CN107403833A - 一种化合物半导体金属接触电极 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域。本发明公开了一种化合物半导体金属接触电极，将传统的非合金类金属电极Ti/Pt/Au、Pt/Ti/Pt/Au和合金类金属电极AuGe/Ni/Au中的铂Pt和金锗AuGe用钯Pd或钯锗Pd/Ge替代，并将顶层贵重金属Au用铜Cu或者银Ag代替，获得包含金属导电层、粘结层和包含金属导电层、扩散阻隔层、粘接层的两种金属接触电极，其中金属导电层为Cu或Ag层，扩散阻隔层为Pd或Ti/Pd层，粘接层为Ti、Pd或Pd/Ge层。本发明中的化合物半导体金属接触电极具有接触电阻低、本征电导率高、热稳定性好、与半导体连接的粘合力强且生产制造成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种化合物半导体金属接触电极。
背景技术
智能手机快速进入4G、5G时代，以及在物联网产业的带动下，III-V化合物半导体以砷化镓为主的多模多频微波射频功率器件由于其高电子迁移率、高功率、高频率、低噪声、高增益、抗天然辐射等众多的优良性能迅速成为高端通讯电子产品、照明、军用航空等领域的主流器件。而这类高端电子器件中的半导体与金属电极的接触电阻及金属电极本身的导电性能是决定和影响这类半导体器件能否达到其设计预期的高频、高速、高电流密度、高功率等卓越性能要求的关键。
目前在化合物半导体器件中应用广泛且技术比较成熟的金属电极有非合金类金属电极Ti/Pt/Au,Pt/Ti/Pt/Au和合金类金属电极AuGe/Ni/Au。这些化合物半导体金属电极结构应用在异质结晶体管HBT、双异质结晶体管BiFET、高电子迁移率晶体管pHMET、场效应管FET等元器件中的发射极、基极、集电极、栅极、源极和漏极上与直接接触的半导体材料形成电通道来达到对各种电信号的放大及控制。通常这些多层金属电极由三类金属组成：1)作为与外界(封装模块，基板或其他元器件)直接导线连接的最上层低电阻金属材料导电层，金Au作为传统首选材料是由于其高延展性、抗腐蚀性及在大多数反应中的惰性和导电性；2)金Au与半导体直接接触时，会容易热扩散进入半导体结构中成为不可控的掺杂元素而造成器件失效，所以需要在半导体与金Au之间加入扩散阻隔金属层，如非合金类金属电极中的铂Pt和合金类金属电极中的镍Ni；3)铂Pt和镍Ni作为金Au的扩散阻隔层，解决了金Au向半导体中扩散的问题，但是这类金属与半导体材料的粘合力又不够，会产生金属剥离现象，所以需使用粘合力强的金属来改善，如在非合金类电极的钛Ti和合金类金属电极中的AuGe。但是，这些结构除了因为贵重金属铂Pt、金锗AuGe和金Au等原材料带来的生产制造成本居高不下的劣势外，还存在导电和稳定性能的缺陷；如钛Ti虽然能提高金属与半导体的粘合强度，但是Ti与半导体接触形成的能带势垒高，必须与高掺杂(～1019/cm3)的半导体才能形成低电阻的电通道，与掺杂低的半导体外延层间仍表现为肖特基连接的特性，不能作为理想的欧姆接粗电极；而合金类的金锗AuGe电极虽然通过热处理工艺能与其直接接触的半导体形成接触电阻极低的半导体金属过渡层，且由于半导体金属间的互相渗透所以粘合力非常好，但是热处理工艺中化合物半导体金属层不仅会纵向延伸，也会横向延伸，从而造成接触电阻的横向蔓延和电极的边界模糊；另外，Au-Ge合金稳定相态限制其热处理需在高于360℃的条件下进行，在这样的高温下，镍Ni作为金Au扩散的阻隔层的效果并不十分理想，也存在上层导电金Au会继续向半导体内扩散而导致器件失效的问题；铂Pt属于贵重金属，其市场价格成为限制作为电极材料研发和推广的主要因素；还有，随着化合物半导体元器件的尺寸不断缩小，电极尺寸也需要随之变小，加上元器件需要在高频，高速，高功率，高电流等方面进一步提高，传统的非合金金属电极Ti/Pt/Au,Pt/Ti/Pt/Au和合金类金属电极AuGe/Ni/Au已显示出了各种功能上的明显不足和成本上的巨大劣势。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种接触电阻低、本征电导率高、热稳定性好、与半导体连接的粘合力强且生产制造成本低等优点的化合物半导体金属接触电极。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种化合物半导体金属接触电极，其至少依次包含金属导电层、粘结层。
作为优选，金属导电层为Cu或Ag层。
作为优选，粘接层为Ti、Pd或Pd/Ge层。
作为优选，其结构为Pd/Ge/Cu或Pd/Ge/Ag；各层厚度依次为100～200埃米、1300～1600埃米、2000～5000埃米。
作为优选，该种化合物半导体金属接触电极在金属导电层和粘结层之间还设有扩散阻隔层。
作为优选，扩散阻隔层为Pd或Ti/Pd层。
作为优选，其结构为Ti/Pd/Cu或Ti/Pd/Ag；各层厚度依次为100～200埃米、450～550埃米、5000埃米。
作为优选，其结构为Pd/Ti/Pd/Cu或Pd/Ti/Pd/Ag；各层厚度依次为50～100埃米、150～250埃米、400～500埃米、5000埃米。
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本发明针对传统化合物半导体中常用的非合金和合金类电极在导电和稳定性能的不足，制造成本高，无法满足不断发展的高频高功率化合物半导体器件更低电阻更低功耗等要求的现状，在综合考虑了：1)形成的金属电极与半导体接触电阻低；2)金属电极本征电导率高；3)金属电极的热稳定性好；4)与半导体连接的粘合力强；5)生产制造成本低等的设计制造要求后，提出了用钯Pd、锗Ge、铜Cu或银Ag全面替代铂Pt、金锗AuGe和金Au的新型非合金类金属电极Ti/Pd/Cu(或Ag)和Pd/Ti/Pd/Cu(或Ag)和合金类金属电极Pd/Ge/Cu(或Ag)和Pd/Ge/Ti/Pd/Cu(或Ag)。
研究测试数据显示，将传统的非合金类金属电极Ti/Pt/Au、Pt/Ti/Pt/Au和合金类金属电极AuGe/Ni/Au中的铂Pt和金锗AuGe用钯Pd或钯锗Pd/Ge替代，并将顶层贵重金属Au用铜Cu或者银Ag代替形成的非合金类金属电极Ti/Pd/Cu(或Ag)、Pd/Ti/Pd/Cu(或Ag)和合金类金属电极Pd/Ge/Cu(或Ag)、Pd/Ge/Ti/Pd/Cu(或Ag)的接触电阻和金属电极本身的导电率基本与相对应的含铂Pt、金Au和金锗AuGe类贵重金属的金属电极基本一致甚至更低，钯Pd在合金热处理过程中渗透表面氧化层进入半导体的深度很浅，使得形成的金属电极与半导体间的键合强度高，键合均匀性很好，金属化合物过渡层的横向延伸几乎为0。钯Pd和Ti/Pd对低电阻导电金属金Au、铜Cu、银Ag与半导体间的双向扩散阻隔也非常有效。Pd/Ge类合金电极既保持了改善的粘合强度，粘合均匀性，接触电阻低的优点，又克服了含金Au类材料电极横向延伸广、电极界面模糊、热稳定性差等的缺点；也就是说，Pd/Ge在本发明中的金属接触电极中，虽然作为一个粘结层进行归类，但是其不仅具有良好的粘结强度，同时其也能起到扩散阻隔层的作用，防止导电性金属向半导体器件进行扩散，保证半导体器件的优良性能不受影响。除此以外，由于钯Pd较铂Pt的市场价低出约40％，较金锗AuGe低出约30％，而铜Cu和银Ag的单价仅是金Au的5％和20％。替代后优势性的市场原材料价格使得器件加工每片基片原材料生产制造成本大约可降低10～15％。
因此，本发明具有以下有益效果：
本发明中的金属接触电极的接触电阻与传统的电极基本一致或略微降低，器件的各种特征电性能没有任何影响或略微提高，尤其金属电极的粘合度，电极半导体间粘合均匀性，电性能的横向均匀性及稳定性都略有改善；含钯Pd的金属电极更致密，应力接近0；含钯Pd的电极合金处理后形成的金属半导体金属过渡层更薄，可控，更均匀，表面形貌的平整度，几乎没有横向延伸，所以电极的物理几何形更只受控于光刻和蒸镀工艺，更有利于器件尺寸的进一步缩小；钯Pd熔点低，蒸气压高也是金属蒸镀工艺相对更容易掌控；含钯Pd的金属电极器件预测器件使用寿命也略高于使用含铂Pt金属电极的器件；钯Pd，铜Cu,银Ag与之前的铂Pt和金Au相比，具有绝对的市场原材料价格优势，使得器件加工原材料生产制造成本大约可降低10～15％。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。
显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
以上述四种结构制备金属接触电极，即制备Ti/Pd/Cu(或Ag)、Pd/Ti/Pd/Cu(或Ag)和合金类金属电极Pd/Ge/Cu(或Ag)、Pd/Ge/Ti/Pd/Cu(或Ag)四种结构的金属接触电极作为实施例组；以现有技术中的三种结构制备金属接触电极，即制备Ti/Pt/Au、Pt/Ti/Pt/Au和AuGe/Ni/Au三种结构的金属接触电极作为对比组。
通过在掺杂浓度～1019/cm3厚度为的n-GaAs测试片上，经过光刻，各种金属电极的电子束蒸镀和有机溶剂剥离形成图形，采用“传输线测量”的方法得到各种非合金类接触电极及经过合金热处理工艺(He，250～400℃，1～3分钟)的合金类接触电极的金属接触电阻，并结合范德堡法测量了本征电阻，具体数据见下表。
测试数据显示代替后电极的接触电阻和金属电极本身的导电率基本与相对应的含铂Pt、金Au和金锗AuGe类贵重金属的金属电极基本一致或甚至更低；Ti/Pt/Au金属电极中用钯Pd替代铂Pt并改用铜Cu和银Ag后形成的电极，虽然仍然限制在与高掺杂(～1019cm-3)的半导体外延层结合才能形成低电阻的欧姆电极，但是，该结构的电极在制造成本上的优势明显，且钯Pd对上层的低电阻导电金属的阻隔能力更强，使得器件的可靠性和高温性能有所提高；在此结构上添加一层薄的钯Pd的优点是Pd对化合物半导体表面无可避免的氧化层的渗透很强，虽然在与掺杂浓度略低(～1018cm-3)的半导体结合时仍然表现出肖特基金属电极的特性，但是形成的Pd/Ti/Pd/Cu(或Ag)电极的接触电阻更低，结合强度高，结合更均匀，能与高掺杂的半导体形成高质量、电性能均匀、热稳定性高的欧姆电极；在对合金类的AuGe/Ni/Au电极进行全面替代改性形成的合金类电极Pd/Ge/Cu(或Ag)和Pd/Ge/Ti/Pd/Cu(或Ag)，合金热处理需要的温度(250～300℃)相比金锗合金的热处理所需温度(350～400℃)更低，这使得设计制造掺杂更高、对温度敏感的化合物器件成为可能，加上钯Pd与半导体间共混形成的过渡层厚度很薄，非常可控，使得形成的Pd/Ge类合金电极即保持了改善的粘合强度，粘合均匀性，接触电阻低的优点，又克服了含金Au类材料电极横向延伸广、电极界面模糊、热稳定性差等的缺点，从而使其成为应用范围更广(1018～1019cm-3)、稳定性更高、导电性更好的高质量欧姆接触电极；这两种钯锗Pd/Ge合金类金属电极差别在Pd/Ge/Ti/Pd/Cu(或Ag)的热稳定性更好，这归功于添加的Ti/Pd对化合物半导体和上层低电阻导电金属间的双向扩散阻隔更有效。
此外，单层金属膜和多层金属电极的机械应力测试数据表明，钯Pd膜更致密，应力值由原来铂Pt膜层的拉伸应力显著降低，从而使得最终在形成的金属接触电极的整体机械应力接近0或甚至略微显现压缩应力；这一数据进一步说明替代铂Pt后的金属接触电极的机械强度会更高，且由电极层本身应力对接触面的半导体层的电性能影响也会有所降低。
在对用钯Pd替换的金属接触电极的加工工艺可行性测试中，含钯Pd的金属接触电极也成功地通过了金属与半导体活性区的粘附强度测试，在金属薄膜剥离工艺后的宏观光学显微镜检验和微观扫描电镜检验中均没有出现任何金属薄膜脱离的现象。在对进行了热退火工艺的金属接触电极与半导体接触面间的材料进行了X射线衍射图谱和Auger电子光谱研究分析标明，含钯Pd的金属层电极在与半导体接触的界面的扩散层厚度更薄，更可控，且其具有能穿透半导体表面不可避免的氧化层进而毫无妨碍的与下面的半导体形成各种化合物层，其中与化合物半导体形成金属化合物过度层，也有效防止了金Au、铜Cu、银Ag等低电阻金属材料扩散至半导体界面层中对器件操作性能的影响。此外器件金属电极表面形貌光学显微镜检验，还显示含钯Pd的电极表面的平整度更佳，蒸镀光刻剥离后电极的物理几何形状更接近设计要求，边角平整度更好也大大减少了器件在可靠性测试中由于边角热电应力集中造成的快速性能退化。
最后对器件各种测试结构的电测试数据显示，含铂Pt和含钯Pd金属接触电极器件的各种特征电性能参数，如漏源饱和电流Idss,导通电阻Ro，峰值电压Vp，漏电流Ileak，栅漏击穿电压BVGD，芯片检验测试Die sort test等没有差别，且高温下含钯Pd金属接触电极的器件高温操作寿命(HTOL)测试显示器件的平均加速使用寿命会略微高于含铂Pt金接触电极器件，并且温度循环(Temperature Cycling)测试，焊锡再流动(5X Reflow)等测试结果也较相应的含铂Pt电极基本一样，甚至有不同程度的提高和改善。
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种化合物半导体金属接触电极，其特征在于：
其依次包含金属导电层、粘结层。
2.根据权利要求1所述的一种化合物半导体金属接触电极，其特征在于：
所述的金属导电层为Cu或Ag层。
3.根据权利要求1所述的一种化合物半导体金属接触电极，其特征在于：
所述的粘接层为Ti、Pd或Pd/Ge层。
4.根据权利要求1、3或4所述的一种化合物半导体金属接触电极，其特征在于：
其结构为Pd/Ge/Cu或Pd/Ge/Ag；
其各层厚度依次为100～200埃米、1300～1600埃米、2000～5000埃米。
5.根据权利要求1所述的一种化合物半导体金属接触电极，其特征在于：
其在金属导电层和粘结层之间还设有扩散阻隔层。
6.根据权利要求5所述的一种化合物半导体金属接触电极，其特征在于：
所述的扩散阻隔层为Pd或Ti/Pd层。
7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的一种化合物半导体金属接触电极，其特征在于：
其结构为Ti/Pd/Cu或Ti/Pd/Ag；
其各层厚度依次为100～200埃米、450～550埃米、5000埃米。
8.根据权利要求1、2、3、5或6所述的一种化合物半导体金属接触电极，其特征在于：
其结构为Pd/Ti/Pd/Cu或Pd/Ti/Pd/Ag；
其各层厚度依次为50～100埃米、150～250埃米、400～500埃米、5000埃米。
9.根据权利要求1、2、3、5或6所述的一种化合物半导体金属接触电极，其特征在于：
其结构为Pd/Ge/Ti/Pd/Cu或Pd/Ge/Ti/Pd/Ag；
其各层厚度依次为100～200埃米、1300～1600埃米、150～250埃米、400～500埃米、2000～5000埃米。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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