CN109216171A - 一种降低宽禁带半导体器件欧姆接触电阻的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低宽禁带半导体器件欧姆接触电阻的方法，其中，所述宽禁带半导体器件的材料为III‑V族宽禁带半导体材料，该材料由下至上依次包括衬底、缓冲层、沟道层和合金势垒层，所述方法包括以下步骤：步骤一，沉积钝化层；步骤二，涂覆光刻胶，并形成光刻胶窗口；步骤三，刻蚀钝化层，并形成钝化层窗口；步骤四，涂覆纳米球；步骤五，形成纳米凹槽；步骤六，涂覆光刻胶，并形成光刻胶窗口；步骤七，电子束蒸发或磁控溅射多层金属；步骤八，多层金属的剥离；步骤九，快速热退火，形成欧姆接触。本发明的方法极大增加电极金属与宽禁带半导体的接触面积，降低宽禁带半导体器件的欧姆接触电阻，增强了器件性能，提高工艺效率，降低了工艺成本。
Description
技术领域
本发明涉及宽禁带半导体技术领域，特别是涉及一种基于纳米球光刻与等离子刻蚀技术的降低III-V族宽禁带半导体器件欧姆接触电阻的方法。
背景技术
III-V族宽禁带半导体器件具有宽直接带隙、高电子饱和漂移速度、高击穿场强、抗腐蚀和耐辐射等优点。与硅基器件相比，宽禁带半导体器件的开关速度高，导通电阻小，功率密度大大提升，并可在高温环境工作。宽禁带半导体器件的欧姆接触的好坏很大程度上决定了器件的工作性能。目前实现宽禁带功率器件的欧姆接触的常用方法包括在850-900℃下对多层金属(通常为Ti/Al/X/Au，其中X为阻挡层金属，包括Ni、Pt或Mo)进行快速热退火。该类型欧姆接触的制作方法存在的主要不足是：多层金属与宽禁带半导体材料的接触面积与欧姆接触区域面积相同或更小，欧姆接触电阻率的优化主要通过调整多层金属的厚度组合与退火条件来实现，但是该方法产生欧姆接触电阻通常为大于0.5Ω·mm。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种降低宽禁带半导体器件欧姆接触电阻的方法，该方法利用纳米球光刻技术，无需使用电子束曝光即可在器件欧姆接触电极区域一次形成大量纳米尺度光刻窗口，并利用等离子体刻蚀形成凹槽，极大增加电极金属与宽禁带半导体的接触面积，降低器件的欧姆接触电阻。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种降低宽禁带半导体器件欧姆接触电阻的方法，其特征在于，所述宽禁带半导体器件的材料为III-V族宽禁带半导体材料，该材料由下至上依次包括衬底、缓冲层、沟道层和合金势垒层，所述方法包括以下步骤：
步骤一，沉积钝化层
在所述合金势垒层上沉积Si3N4或SiO2的钝化层；
步骤二，涂覆光刻胶，并形成光刻胶窗口
在步骤一所沉积的钝化层上涂覆光刻胶，并通过光刻显影去除欧姆接触电极区域的光刻胶，形成光刻胶窗口；
步骤三，刻蚀钝化层，并形成钝化层窗口
刻蚀钝化层，完全去除欧姆接触电极区域内的钝化层，形成钝化层窗口，然后去除光刻胶；
步骤四，涂覆纳米球
用纳米球的悬浊液在步骤三所得的III-V族宽禁带半导体材料的表面涂覆单层或双层纳米球；
步骤五，形成纳米凹槽
刻蚀步骤四所获得的III-V族宽禁带半导体材料的表面，形成纳米凹槽，其中由所述单层或双层纳米球作为刻蚀掩膜板，等离子体通过纳米球间隙刻蚀步骤四所获得的III-V族宽禁带半导体材料的表面，从而在所述欧姆接触电极区域刻蚀形成大量纳米凹槽，然后去除表面的纳米球；
步骤六，涂覆光刻胶，并形成光刻胶窗口
在步骤五所获得的III-V族宽禁带半导体材料的表面上涂覆光刻胶，并通过光刻显影去除欧姆接触电极区域内的光刻胶，形成光刻胶窗口；
步骤七，电子束蒸发或磁控溅射多层金属
在步骤六所得的III-V族宽禁带半导体材料的表面上，采用电子束蒸发或磁控溅射多层金属，在欧姆接触电极区域，所述多层金属直接与所述合金势垒层接触；
步骤八，多层金属的剥离
将步骤七所得III-V族宽禁带半导体材料的欧姆接触电极区域外的光刻胶与多层金属剥离；
步骤九，快速热退火，形成欧姆接触
采用快速热退火，在600-900℃氮气氛围下快速热退火30-60s，形成欧姆接触。根据本发明的一些实施例，步骤一的沉积钝化层是通过等离子体增强化学气相沉积或感应耦合等离子化学气相沉积进行的，所述钝化层厚度为20～100nm。
根据本发明的一些实施例，所述纳米球的材料为聚苯己烯、氧化硅或硅，其直径为20～100nm，所述的纳米球的悬浊液质量百分比为5％至40％，溶剂为水或乙醇。
根据本发明的一些实施例，所述纳米球的直径等于钝化层厚度。
根据本发明的一些实施例，步骤四中采用旋涂法涂覆纳米球，转速为1000至8000转每分钟。
根据本发明的一些实施例，步骤二与步骤六所述光刻胶的厚度为0.5-1.5μm。
根据本发明的一些实施例，步骤九中的快速热退火在800℃氮气氛围下快速热退火30s。
根据本发明的一些实施例，步骤五所得的纳米凹槽的深度为小于、等于或大于所述势垒层的厚度，优选的纳米凹槽的深度为所述势垒层的厚度的一半。
根据本发明的一些实施例，步骤五中的刻蚀采用等离子体刻蚀，包括用于刻蚀宽禁带半导体材料的氯基含氯的气体等离子体刻蚀与用于修饰纳米球直径尺寸的氧基含氧或氟基含氟的等离子体刻蚀。
根据本发明的一些实施例，步骤七所述多层金属为Ti/Al/Ni/Au或者Ti/Al/Ni/TiN的四层金属，其厚度依次为30/120/50/50nm，其中Ni金属可替换为Ti、Mo或者Pt；或所述多层金属也可以为三层Ti/Al/TiN金属，其厚度依次为30/120/50nm。
根据本发明的一些实施例，所述衬底的材料为SiC、Al2O3或Si，所述缓冲层和沟道层的材料为AlN、GaN或AlGaN等，所述势垒层的材料为AlGaN、AlN、InAlN或InAlGaN。
本发明的有益效果为：
本发明的一种降低宽禁带半导体器件欧姆接触电阻的方法，利用单层或双层纳米球做为掩膜，通过光刻与等离子刻蚀，无需使用电子束曝光即可在器件欧姆接触电极区域一次形成大量纳米尺度凹槽，极大增加电极金属与宽禁带半导体的接触面积，降低宽禁带半导体器件的欧姆接触电阻，增强了器件性能，提高工艺效率，降低了工艺成本。
本发明的一种降低宽禁带半导体器件欧姆接触电阻的方法，可广泛适用于各种管近代半导体器件的制造，并且与传统硅工艺、LED工艺以及高电子迁移率晶体管工艺兼容。该方法也可以应用在硅基器件或其他器件上，同样因其具有的极大增加欧姆接触面积的作用，可以降低硅基器件的欧姆接触电阻。
附图说明
下面参照附图以及具体实施方案对本发明作进一步的详细说明：
图1是本发明的一种降低宽禁带半导体器件欧姆接触电阻的方法的工艺流程图。
图2是一种宽禁带半导体材料，包括材料为SiC、Al2O3或Si的衬底1，材料为GaN或AlGaN等的缓冲层和沟道层2，材料为AlGaN、AlN、InAlN或InAlGaN等III-V族半导体材料的合金势垒层3。
图3是沉积Si3N4或SiO2钝化层后的示意图，包括Si3N4或SiO2钝化层4。
图4是涂覆光刻胶并光刻显影去除欧姆接触电极区域的光刻胶后的示意图，包括光刻胶5，欧姆接触电极区域6。
图5是刻蚀去除欧姆接触电极区域内的钝化层后的示意图。
图6是涂覆单层纳米球后的示意图，包括材料为聚苯己烯(PS)，氧化硅(SiO2)或硅(Si)的纳米球7。
图7是涂覆单层纳米球后欧姆接触电极区域内的俯视图。
图8是涂覆单层纳米球后欧姆接触电极区域内的球间空隙的俯视图，包括示意的球间空隙8。
图9是涂覆双层纳米球后的示意图。
图10是涂覆双层纳米球后欧姆接触电极区域内的俯视图。
图11是涂覆双层纳米球后欧姆接触电极区域内的球间空隙的俯视图。
图12是等离子刻蚀图6所示结构后形成纳米凹槽的示意图，包括纳米凹槽9。
图13是等离子刻蚀图9所示结构后形成纳米凹槽的示意图。
图14是去除纳米球后的示意图。
图15是再次涂覆光刻胶后的示意图。
图16是光刻显影去除欧姆接触电极区域的光刻胶后的示意图。
图17是电子束蒸发或磁控溅射多层金属后的示意图，包括材料为Ti/Al/Ni/Au，Ti/Al/Ni/TiN的四层金属10，其中Ni金属可替换为Ti、Mo或者Pt；或者Ti/Al/TiN三层金属10。
图18是金属剥离后的示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细说明。
实施例1
步骤一，沉积钝化层，材料为Si3N4
采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)在宽禁带半导体材料表面沉积一层100nm的Si3N4钝化层；
步骤二，涂覆光刻胶，并光刻显影去除欧姆接触电极区域的光刻胶
在步骤一所沉积的钝化层上涂覆光刻胶AZ5214E，经过90℃前烘90s，紫外光6s曝光，2.38％四甲基氢氧化铵溶液45s显影，去除欧姆接触电极区域内的光刻胶，形成光刻胶窗口，并110℃后烘30s；
步骤三，刻蚀钝化层，去除欧姆接触电极区域内的钝化层，去除光刻胶
采用RIE(反应离子刻蚀)刻蚀钝化层，工作气体为CF4与O2，射频功率100W，时间60s，完全去除步骤二所形成的光刻窗口内的Si3N4钝化层，形成钝化层窗口，此后将衬底在丙酮中超声去除光刻胶；
步骤四，涂覆纳米球，材料为氧化硅(SiO2)
使用直径100nm的氧化硅(SiO2)纳米球的悬浊液，溶剂为水，质量比为20％。采用旋涂法，8000转每分钟转速下30s，在步骤三所的衬底表面涂覆单层氧化硅纳米球；
步骤五，刻蚀宽禁带半导体表面，形成纳米凹槽
采用RIE(反应离子刻蚀)刻蚀步骤四所获得的衬底。由单层纳米球作为刻蚀掩膜板，工作气体为Cl2与BCl3，射频功率50W，时间60s。等离子体可通过纳米球间隙刻蚀宽禁带半导体材料表面，在欧姆接触电极区域刻蚀形成大量纳米凹槽。此后采用超声清洗去除表面纳米球；
步骤六，涂覆光刻胶，并光刻显影去除欧姆接触电极区域的光刻胶
在步骤五所获得的衬底上涂覆光刻胶，经过与步骤二条件相同的前烘、曝光、显影、后烘，去除欧姆接触电极区域内的光刻胶，形成光刻胶窗口；
步骤七，电子束蒸发镀膜多层金属
采用电子束蒸发镀膜四层Ti/Al/Ni/Au金属，在欧姆接触电极区域直接与宽禁带半导体材料表面接触；
步骤八，多层金属的剥离
将步骤七所得衬底依次放入丙酮中浸泡30min，丙酮超声2min，异丙醇超声2min，去离子水清洗，将欧姆接触电极区域外的光刻胶与多层金属剥离；
步骤九，快速热退火，形成欧姆接触
采用快速热退火，在850℃氮气氛围下快速热退火45s，形成宽禁带半导体器件欧姆接触。
实施例2
步骤一，沉积钝化层，材料为SiO2
采用ICPCVD(感应耦合等离子体化学气相沉积)在宽禁带半导体材料表面沉积一层50nm的SiO2钝化层；
步骤二，涂覆光刻胶，并光刻显影去除欧姆接触电极区域的光刻胶
在步骤一所沉积的钝化层上涂覆光刻胶AZ5214E，经过90℃前烘90s，紫外光6s曝光，2.38％四甲基氢氧化铵溶液45s显影，去除欧姆接触电极区域内的光刻胶，形成光刻胶窗口，并110℃后烘30s；
步骤三，刻蚀钝化层，去除欧姆接触电极区域内的钝化层，去除光刻胶
采用ICPRIE(感应耦合等离子体刻蚀)刻蚀钝化层，工作气体为SF6与O2，射频功率120W，时间60s，完全去除步骤二所形成的光刻窗口内的SiO2钝化层，形成钝化层窗口，此后将衬底在丙酮中超声去除光刻胶；
步骤四，涂覆纳米球，材料为聚苯己烯(PS)
使用直径50nm的聚苯己烯(PS)纳米球的悬浊液，溶剂为乙醇，质量比为10％。采用旋涂法，3000转每分钟转速下45s，在步骤三所的衬底表面涂覆双层聚苯己烯纳米球；
步骤五，等离子体刻蚀调整聚苯己烯纳米球直径，等离子体刻蚀宽禁带半导体表面，形成纳米凹槽
采用RIE(反应离子刻蚀)工作气体为O2，射频功率为50W，时间为2min，将聚苯己烯纳米球刻蚀至直径30nm，此时纳米球间隙增大。采用ICPRIE(感应耦合等离子体刻蚀)刻蚀步骤四所获得的衬底。由双层纳米球作为刻蚀掩膜板，等离子刻蚀工作气体为Cl2与BCl3，射频功率100W，时间60s。等离子体可通过纳米球间隙刻蚀宽禁带半导体材料表面，在欧姆接触电极区域刻蚀形成大量纳米凹槽。对纳米球的等离子体刻蚀处理可以调整纳米球直径与间距，进而调整纳米凹槽的宽度尺寸。此后采用超声清洗去除表面纳米球；
步骤六，涂覆光刻胶，并光刻显影去除欧姆接触电极区域的光刻胶
在步骤五所获得的衬底上涂覆光刻胶，经过与步骤二条件相同的前烘、曝光、显影、后烘，去除欧姆接触电极区域内的光刻胶，形成光刻胶窗口；
步骤七，多层金属
采用磁控溅射镀膜四层Ti/Al/Ni/TiN金属，在欧姆接触电极区域直接与宽禁带半导体材料表面接触；
步骤八，多层金属的剥离
将步骤七所得衬底依次放入丙酮中浸泡30min，丙酮超声2min，异丙醇超声2min，去离子水清洗，将欧姆接触电极区域外的光刻胶与金属剥离；
步骤九，快速热退火，形成欧姆接触
采用快速热退火，在800℃氮气氛围下快速热退火30s，形成宽禁带半导体器件欧姆接触。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种降低宽禁带半导体器件欧姆接触电阻的方法，其特征在于，所述宽禁带半导体器件的材料为III-V族宽禁带半导体材料，该材料由下至上依次包括衬底、缓冲层、沟道层和合金势垒层，所述方法包括以下步骤：
步骤一，沉积钝化层
在所述合金势垒层上沉积Si3N4或SiO2的钝化层；
步骤二，涂覆光刻胶，并形成光刻胶窗口
在步骤一所沉积的钝化层上涂覆光刻胶，并通过光刻显影去除欧姆接触电极区域的光刻胶，形成光刻胶窗口；
步骤三，刻蚀钝化层，并形成钝化层窗口
刻蚀钝化层，完全去除欧姆接触电极区域内的钝化层，形成钝化层窗口，然后去除光刻胶；
步骤四，涂覆纳米球
用纳米球的悬浊液在步骤三所得的III-V族宽禁带半导体材料的表面涂覆单层或双层纳米球；
步骤五，形成纳米凹槽
刻蚀步骤四所获得的III-V族宽禁带半导体材料的表面，形成纳米凹槽，其中由所述单层或双层纳米球作为刻蚀掩膜板，等离子体通过纳米球间隙刻蚀步骤四所获得的III-V族宽禁带半导体材料的表面，从而在所述欧姆接触电极区域刻蚀形成大量纳米凹槽，然后去除表面的纳米球；
步骤六，涂覆光刻胶，并形成光刻胶窗口
在步骤五所获得的III-V族宽禁带半导体材料的表面上涂覆光刻胶，并通过光刻显影去除欧姆接触电极区域内的光刻胶，形成光刻胶窗口；
步骤七，电子束蒸发或磁控溅射多层金属
在步骤六所得的III-V族宽禁带半导体材料的表面上，采用电子束蒸发或磁控溅射多层金属，在欧姆接触电极区域，所述多层金属直接与所述合金势垒层接触；
步骤八，多层金属的剥离
将步骤七所得III-V族宽禁带半导体材料的欧姆接触电极区域外的光刻胶与多层金属剥离；
步骤九，快速热退火，形成欧姆接触
采用快速热退火，在600-900℃氮气氛围下快速热退火30-60s，形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一的沉积钝化层是通过等离子体增强化学气相沉积或感应耦合等离子化学气相沉积进行的，所述钝化层厚度为20～100nm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米球的材料为聚苯己烯、氧化硅或硅，其直径为20～100nm，所述的纳米球的悬浊液质量百分比为5％至40％，溶剂为水或乙醇。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述纳米球的直径等于钝化层厚度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四中采用旋涂法涂覆纳米球，转速为1000至8000转每分钟。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二与步骤六所述光刻胶的厚度为0.5-1.5μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤九中的快速热退火在800℃氮气氛围下快速热退火30s。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤五所得的纳米凹槽的深度为小于、等于或大于所述势垒层的厚度，或者所述纳米凹槽的深度为所述势垒层的厚度的一半。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤五中的刻蚀采用等离子体刻蚀，包括用于刻蚀宽禁带半导体材料的氯基含氯的气体等离子体刻蚀与用于修饰纳米球直径尺寸的氧基含氧或氟基含氟的等离子体刻蚀。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤七所述多层金属为Ti/Al/Ni/Au或者Ti/Al/Ni/TiN的四层金属，其厚度依次为30/120/50/50nm，其中Ni金属可替换为Ti、Mo或者Pt；或所述多层金属也可以为三层Ti/Al/TiN金属，其厚度依次为30/120/50nm。
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