Способ изготовления омических контактов мощных электронных приборов Российский патент 2021 года по МПК H01L21/00 H01L21/28 

Изобретение относится к электронной технике, а именно способам изготовления омических контактов мощных электронных приборов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия.

Мощные электронные приборы и прежде всего мощные полевые транзисторы и усилительные, и управляющие монолитные интегральные схемы на их основе, выполненные на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия (GaN) (далее полупроводниковая гетероструктура) отличаются более:

- широким диапазоном рабочих частот, при этом с продвижением в область более высоких значений,

- высокими значениями выходной мощности,

- высокими значениями рабочих температур.

Однако в силу того, что данный полупроводниковый материал относится к широкозонным полупроводниковым материалам, это обуславливает определенные технологические трудности, в том числе при изготовлении омических контактов.

Известен способ изготовления омических контактов на полупроводниковой гетероструктуре GaN/AlGaN, включающий создание исходного вакуума в вакуумной камере, последовательное электронно-лучевое напыление в вакуумной камере системы металлических слоев Ti, Al, Ni, Au на участок поверхности слоя AlGaN и последующий высокотемпературный отжиг.

В котором, с целью снижения удельного сопротивления омических контаков, в вакуумной камере перед напылением системы металлических слоев Ti, Al, Ni, Au распыляют Ti до образования 2-3 монослоев Ti на поверхностях элементов, расположенных внутри вакуумной камеры, а напыление системы металлических слоев Ti, Al, Ni, Au на участок поверхности слоя AlGaN полупроводниковой гетероструктуры осуществляют в вакууме (1×10^-7-1×10^-8) мм рт.ст. [Патент №2315389 РФ. Способ изготовления омических контактов на полупроводниковой гетероструктуре GaN/AlGaN /Величковский Л.Э. и др./ /Бюл. - 2008 г. - №2].

Известен способ изготовления омических контактов на полупроводниковой гетероструктуре GaN/AlGaN, включающий последовательное напыление системы металлических слоев Ti, Al, Ni, Au на участок поверхности слоя AlGaN полупроводниковой гетероструктуры и быстрый термический отжиг.

В котором, с целью упрощения процесса и сокращения времени изготовления омических контактов и повышения качества полупроводниковой гетероструктуры и обеспечения воспроизводимости ее параметров за счет контроля ее температуры в процессе термического отжига, быстрый термический отжиг осуществляют контактным методом с использованием графитового резистивного нагревателя, при этом полупроводниковую гетероструктуру располагают на поверхности нагревателя [Патент №2315390 РФ. Способ изготовления омических контактов на полупроводниковой гетероструктуре GaN/AlGaN /Величковский Л.Э. и др./ /Бюл. - 2008 г. - №2].

Недостаток - технологический и технический уровень не отвечает современному их уровню.

Известен способ изготовления омических контактов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, включающий последовательное нанесение пяти слоев в виде системы 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 при температуре (700-870)°С в течение (20-60) с. в среде азота [CN 103928511, H01L 29/45].

Недостаток - низкий уровень качества морфологии поверхности омических контактов, вследствие достаточно высокой температуры быстрого термического отжига.

Известен способ изготовления омических контактов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, включающий последовательное нанесение в вакууме на участок поверхности полупроводниковой гетероструктуры материала омических контактов в виде системы слоев и последующий термический отжиг в среде азота.

В котором с целью улучшения морфологии поверхности и повышения технологичности омических контактов, последовательно наносят систему слоев Si, Al, Ni и Au.

При это, толщина слоя Si составляет (5-7,5) нм, термический отжиг осуществляют при температуре (675-725)°С [Патент №2619444 РФ. Способ изготовления омических контактов к нитридным гетероструктурам /Федоров Ю.В. и др./ /Бюл. - 2017 г. - №14] - прототип.

Использование в качеств материала омических контактов последовательной системы слоев Si, Al, Ni, Au позволило снизить температуру термического отжига и тем самым - улучшить морфологию поверхности омических контактов.

Однако, удельное электрическое сопротивление (удельное сопротивление) омических контактов, изготовленных данным способом является достаточно высоким, что ограничивает параметры электронных приборов и прежде всего мощных электронных приборов.

Техническим результатом заявленного способа изготовления омических контактов мощных электронных приборов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия является

- снижение удельного сопротивления,

- улучшение морфологии поверхности,

- сохранение физико-химической структуры исходной полупроводниковой гетероструктуры,

- повышение выходной мощности и снижение коэффициента шума мощного электронного прибора.

Технический результат достигается заявленным способом изготовления омических контактов мощных электронных приборов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, изготовленной на подложке, включающим

- формирование заданной топологии омических контактов на заданном - наружном слое упомянутой полупроводниковой гетероструктуры,

- нанесение материала омических контактов в виде прямой последовательности заданной системы его слоев, в вакууме, согласно заданной топологии, последующий термический отжиг в инертной среде.

В котором

- упомянутое нанесение материала омических контактов осуществляют в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото,

- толщиной (25-35)-(115-125)-(25-35)-(95-105) нм соответственно,

- перед термическим отжигом, на заданный - наружный слой полупроводниковой гетероструктуры, с нанесенным материалом омических контактов в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото, наносят слой нитрида кремния, толщиной 45-55 нм, методом плазмохимического осаждения из газовой фазы состава, м³×10^-6 при стандартных условиях: моносилан, аммиак, азот при их соотношении, (15-25), (95-105), (1400-1600) соответственно, с частотой генерации плазмы 379-381 кГц,

- а термический отжиг осуществляют в два этапа: на первом - при температуре (645-655)°С, в течение (25-35) с, на втором - при температуре (795-805)°С, в течение (85-95) с.

Мощный электронный прибор представляет собой мощный полевой транзистор, усилительную и/или управляющую монолитные интегральные схемы на его основе.

Подложка представляет собой полупроводниковую либо диэлектрическую подложку со значением постоянной кристаллической решетки, аналогичным значению постоянной кристаллической решетки упомянутой полупроводниковой гетероструктуры.

Заданная топология омических контактов на заданном - наружном слое упомянутой полупроводниковой гетероструктуры задается типом мощного электронного прибора.

Раскрытие сущности изобретения.

Совокупность существенных признаков заявленного способа изготовления омических контактов мощных электронных приборов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия обеспечивает, а именно.

Нанесение материала омических контактов в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото,

с указанной их толщиной (25-35)-(115-125)-(25-35)-(95-105) нм соответственно и

в совокупности, когда:

перед термическим отжигом, на заданный - наружный слой полупроводниковой гетероструктуры, с нанесенным материалом омических контактов в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото, наносят слой нитрида кремния, толщиной 45-55 нм, методом плазмохимического осаждения из газовой фазы состава, м³×10^-6 при стандартных условиях: моносилан, аммиак, азот при их соотношении, (15-25), (95-105), (1400-1600) соответственно, с частотой генерации плазмы 379-381 кГц,

а термический отжиг осуществляют в два этапа: на первом - при температуре (645-655)°С, в течение (25-35) с, на втором - при температуре (795-805)°С, в течение (85-95) с.

Это обеспечивает:

во-первых, значительное снижение удельного сопротивления омических контактов,

во-вторых, значительное улучшение морфологии поверхности омических контактов и тем самым снижение погрешности при проведении последующих фото- и электроннографических технологических операций,

в третьих, сохранение физико-химической структуры исходной полупроводниковой гетероструктуры.

И, как следствие, первого, второго и третьего - повышение выходной мощности и снижение коэффициента шума мощного электронного прибора.

При этом.

Использование системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото в качестве материала омических контактов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия и

в совокупности

с проведением термического отжига в два этапа, с указанными его технологическими режимами на каждом этапе является приоритетным, поскольку при температуре выше 750°С присутствие титана (Ti) в материале омических контактов и в результате его взаимодействия с азотом полупроводниковой гетероструктуры на основе нитрида галлия обеспечивает образование азотных вакансий (ловушек) в виде нитрида титана (Ti_xN).

Эти азотные вакансии в свою очередь обеспечивают формирование в приконтакной области, (между омическими контактами и полупроводниковой гетероструктурой) дополнительного высоколегированного слоя с малой работой выхода электрона(ов) и тем самым - формирование невыпрямляющих (омических) контактов с низким удельным сопротивлением.

Нанесение перед термическим отжигом, на заданный - наружный слой полупроводниковой гетероструктуры, с нанесенным материалом омических контактов в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото, слоя нитрида кремния, толщиной (45-55) нм, методом плазмохимического осаждения из газовой фазы состава, м³×10^-6 при стандартных условиях: моносилан, аммиак, азот при их соотношении (15-25), (95-105), (1400-1600) соответственно, с частотой генерации плазмы 379-381 кГц - придает (обеспечивает) структуре слоя нитрида кремния свойства (функцию) сжимающих механических напряжений и тем самым -

во-первых, сохранение морфологии поверхности омических контактов при проведении быстрого термического отжига и, как следствие,

во-вторых, дополнительное улучшение морфологии поверхности омических контактов,

в-третьих, сохранение физико-химической структуры исходной полупроводниковой гетероструктуры.

Осуществление термического отжига в два этапа.

На первом - при температуре (645-655)°С, в течение (25-35) с, - предварительный нагрев всей прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото материала омических контактов.

Благодаря наличию первого этапа и осуществлению его при низкой температуре обеспечивается:

- равномерный нагрев всей прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото материала омических контактов, и тем самым - максимально возможное исключение их деформации, в том числе, и что особенно важно,

- исключение возможности формирования в слое алюминия при температуре его плавления (660°С) неких нежелательных образований, приводящих к резкому ухудшению морфологии поверхности омических контактов.

И, как следствие, - высокий уровень морфологии поверхности омических контактов.

На втором - при температуре (795-805)°С, в течение (85-95) с, -собственно вжигание и формирование омических контактов.

Обеспечивается:

во-первых, снижение температуры термического отжига ниже 900°С (характерной для термического отжига традиционной системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото омических контактов) и, как следствие, - снижение удельного сопротивления омических контактов,

во-вторых, сохранение высокого уровня морфологии поверхности омических контактов первого этапа и дальнейшее ее улучшение, благодаря:

а) обеспечения блокирования, вплоть до полного исключения возможности алюминия к формированию неких нежелательных образований и на этом (втором) этапе в связи с опережающей возможностью при температуре (600°С) формирования его (алюминия) с титаном сплава с интерметаллическими соединениями.

б) исключения резкого перепада температур благодаря наличию первого этапа,

в) сокращения времени быстрого термического отжига при высокой температуре и соответственно уменьшения ее (высокой температуры) нежелательного воздействия как на материал омических контактов, так и структуру полупроводниковой гетероструктуры.

И, как следствие, -

во-первых, высокий уровень морфологии поверхности омических контактов.

во-вторых, исключение возможности обеднения поверхностного слоя полупроводниковой гетероструктуры азотом и, как следствие, - сохранение физико химической структуры исходной полупроводниковой гетероструктуры.

Нанесение материала омических контактов в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото, толщиной (мене 25 и более 35)-(мене 115 и более 125)-(менее 25 и более 35)-(менее 95 и более 105) нм соответственно;

равно как

нанесение слоя нитрида кремния:

толщиной (менее 45 и более 55) нм,

из газовой фазы состава, м³×10^-6 при стандартных условиях: моносилан, аммиак, азот при их составе (менее 15 и более 25), (менее 95 и более 105), (менее 1400 и более 1600) соответственно,

с частотой генерации плазмы (менее 379 и более 381) кГц;

равно как

осуществление термического отжига:

на первом этапе - при температуре (менее 645 и более 655)°С, в течение (менее 25 и более 35) с.

на втором - при температуре (менее 795 и более 805)°С, в течение (менее 85 и более 95) с.

Не желательно, поскольку:

а) конструкционные параметры - толщины отдельных слоев материала омического контакта, толщина слоя нитрида кремния и технологические режимы технологических операций, указанные в формуле изобретения являются в их совокупности оптимальными значениями с точки зрения достижения указанного технического результата и соответственно

б) нарушение указанных конструкционных параметров и технологических режимов технологических операций как менее, так и более приводит к существенному нарушению достижения указанного технического результата.

Итак, заявленный способ изготовления омических контактов мощных электронных приборов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия в полной мере обеспечивает технический результат, а именно снижение удельного сопротивления, улучшение морфологии поверхности, сохранение физико-химической структуры исходной полупроводниковой гетероструктуры, повышение выходной мощности и снижение коэффициента шума мощного электронного прибора.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 дан фрагмент мощного электронного прибора (мощного полевого транзистра) на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия с омическими контактами электродов истока и стока, изготовленными, заявленным способом, где

- подложка - 1,

- полупроводниковая гетероструктура на основе нитрида галлия - 2,

- омические контакты электродов истока и стока - 3, 4 соответственно, на заданном - наружном слое полупроводниковой гетероструктуры 2а,

- слой нитрида кремния - 5.

На фиг. 2 дана зависимость удельного сопротивления омических контактов от температуры термического отжига на втором этапе (795-805)°С и толщины материала омических контактов в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото, при этом

(кривая 1 соответствует толщине 30-120-30-100) нм, (кривая 2 - 25-115-25-95) нм, (кривая 3 - 35-125-35-105) нм соответственно,

(кривая 4 соответствует прототипу).

На фиг 3 дана зависимость удельного сопротивления омических контактов от времени термического отжига на втором этапе (85-95) с. и и толщины материала омических контактов в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото, при этом

(кривая 1 соответствует - толщине 30-120-30-100 нм), (кривая 2 -25-115-25-95), (кривая 3 - 35-125-35-105) соответственно,

(кривая 4 соответствует прототипу)

На фиг. 4 дана морфология поверхности омических контактов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия изготовленных согласно:

а) заявленному способу,

б) способу прототипа.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1

Рассмотрен пример изготовления омических контактов мощного электронного прибора - Мощный полевой транзистор на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия типа AlGaN/AlN/GaN, (частный случай).

Формируют заданную топологию омических контактов на заданном - наружном (n-типа проводимости) слое 2а полупроводниковой гетероструктуры на основе нитрида галлия типа AlGaN/AlN/GaN 2, на полупроводниковой подложке 1 (задана типом мощного электронного прибора - Мощный полевой транзистор).

Наносят материал омических контактов электродов истока 3 и стока 4 в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото, толщиной 30, 120, 30, 100 нм соответственно, в вакууме (ВАК-761), согласно вышеуказанной заданной топологии.

На заданный - наружный (n-типа проводимости) слой 2а полупроводниковой гетероструктуры 2, с нанесенным материалом омических контактов электродов истока 3 и стока 4 в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото, наносят слой нитрида кремния 5, толщиной 50 нм, методом плазмохимического осаждения (SPTS LPX) из газовой фазы состава, м³×10^-6 при стандартных условиях, моносилан, аммиак, азот при их соотношении, 20, 100, 1500 соответственно, с частотой генерации плазмы 380 кГц.

Далее осуществляют термический отжиг в два этапа:

на первом - при температуре 650°С, в течение 30 с,

на втором - при температуре 800°С, в течение 90 с.

Примеры 2-5

Изготовлены омические контакты аналогично примеру 1, но при иных конструкционных параметрах и иных технологических режимах операций технологического процесса как заявленных в формуле изобретения (примеры 2-3), так и за ее пределами (примеры 4-5).

Пример 6 соответствует прототипу.

На изготовленных образцах определены:

- удельное сопротивление омических контактов (ρ), Ом×м, методом длинных линий (TLM метод);

- морфология поверхности омических контактов методом оптической микроскопии (Axiotron);

- выходная мощность, Вт и коэффициент шума, дБ мощного электронного прибора - Мощного полевого транзистора.

Данные сведены в таблицу.

Как видно из таблицы образцы, изготовленные согласно формуле изобретения (примеры 1-3) имеют.

Удельное сопротивление омических контактов (ρ), Ом×м - 0,3-0,315 Ом×м (фиг. 2, кривые 1-3, фиг. 3, кривые 1-3).

Морфология поверхности омических контактов отличается достаточно высокой однородностью (фиг. 4).

Удельная выходная мощность - 4,1-4,2 Вт/мм,

Коэффициент шума - 1,8-2,1 дБ.

В отличие от образцов (примеры 4-5) и пример 6 - прототип, которые имеют:

Удельное сопротивление омических контактов (ρ), Ом×м - более высокое - 0,38 Ом×м (фиг. 2, кривая 4), (фиг. 3, кривая 4).

Морфология поверхности омических контактов отличается не однородностью (фиг. 4).

Удельная выходная мощность - примерно 3,8 Вт/мм,

Коэффициент шума - примерно 3,1 дБ.

Таким образом, заявленный способ изготовления омических контактов мощных электронных приборов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия по сравнению с прототипом обеспечивает:

- снижение удельного сопротивления омических контактов (ρ), на 2,5-3,0 процента.

- высокий уровень морфологии поверхности по однородности,

- достаточный уровень - удельной выходной мощности, примерно 4,2 Вт/мм и коэффициента шума, примерно 4,5 дБ мощного полевого транзистора.

Способ изготовления омических контактов мощных электронных приборов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, включающий формирование заданной топологии омических контактов на заданном наружном слое упомянутой полупроводниковой гетероструктуры, нанесение материала омических контактов в виде прямой последовательности заданной системы его слоев, в вакууме, согласно заданной топологии, термический отжиг в инертной среде, в котором упомянутое нанесение материала омических контактов осуществляют в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото, толщиной (25-35)-(115-125)-(25-35)-(95-105) нм соответственно, перед термическим отжигом, на заданный наружный слой полупроводниковой гетероструктуры, с нанесенным материалом омических контактов в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото, наносят слой нитрида кремния, толщиной 45-55 нм, методом плазмохимического осаждения из газовой фазы состава, м³×10^-6 при стандартных условиях: моносилан, аммиак, азот при их соотношении (15-25), (95-105), (1400-1600) соответственно, с частотой генерации плазмы (379-381) кГц, а термический отжиг осуществляют в два этапа: на первом - при температуре (645-655)°С, в течение (25-35) с, на втором - при температуре (795-805)°С, в течение (85-95) с. Технический результат заключается в снижении удельного сопротивления, улучшении морфологии поверхности, сохранении физико-химической структуры исходной полупроводниковой гетероструктуры, повышении выходной мощности и снижении коэффициента шума мощного электронного прибора. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления омических контактов мощных электронных приборов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия, изготовленной на подложке, включающий

- формирование заданной топологии омических контактов на заданном наружном слое упомянутой полупроводниковой гетероструктуры,

- нанесение материала омических контактов в виде прямой последовательности заданной системы слоев, в вакууме, согласно заданной топологии, последующий термический отжиг в инертной среде, отличающийся тем, что

- упомянутое нанесение материала омических контактов осуществляют в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото, толщиной (25-35)-(115-125)-(25-35)-(95-105) нм соответственно,

- перед термическим отжигом, на заданный наружный слой полупроводниковой гетероструктуры, с нанесенным материалом омических контактов в виде прямой последовательности системы металлических слоев титан-алюминий-никель-золото, наносят слой нитрида кремния, толщиной 45-55 нм, методом плазмохимического осаждения из газовой фазы состава, м³×10^-6 при стандартных условиях: моносилан, аммиак, азот при их соотношении (15-25), (95-105), (1400-1600) соответственно, с частотой генерации плазмы 379-381 кГц,

- а термический отжиг осуществляют в два этапа: на первом - при температуре (645-655)°С, в течение (25-35) с, на втором - при температуре (795-805)°С, в течение (85-95) с.

2. Способ изготовления омических контактов мощных электронных приборов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия по п. 1, отличающийся тем, что мощный электронный прибор представляет собой мощный полевой транзистор, усилительную и/или управляющую монолитные интегральные схемы на его основе.

3. Способ изготовления омических контактов мощных электронных приборов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия по п. 1, отличающийся тем, что подложка представляет собой полупроводниковую либо диэлектрическую подложку со значением постоянной кристаллической решетки, близким по значению постоянной кристаллической решетки упомянутой полупроводниковой гетероструктуры.

4. Способ изготовления омических контактов мощных электронных приборов на полупроводниковой гетероструктуре на основе нитрида галлия по п. 1, отличающийся тем, что заданная топология омических контактов на заданном наружном слое упомянутой полупроводниковой гетероструктуры задается типом мощного электронного прибора.