СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОТОЧНОГО ТРАНЗИСТОРА С НЕВПЛАВНЫМИ ОМИЧЕСКИМИ КОНТАКТАМИ Российский патент 2023 года по МПК H01L29/778 

Настоящее изобретение относится к мощным высокочастотным полевым транзисторам на основе нитрида галлия.

Современные нитридгаллиевые транзисторы с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) обладают высокими напряжением пробоя, концентрацией и подвижностью носителей заряда в канале. Это делает их идеальной элементной базой для изготовления высокочастотных усилителей и переключателей мощности. Типовая конструкция подобных транзисторов описана в известном патенте США [1]. Она включает в себя подложку, буферный слой, слой непреднамеренно легированного GaN (канальный слой), барьерный слой Al_xGa_1-xN, расположенные на барьерном слое контакты истока, стока и затвора. Приборные слои выращиваются с помощью эпитаксии.

Уменьшение длины канала позволяет увеличить удельную крутизну и предельную частоту транзистора. При этом для смягчения эффектов короткого канала должна уменьшаться толщина барьерного слоя. Высокочастотные характеристики транзисторов ограничены паразитными сопротивлениями, значительную часть которых составляют высокие контактные сопротивления омических контактов истока и стока.

Типичный способ изготовления омических контактов к стоку и истоку описан в известном патенте и состоит из осаждения Ti/Al/Ni/Au или других подобных металлов на поверхность барьерного слоя и последующего сплавления при высокой температуре (от 675 до 725°С) [2]. Получаемое удельное сопротивление ρ_с=0,4-0,5 Ом⋅мм. Подобная технология приводит к увеличению размеров области омических контактов, что негативно влияет на рабочие характеристики СВЧ транзистора при малом расстоянии между стоком и истоком.

Существуют способы изготовления транзисторов с невплявляемыми омическими контактами. Один из них описан в известном патенте США и заключается в имплантации ионов донорной примеси в подконтактную область [3]. Максимум концентрации примеси расположен на расстоянии 100 Å от канала и равен 3×10²⁰ см^-3. Основной недостаток указанного способа - высокие дозы имплантируемых ионов, необходимые для получения большой концентрации носителей заряда, вызывают аморфизацию кристаллической структуры полупроводниковых материалов. Рекристаллизация барьерного слоя AlGaN требует длительного времени отжига при температурах от 450°С до 700°С. Это может привести к деградации и разрушению тонких эпитаксиальных слоев в приборной структуре.

В известном патенте США, выбранном нами за прототип, описан способ изготовления невплавных омических контактов с помощью травления барьерного слоя и последующего селективного наращивания n+GaN в области контакта [4]. Предложенный способ включает эпитаксиальное выращивание на подложке канального слоя, эпитаксиальное выращивание барьерного слоя на поверхности канального, сквозное травление барьерного слоя по маске и формирование углублений в канальном слое в областях омических контактов, наращивание высоколегированного контактного слоя на открытых участках канального слоя, осаждение металлических контактов стока и истока на высоколегированный контактный слой, осаждение металлического контакта затвора на барьерный слой. Металлические контакты стока и истока представляют собой слоистую структуру Ti/Al/X/Au, где X - это Ni, Mo, Pt и/или Ti. Однако, такой процесс очень сложен. Травление и сопутствующее извлечение образца из ростовой камеры вызывают разрыхление и загрязнение поверхности, на которой проводится наращивание. Рыхлая граница ухудшает электрический контакт к области двумерного электронного газа в канале и увеличивает контактное сопротивление. Атомы углерода на заращиваемой поверхности являются причиной возникновения аномальных пористых областей и высокой плотности дефектов в наращиваемом n+GaN и последующего высокого удельного контактного сопротивления. Результаты измерения контактного сопротивления методом длинной линии (TLM) приведены в работе [5]. ρ_с=0,25 Ом⋅мм.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение контактного сопротивления омических контактов истока и стока высокочастотного нитридгаллиевого транзистора с высокой подвижностью электронов.

Предлагаемый способ заключается в следующем. На подложке эпитаксиально выращивается буферный слой. На поверхности буферного слоя эпитаксиально выращивается канальный слой. Эпитаксиально выращивается барьерный слой. Проводится напыление металлических контактов стока, истока и затвора. Для достижения технического результата на поверхности канального слоя эпитаксиально выращивается спейсерный слой AlN толщиной 1-2 нм. На поверхности спейсерного слоя эпитаксиально выращивается контактный слой высоколегированного твердого раствора Al_xGa_1-xN, где 0,15≤x≤0,4. После этого в области канала по маске проводится травление контактного слоя Al_xGa_1-xN до спейсерного слоя AlN. Далее на спейсерном слое проводится локальное эпитаксиальное наращивание барьерного слоя AlN в области канала.

В зависимости контактного сопротивления от параметров приборной гетероструктуры можно выделить несколько независимых слагаемых:

ρ_C=ρ_Me-AlGaN+ρ_AlGaN+ρ_2DEG

Первое слагаемое (ρ_Ме-AlGaN) связано с интерфейсом металл/AlGaN и не зависит от свойств гетероструктуры. Два других слагаемых связаны с мольной долей алюминия x и уровнем легирования Al_xGa_1-xN (ρ_AlGaN) и плотностью двумерного электронного газа (ρ_2DEG). Увеличение уровня легирования Al_xGa_1-xN позволяет уменьшить резистивный вклад контактного слоя Al_xGa_1-xN, ρ_AlGaN. Для легирования Al_xGa_1-xN в качестве донорной примеси обычно используется кремний. Для GaN энергия ионизации равна 17 мэВ, а для AlN - от 75 до 95 мэВ. Эти энергии соответствуют коэффициентам активации при комнатной температуре от 0,5 до 0,06 в GaN и AlN, соответственно. Т.е. увеличение мольной доли алюминия x уменьшает концентрацию носителей заряда. Для Si в Al_xGa_1-xN существует предел легирования, который снижает максимально достижимые концентрации носителей по сравнению с GaN. С другой стороны, согласно модели из статьи [6], большая мольная доля алюминия в Al_xGa_1-xN приводит к более высокой концентрации носителей в слое двумерного электронного газа, уменьшая ρ_2DEG. Следовательно, поскольку полное контактное сопротивление определяется суммой ρ_AlGaN и ρ_2DEG, ожидается, что удельное контактное сопротивление будет уменьшаться до определенного значения при уменьшении мольной доли алюминия и увеличиваться при очень низких значениях x, когда концентрация двумерного электронного газа становится малой. Моделирование в программе Sentaurus TCAD показало допустимые значения мольной доли алюминия от 15 до 40%. Также следует отметить, что при использовании ростовой технологии MOCVD затруднительно получить толстые монокристаллические слои Al_xGa_1-xN с высокой мольной долей алюминия из-за растрескивания материала.

Основные этапы изготовления высокочастотного транзистора с невплавными омическими контактами показаны на фиг. 1, где

1 - подложка, 2 - буферный слой, 3 - канальный слой GaN, 4 - спейсерный слой AlN, 5 - контактной слой высоколегированного твердого раствора Al_xGa_1-xN, 6 - барьерный слой AlN, 7 - омический контакт истока, 8 - пассивирующий диэлектрик, 9 - затвор, 10 - омический контакт стока.

На фиг. 1a показано эпитаксиальное выращивание буферного, канального, спейсерного и контактного слоев.

На фиг. 1б показано травление высоколегированного контактного слоя Al_xGa_1-xN до спейсерного слоя A1N и эпитаксиальное наращивание барьерного слоя AlN в области канала.

На фиг. 1в показано осаждение пассивирующего диэлектрика и изготовление контактов, истока, стока и затвора.

Травление высоколегированного контактного слоя Al_xGa_1-xN (5) в области канала проводится смесью газов, содержащей хлор и фтор (BCl₃+SF₆, BCl₃+CF₄ и др.). В этом случае тонкий спейсерный слой AlN (4) выполняет функцию стоп-слоя. На поверхности AlN образуются соединения AlF₃ и AlO_x, на которых и останавливается травление. Для удаления тонкого диэлектрического слоя образец обрабатывается в растворе HF/NH₄OH или в растворе соляной кислоты.

Вскрытый тонкий спейсерный слой AlN (4) выступает в качестве основы для наращивания барьерного слоя AlN (6) в области канала. AlN имеет самую высокую спонтанную поляризацию среди всех нитридных полупроводников и, как следствие, наибольшую плотность двумерного электронного газа на гетерогранице с GaN даже при толщине менее 10 нм. Ультратонкие барьеры AlN обеспечивают возможность управления транзистором вплоть до частот W-диапазона (75-110 ГГц). Наращивание желательно проводить методом молекулярно лучевой эпитаксии (МВЕ). Т.к. материалы основы и наращиваемого слоя совпадают (AlN), то выращенный барьерный слой (6) повторяет кристаллическую структур спейсерного слоя (4) и поэтому имеет хорошее качество. Подобный технологический подход позволяет получить непрерывную область двумерного электронного газа под каналом и контактами стока и истока. Тем самым достигается существенное уменьшение сопротивления транзистора в открытом состоянии.

Реализуемость предложенного способа подтверждена изготовлением серии тестовых GaN транзисторов на кремниевой подложке. Буферный (2), канальный (3), спейсерный (4) и контактный (5) слои выращивалась методом газофазной эпитаксии (MOCVD). Качество поверхности приборной структуры контролировалось методом рассеяния лазерного излучения. В процессе роста проводилось легирование контактного слоя (5) кремнием до концентрации 10¹⁹-10²⁰ см^-3. В результате получается низкое слоевое сопротивление в диапазоне 20-100 Ом/□ в зависимости от толщины.

Низкоомные омические контакты истока (7) и стока (10) изготавливаются с помощью последовательного напыления слоев титана, алюминия, никеля и золота. Затвор (9) формировался электронно-лучевым испарением и осаждением металлизации Ni-Al-Ti по маске фоторезиста с последующим «взрывом» (lift-off). Тонкий спейсерный слой (4) в области контактов слабо влияет на величину контактного сопротивления, т.к. электроны преодолевают его за счет туннельного эффекта.

Верхняя поверхность образца пассивировалась посредством осаждения слоя нитрида кремния (8).

На фиг. 2 показано РЭМ изображение контактной металлизации. По фотографии видно, что металлизация обладает гладкой морфологией. Отсутствую вспучивания и неровности металла, характерные для вплавленного омического контакта. Дополнительный контроль шероховатости, выполненный с помощью АСМ, не выявил аномальных значений неровностей.

Для проведения измерений контактного сопротивления омических контактов методом длинной линии (TLM) была подготовлена тестовая структура, состоящая из ряда одинаковых прямоугольных контактов шириной 50 и 10 мкм. Для изоляции тестовой структуры применялось реактивное ионное травление в хлорсодержащей плазме. Перед осаждением металлов поверхность обрабатывалась аргоновой плазмой в течение 90 секунд для очистки от загрязнений. Измерения BAX проводились с помощью мультиметра Agilent.

По результатам измерений контактного сопротивления было получено значение 0,15 Ом⋅мм, что меньше, чем 0,25 Ом⋅мм в способе прототипе и 0,4-0,5 Ом⋅мм при изготовлении омического контакта с помощью вплавления.

Источники информации

1. Патент США №US 5192987

2. Патент РФ №RU 2315389

3. Патент США №US 9711633

4. Патент США №US 7432142 - прототип

5. Lugani L. et al. N+-GaN grown by ammonia molecular beam epitaxy: Application to regrown contacts // Appl. Phys. Lett. - 2014. - Vol. 105, №20. - P. 2012-2015.

6. Ambacher O. et al. Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization in undoped and doped AlGaN/GaN heterostructures // J. Appl. Phys. - 2000. - Vol.87, №1. - P. 334-344.

Изобретение относится к мощным высокочастотным полевым транзисторам на основе нитрида галлия. Задачей настоящего изобретения является уменьшение контактного сопротивления омических контактов истока и стока. Предлагаемый способ заключается в следующем. На подложке с помощью эпитаксии выращивается буферный слой. На поверхности буферного слоя с помощью эпитаксии выращивается канальный слой. На поверхности канального слоя с помощью эпитаксии выращивается спейсерный слой AlN толщиной 1-2 нм. На поверхности спейсерного слоя эпитаксиально выращивается контактный слой высоколегированного твердого раствора Al_xGa_1-xN, где 0,15≤x≤0,4. После этого в области канала по маске проводится травление контактного слоя Al_xGa_1-xN до спейсерного слоя AlN. На открытой части спейсерного слоя в области канала проводится локальное эпитаксиальное эпитаксиальное наращивание барьерного слоя AlN. На оставшиеся части высоколегированного контактного слоя Al_xGa_1-xN напыляются омические контакты стока и истока. На барьерном слое AlN изготавливается металлический контакт затвора. 4 ил.

Способ изготовления высокочастотного транзистора с невплавными омическими контактами, включающий эпитаксиальное выращивание на подложке буферного слоя, эпитаксиальное выращивание канального слоя на поверхности буферного, эпитаксиальное выращивание барьерного слоя, напыление металлических контактов стока, истока и затвора, отличающийся тем, что на поверхности канального слоя эпитаксиально выращивается спейсерный слой AlN толщиной 1-2 нм, на котором затем выращивается контактный слой высоколегированного твердого раствора Al_xGa_1-xN, где 0,15≤x≤0,4, после чего в области канала проводится травление контактного слоя Al_xGa_1-xN до спейсерного слоя AlN, а затем на спейсерном слое проводится локальное эпитаксиальное наращивание барьерного слоя AlN в области канала.