劑去除之后的垂直層結(jié)構(gòu)；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明歐姆接觸區(qū)打開(kāi)的歐姆級(jí)光刻之后的垂直層結(jié)構(gòu)；

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明在去除歐姆接觸區(qū)中的鈍化層之后的垂直層結(jié)構(gòu)；

圖7示出了根據(jù)本發(fā)明歐姆金屬蒸發(fā)之后的垂直層結(jié)構(gòu)；

圖8A和8B示出了根據(jù)本發(fā)明的歐姆接觸層；

圖9示出了根據(jù)本發(fā)明覆蓋金屬沉積之后的垂直層結(jié)構(gòu)；

圖10A示出了根據(jù)本發(fā)明中HV07L22和HV07L24批次中來(lái)自傳輸線(xiàn)測(cè)量(TLM)的Rsh以及圖10B示出了Rt；

圖11A示出了根據(jù)本發(fā)明中HV07L22和HV07L24批次中來(lái)自TLM的Rc以及圖11B示出了轉(zhuǎn)移長(zhǎng)度(Lt)；

圖12示出了根據(jù)本發(fā)明測(cè)試結(jié)構(gòu)TLM中的歐姆接觸的平滑表面形態(tài)。

具體實(shí)施方式

在以下描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)以清楚地描述本發(fā)明所公開(kāi)的各種具體實(shí)施例。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以在沒(méi)有下面討論的所有具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施當(dāng)前要求保護(hù)的本發(fā)明。在其他情況下，沒(méi)有描述公知的特征，以便不模糊本發(fā)明。

本發(fā)明描述了用于Si襯底上的改進(jìn)的AlGaN/GaN基HFET和/或MOSHFET的Ta基無(wú)Au歐姆接觸，可以應(yīng)用在高功率開(kāi)關(guān)用途和其它用途中。本發(fā)明的歐姆接觸金屬堆疊具有分別為和厚度的Ta、Ta、Ti和Al的金屬堆疊。Ta在與半導(dǎo)體接觸的金屬堆棧的底部上。金屬疊層可以通過(guò)電子束蒸發(fā)以/秒-/秒的速率沉積，對(duì)于Ta層，在每個(gè)Ta層形成之后將系統(tǒng)冷卻至30℃。使用快速熱退火(RTA)在750℃-850℃的溫度下對(duì)金屬堆疊進(jìn)行退火10秒至60秒。RTA時(shí)間通?？梢允?0秒。本發(fā)明中的退火溫度顯著低于由D.Qiao等人在Journal of Applied Physics,Vol.89,No.10,第5543-5546頁(yè)中的“Ta-based interface Ohmic contacts to AlGaN/GaN heterostructures”中公開(kāi)的溫度，其需要950℃的RTA溫度持續(xù)4分鐘。根據(jù)本發(fā)明的歐姆接觸可以提供小于或等于0.5Ω/mm的接觸電阻。

在其上使用歐姆接觸的外延結(jié)構(gòu)可以包含具有10％至40％的Al和厚度在至范圍內(nèi)的AlGaN阻擋層。具有厚度的AlN間隔層可以在AlGaN阻擋層下方，并且GaN層可以在間隔層下方。優(yōu)選地，Si₃N₄用作表面鈍化層，并且Si₃N₄鈍化層可以在器件加工之前例如通過(guò)MOCVD沉積在外延層的頂部上；然而，可以使用其它鈍化材料?；蛘?，Si₃N₄鈍化層可以在歐姆接觸加工之后，例如通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)沉積，或者在歐姆接觸形成之前和之后沉積，這取決于器件設(shè)計(jì)。Si₃N₄鈍化層的厚度可以為20nm或更厚。

本發(fā)明的Ta基無(wú)Au歐姆接觸提供具有良好界定的邊緣的平滑表面形態(tài)，以獲得低接觸電阻Rc。對(duì)于高擊穿電壓器件，需要低電阻觸點(diǎn)以減少功率開(kāi)關(guān)用途的損耗和自加熱。光滑的表面形態(tài)和良好界定的特征邊緣也增強(qiáng)了長(zhǎng)期性能和可靠性。

Ta/Ta/Ti/Al歐姆金屬堆疊可以通過(guò)光刻、蒸發(fā)和剝離或通過(guò)濺射和干蝕刻形成，這兩者都是用于難熔金屬接觸的標(biāo)準(zhǔn)加工技術(shù)。本發(fā)明的歐姆接觸具有金屬堆疊的優(yōu)點(diǎn)，就是與低成本Si-CMOS處理技術(shù)兼容并因此可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于其中。對(duì)于Si襯底上的改良AlGaN/GaN基HFET和/或MOSHFET可以獲得的0.5Ω/mm或更小的低接觸電阻，非常適合于高功率開(kāi)關(guān)中的用途。

圖1-9示出了用于形成Ta基無(wú)Au歐姆接觸的工藝的示例。圖1示出了一個(gè)示例性HFET器件的起始垂直層結(jié)構(gòu)的示意圖，具有Si襯底10、AlGaN和GaN HFET層12以及Si₃N₄鈍化層14，其可以通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)來(lái)沉積。Si₃N₄對(duì)于鈍化層14是優(yōu)選的，因?yàn)樗哂心軌蚪?jīng)受快速熱退火(RTA)的性質(zhì)。AlGaN阻擋層可以是25％的Al，未摻雜的并且具有的厚度。GaN溝道層可以具有1μm的厚度。沉積光致抗蝕劑層16并圖案化以用于器件隔離。

圖2示出了在蝕刻Si₃N₄鈍化層14以限定器件之后的器件的垂直結(jié)構(gòu)，圖3示出了離子18被注入到Si₃N₄鈍化層14的外部以用于器件隔離。圖4示出了去除光致抗蝕劑層16之后的垂直結(jié)構(gòu)。

然后，如圖5所示，使用光刻沉積和圖案化光致抗蝕劑20，使得歐姆接觸區(qū)22開(kāi)放。

然后，如圖6所示，通過(guò)蝕刻在歐姆接觸區(qū)22中去除Si₃N₄鈍化層。如果在歐姆接觸形成工藝之前沉積柵極電介質(zhì)層，和/或?qū)τ贏lGaN阻擋層需要凹部，取決于AlGaN的厚度，在歐姆金屬沉積之前，這些層也可以在該步驟被去除。

圖7示出了對(duì)于例如HFET的源極接觸24和漏極接觸26形成歐姆接觸之后的垂直結(jié)構(gòu)。歐姆接觸的層，如圖8A所示，可以是以下：在GaN溝道層9上的AlGaN阻擋層13上的厚度為的第一Ta層30，在第一Ta層30上的厚度為的第二Ta層32，在第二Ta層32上的厚度為的Ti層34，以及在Ti層34上的厚度為的Al層36。Ta層30可以以/秒-/秒的Ta蒸發(fā)速率沉積。在Ta層30蒸發(fā)工藝之后，可以將系統(tǒng)和Ta層30冷卻至30℃。Ta層32也可以以/秒-/秒的Ta蒸發(fā)速率沉積，并且在蒸發(fā)處理之后，可以將系統(tǒng)和Ta層32冷卻至30℃。AlGaN阻擋層13優(yōu)選地具有10％至40％的Al成分和介于至之間的范圍內(nèi)的厚度。具有厚度的AlN間隔層11可以在阻擋層13和溝道層9之間。

除了通過(guò)蒸發(fā)在AlGaN阻擋層13上沉積厚的第一Ta層30，然后在第一Ta層30上沉積厚的第二Ta層32以外，也可以通過(guò)蒸發(fā)在AlGaN阻擋層13上沉積厚的第一Ta層30，然后在第一Ta層30上沉積厚的Ti層34，在Ti層34上沉積厚的Al層36，如圖8B所示。在該實(shí)施例中，可以使用或除去沉積之間的冷卻步驟。

在歐姆金屬蒸發(fā)之后，在750℃-850℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行RTA(快速熱退火)10秒至60秒。通常，RTA時(shí)間可以是30秒。

圖9示出了覆蓋金屬40沉積在歐姆接觸24或26上之后的垂直結(jié)構(gòu)。

圖10A和10B示出了來(lái)自傳輸線(xiàn)測(cè)量(TLM)的結(jié)果。TLM是在半導(dǎo)體物理和工程中用于確定金屬和半導(dǎo)體之間的接觸電阻的技術(shù)。圖10A和10B示出了Rsh和Rt TLM結(jié)果，結(jié)果來(lái)自批次HV07L22，在晶片GA591C中AlGaN為使用800℃進(jìn)行RTA 30秒；以及批次HV07L24，在晶片GA602A中AlGaN為使用800℃進(jìn)行RTA 15秒，和在GA602B中，使用800℃進(jìn)行RTA 30秒。圖11示出了HV07L22和HV07L24的接觸電阻Rc和轉(zhuǎn)移長(zhǎng)度Lt的TLM測(cè)量值。

圖12示出了根據(jù)本發(fā)明在批次HV07L22的晶片GA591C上制造的測(cè)試結(jié)構(gòu)TLM的示例，其具有用于歐姆接觸的平滑表面形態(tài)。

現(xiàn)在已經(jīng)根據(jù)專(zhuān)利法規(guī)的要求描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解如何對(duì)本發(fā)明進(jìn)行改變和修改以滿(mǎn)足其具體要求或條件。在不脫離本發(fā)明所公開(kāi)的范圍和精神的情況下，可以進(jìn)行改變和修改。

根據(jù)法律的要求所呈現(xiàn)的示例性和優(yōu)選的實(shí)施例的前述詳細(xì)描述，是為了說(shuō)明和公開(kāi)的目的。其并不旨在是詳盡的，也不將本發(fā)明限制為所描述的精確形式，而是僅使得本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明如何適合于特定的用途或?qū)崿F(xiàn)。修改和變化的可能性對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見(jiàn)的。通過(guò)可能包括公差、特征尺寸、特定操作條件、工程規(guī)格等的示例性實(shí)施例的描述，以及可以在不同實(shí)施方式之間變化或隨著技術(shù)狀態(tài)而變化的描述，并不意圖限制本發(fā)明，并且也沒(méi)有來(lái)自那里的暗示性的限制。申請(qǐng)人已經(jīng)針對(duì)當(dāng)前技術(shù)水平做出了本發(fā)明，但是也考慮到未來(lái)的改進(jìn)或改變可能考慮到這些改進(jìn)，即根據(jù)那時(shí)的技術(shù)水平。意圖是本發(fā)明的范圍由所書(shū)寫(xiě)的權(quán)利要求書(shū)和適當(dāng)?shù)牡韧锵薅?。除非明確地聲明，否則以單數(shù)形式對(duì)權(quán)利要求要素的引用不意在表示“一個(gè)且僅一個(gè)”。此外，本發(fā)明中的元件、組件或方法或過(guò)程步驟不旨在專(zhuān)用于公開(kāi)，而不管元件、組件或步驟是否在權(quán)利要求中被明確地陳述。這里沒(méi)有權(quán)利要求要素根據(jù)35U.S.C.中112條第6款的規(guī)定解釋?zhuān)窃撛厥褂枚陶Z(yǔ)“用于……的裝置”明確地記載，并且本文中的方法或工藝步驟不應(yīng)根據(jù)那些規(guī)定來(lái)解釋?zhuān)鞘褂枚陶Z(yǔ)“包括步驟……”來(lái)明確地表述的一個(gè)或多個(gè)步驟。

優(yōu)選地包括本文所描述的所有元件、部件和步驟。應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，這些元件、部件和步驟中的任何一個(gè)可以被其它元件、部件和步驟替代或者完全刪除。

構(gòu)思

本文至少公開(kāi)了以下構(gòu)思。

1.一種形成用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的歐姆接觸的方法，包括：

在阻擋層的接觸區(qū)形成Ta層；

在第一Ta層上形成Ti層；和

在Ti層上形成Al層；

其中所述阻擋層包括AlGaN，其具有10％至40％的Al成分和至之間范圍內(nèi)的厚度；以及

其中所述阻擋層在包含GaN的溝道層上。

2.根據(jù)構(gòu)思1所述的方法，其中：

Ta層為厚；

Ti層為厚；以及

Al層為厚。

3.根據(jù)構(gòu)思1所述的方法，其中，還包括：

以/秒-/秒的蒸發(fā)速率通過(guò)蒸發(fā)形成Ta層；和

所述蒸發(fā)之后，將Ta層冷卻至30℃以下。

4.根據(jù)構(gòu)思1或3所述的方法，其中，還包括：

在750℃至850℃的溫度范圍內(nèi)快速熱退火10秒至60秒。

5.根據(jù)構(gòu)思1所述的方法，其中，還包括：

在襯底上形成GaN溝道層，所述溝道層具有大約1μm的厚度；以及

在所述溝道層上以及在所述溝道層和所述阻擋層之間形成厚度為的AlN間隔層。

6.根據(jù)構(gòu)思1所述的方法，其中，所述歐姆接觸的接觸電阻小于或等于0.5Ω/mm。

7.根據(jù)構(gòu)思1所述的方法，其中，所述Ta層、Ti層和Al層通過(guò)光刻、蒸發(fā)和剝離或通過(guò)濺射和干蝕刻形成。

8.根據(jù)構(gòu)思1所述的方法，其中，還包括：

在形成歐姆接觸之前，使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積在阻擋層上形成鈍化層，然后使用光致抗蝕劑和光刻來(lái)限定至少一個(gè)接觸區(qū)；和

通過(guò)蝕刻所述鈍化層去除所述接觸區(qū)中的鈍化層。

9.根據(jù)構(gòu)思1所述的方法，其中，還包括：

在形成所述歐姆接觸之后，使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)在所述阻擋層上形成鈍化層。

10.根據(jù)構(gòu)思8或9所述的方法，其中，所述鈍化層包括Si₃N₄。

11.根據(jù)構(gòu)思1所述的方法，其中，形成Ta層包括：

通過(guò)以/秒-/秒的蒸發(fā)速率蒸發(fā)在所述接觸區(qū)中形成厚的第一Ta層；

在所述蒸發(fā)后將所述第一Ta層冷卻至30℃以下；和

通過(guò)以/秒-/秒的蒸發(fā)速率蒸發(fā)在所述第一Ta層上形成厚的第二Ta層；

在所述蒸發(fā)后將所述第二Ta層冷卻至30℃以下；

在所述第二Ta層上形成所述Ti層；和

在所述Ti層上形成所述Al層。

12.一種用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的歐姆接觸，其中，包括：

在阻擋層的接觸區(qū)的Ta層；

在第一Ta層上的Ti層；以及

在Ti層上的Al層；

其中所述阻擋層包括AlGaN，其具有10％至40％的Al成分和至之間范圍內(nèi)的厚度；并且

其中所述阻擋層在包含GaN的溝道層上。

13.根據(jù)構(gòu)思12所述的歐姆接觸，其中：

Ta層為厚；

Ti層為厚；以及

Al層為厚。

14.根據(jù)構(gòu)思12所述的歐姆接觸，其中，還包括：

在襯底上的GaN溝道層，所述溝道層具有大約1μm的厚度；以及

在所述溝道層上以及在所述溝道層和所述阻擋層之間的厚度為的AlN間隔層。

15.根據(jù)構(gòu)思12所述的歐姆接觸，其中，所述歐姆接觸的接觸電阻小于或等于0.5Ω/mm。

16.根據(jù)構(gòu)思12所述的歐姆接觸，其中，還包括：

在源極接觸和漏極接觸之間的阻擋層上的鈍化層。

17.根據(jù)構(gòu)思16所述的歐姆接觸，其中，所述鈍化層包括Si₃N₄。

18.根據(jù)構(gòu)思12所述的歐姆接觸，其中，所述Ta層是以/秒-/秒的蒸發(fā)速率蒸發(fā)形成的。

19.根據(jù)構(gòu)思12所述的歐姆接觸，其中，所述Ta層包括：

在所述接觸區(qū)中的厚的第一Ta層，其通過(guò)以/秒-/秒的蒸發(fā)速率蒸發(fā)并且在所述蒸發(fā)后冷卻至30℃以下而形成；和

在所述第一Ta層上的厚的第二Ta層，其通過(guò)以/秒-/秒的蒸發(fā)速率蒸發(fā)并且在所述蒸發(fā)后冷卻所述第二Ta層至30℃以下而形成；

在所述第二Ta層上的Ti層；和

在所述Ti層上的Al層。