Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления омических контактов к нитридным гетероструктурам на основе Si/Al

Изобретение относится к способу формирования омических контактов к нитридным гетероструктурам по технологии вжигаемых омических контактов и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов с высокой степенью интеграции.

Из предшествующего уровня техники известен способ [A. Crespo, R. Fitch, J. Gillespie, N. Moser, G. Via, M. Yannuzzi «Ti/Al/Ni/Au Ohmic Contacts on AlGaN/GaN HEMTs» // 2003 International Conference on Compound Semiconductor Mfg.] изготовления омических контактов к нитридным гетероструктурам, заключающийся в последовательном нанесении металлов Ti/Al/Ni/Au с последующим быстрым термическим отжигом при температурах выше 800°С. Недостатком способа являются грубая морфология омических контактов, высокое удельное сопротивление на большом диапазоне температур и сложная зависимость от параметров термической обработки и состава металлизации, что ставит проблемы воспроизводимости.

Известен способ [US 9040398 В2, H01L 21/265] изготовления омических контактов, заключающийся в имплантации ионов на определенные участки нитридной гетерострутктуры, нанесении металлических слоев на имплантированные области и последующем отжиге для обеспечения контакта с областью двумерного электронного газа (2DEG). Высокая концентрация ионов, которая должна быть использована для получения достаточной скорости активации в пределах имплантированных областей, создает большое количество дефектов структуры, что ухудшает характеристики омических контактов.

Известен способ [US 8685764 В2, H01L 33/00] изготовления омических контактов к легированному нитриду галлия, включающий нанесение алюминия или сплава на основе алюминия. Сопротивление омического контакта 5 10^-5 Ом⋅см². Недостатком способа является необходимость использования предварительно легированного нитрида галлия.

Известен способ [US 20150364330 A1, H01L 21/285] изготовления омических контактов на основе металла Та к гетероструктуре AlGaN/GaN, заключающийся в нанесении на барьерный слой гетероструктуры сначала слоя Та со скоростью 1 Å/секунду, затем слоев Ti и Al. Использование композиции на основе Та позволило улучшить рельеф контакта и получить сопротивление порядка 0,5 Ом⋅мм. При формировании омического контакта используется быстрый термический отжиг при температурах выше 800°С и в процессе отжига остается открытым слой Al, который склонен к окислению.

Известен способ [US 7719030 В2, H01L 29/739] изготовления омических контактов к нитридным гетероструктурам с низким сопротивлением с использованием алюминиевых сплавов, заключающийся в нанесении четырех слоев, Ti, AlSi, Ti и TiW, сплав AlSi имеет около 1% Si. Использование сплава AlSi вместо чистого Al позволило снизить контактное сопротивление примерно на 15-30% до 0,8-1 Ом⋅мм после быстрого термического отжига при температуре 875°С. Недостатком способа является большое удельное сопротивление и сложность получения сплава с содержанием Si 1%. Использование высоких температур отжига сказывается на ухудшении морфологии контакта.

Известен способ [US 20140346568 A1, H01L 29/45] изготовления омических контактов без содержания золота 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. 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. Таким образом, необходимым условием формирования низкотемпературных омических контактов без золота является плазмохимическое травление полупроводника, удаление барьерного слоя AlGaN, что усложняет технологический процесс изготовления омических контактов за счет использования дополнительных процессов и сложного плазмохимического оборудования. При этом омический контакт за счет удаления барьерного слоя формируется к GaN.

Известен способ, принятый за прототип [CN 103928511, H01L 29/45], изготовления омических контактов к гетероструктурам на основе нитрида галлия, заключающийся в последовательном нанесении пяти слоев Si и/или Ge, Al, Ti, металла и Au. В качестве слоя металла может быть Ti, Ni, Pt или Mo. Затем осуществляют быстрый термический отжиг в диапазоне температур от 700°С до 870°С в течение 20-60 секунд в среде азота. Недостатком метода является использование высоких температур, что приводит к ухудшению морфологии омических контактов.

Техническим результатом изобретения является снижение температуры отжига металлизации конструкции омических контактов к нитридным гетероструктурам, за счет чего происходит улучшение морфологии омических контактов, сформированных по технологии вжигаемых омических контактов, и повышение технологичности омических контактов.

Технический результат достигается за счет того, что омический контакт формируется путем последовательного напыления в вакууме композиции четырех слоев: кремний (Si), алюминий (Al), никель (Ni) и золото (Au), с использованием фоторезистивной маски «lift-off» на участок поверхности нитридной гетероструктуры с последующей термической обработкой на графитовом столике в среде азота. 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. Алюминий является наиболее подходящим однокомпонентным элементом для омического контакта за счет маленькой работы выхода электрона из металла.

В традиционных работах используют Ti/Al контактный слой, при этом Ti обеспечивает образование азотных вакансий за счет взаимодействия полупроводника с контактной металлизацией, формируется Ti_xN. Эти азотные вакансии формируют слой под контактом, играющий роль высоколегированного слоя, который образуется при температурах выше 750°С. Использование температур выше 900°С может приводить к обеднению поверхности гетероструктуры азотом, что влечет изменение свойств структуры и скажется на конечных параметрах приборов. Поэтому использование композиции на основе Si/Al за счет снижения температуры позволяет избежать получения развитого рельефа поверхности, не ровной границы и ухудшения свойств гетероструктуры.

Фиг. 1. Зависимость удельного сопротивления омического контакта от последовательно возрастающей температуры обработки на образцах с композициями омических контактов Si/Al/Ni/Au при толщине кремния 12,5; 7,5; 5 нм.

Фиг. 2. Зависимость удельного сопротивления омического контакта от длительности термической обработки для образцов с композициями омических контактов Si/Al/Ni/Au при толщине кремния 12,5 нм.

Фиг. 3. Фотография с оптического микроскопа рельефа омического контакта на основе Si/Al после термической обработки до 675°С.

Фиг. 4. Фотография с оптического микроскопа рельефа омического контакта после длительного отжига и повышения температуры до 725°С.

Как показали эксперименты (фиг. 1 и 2) с разной толщиной кремния в композиции, температурой и временем термической обработки, получение необходимого сопротивления омического контакта достигается при определенной толщине кремния длительностью термической обработки, либо увеличением температуры. Последовательная термическая обработка композиции омического контакта с увеличением температуры показала уменьшение сопротивления омического контакта при неизменном рельефе поверхности. Для контактов с толщиной кремния от 5 до 7,5 нм (фиг. 1) температурная зависимость от ее увеличения несущественная, то есть можно работать при формировании омических контактов с данной композицией в большом диапазоне температур, что является более технологично и воспроизводимо по сравнению с композициями на основе Ti/Al. Для композиции с толщиной кремния 12,5 нм были исследованы зависимость удельного сопротивления от длительности термической обработки в двух режимах, последовательный набор температуры с промежуточными измерениями и выдерживанием образца при температуре 675°С с последующим дополнительным отжигом при температуре 725°С в течение 120 секунд (фиг. 2). Длительная термическая обработка приводила к постепенному улучшению удельного сопротивления, а дополнительная обработка позволяла наблюдать улучшение сопротивления раньше, но после набора 2000 секунд и дополнительного нагрева 725°С началось ухудшение удельного сопротивления омического контакта с ухудшением его морфологии (фиг. 3, 4).

Таким образом, получается, что длительность и температура термических процессов определяют диффузию кремнию в нитрид галлия, как и его толщина. Можно при разных режимах и составах композиций получить схожий результат, что свидетельствует о технологичности данных омических контактов к нитридным гетероструктурам, сформированных по технологии вжигаемых омических контактов.