Оптимизация омических контактов к AlGaN/GaN-транзисторам с высокой подвижностью электронов

УДК 621.382.323

Л.Э. Великовский, П.Е. Сим

Оптимизация омических контактов к AlGaN/GaN-транзисторам с высокой подвижностью электронов

Рассматриваются проблемы оптимизации состава омических контактов к транзисторам с высокой подвижностью электронов на основе гетероструктуры AlxGa1--xN/GaN, сформированной на подложках из кремния, сапфира и карбида кремния. В результате проведения исследований были найдены зависимости контактного сопротивления от соотношения толщин слоев металлизации на основе Ti/Al/Mo/Au. Оптимизированный состав контактной металлизации обеспечивает низкое контактное сопротивление (0,3-0,5 Ом*мм) при гладкой морфологии поверхности омических контактов.

Ключевые слова: транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), быстрый термический отжиг, омические контакты, метод длинных линий, нитрид галлия.

Сопротивление омических контактов оказывает сильное влияние на важнейшие параметры СВЧ-транзисторов на основе GaN. Для производства таких транзисторов необходимо минимизировать разброс сопротивления омических контактов по пластине и от пластины к пластине, а также обеспечить приемлемые для использующейся технологии производства рельеф поверхности и неровность границ контактов.

В литературе проблемы качества омических контактов связывают с образованием в ходе отжига высокоомных соединений Al2O3, Au5Al2 и AuAl2 [1-3], а также с неоптимальным составом слоев металлизации контакта [2, 4]. Поэтому для решения задачи по оптимизации технологии и структуры формирования контактов необходим учет всех факторов, влияющих на формирование контакта, и глубокое понимание химических реакций, происходящих в процессе отжига металлизации контакта.

Самым распространенным типом металлизации омических контактов является система Ti/Al/Барьерный слой/Au. Механизм формирования омического контакта к AlGaN/GaN до конца не изучен, но известно, что для образования низкоомного контакта к GaN необходимо образование TiN на границе и в глубине нитрида галлия. Для получения одновременно низкого контактного сопротивления и минимального рельефа поверхности в качестве барьерного слоя было предложено использовать молибден [4-7]. Поскольку для используемой при производстве транзисторов технологии минимизация рельефа поверхности является одним из важных критериев оценки качества контактов, для исследования была выбрана структура металлизации, содержащая молибден в качестве барьерного слоя (Ti/Al/Mo/Au).

Экспериментальная часть. Слои Ti/Al/Mo/Au на исследуемых образцах были сформированы методом электронно-лучевого напыления. Для формирования контактов полученные образцы помещались в установку быстрого термического отжига и отжигались в диапазоне температур 780900 °C в течение 30 с в атмосфере азота при давлении 40-375 мм рт. ст. Измерение контактного и слоевого сопротивления производилось методом длинных линий (TLM).

В результате проведенных исследований были получены данные по более чем 200 экспериментальным образцам. Они включали величины контактных сопротивлений, внешнего вида, рельефа и слоевого сопротивления образцов для различных материалов подложки (кремний, сапфир и карбид кремния) и режимов быстрого термического отжига. На рис. 1 представлена часть полученных экспериментальных данных. Наименьшим значением контактного сопротивления обладали структуры со следующими толщинами титана и алюминия: 20/50, 30/75, 45/75 нм, но с учетом того, что температура процесса быстрого термического отжига оказывает прямое влияние на морфологию поверхности омических контактов, с технологической точки зрения наибольший интерес представляет структура с толщинами Ti/Al/ 20/50 нм, так как имеет низкое значение контактного сопротивления при наименьшей температуре. По характеру кривой для данной структуры можно предположить, что минимум контактного сопротивления должен соответствовать температурам быстрого термического отжига ниже 830 °C. Таким образом, оптимальная температура, позволяющая достичь значений контактного сопротивления в диапазоне 0,3-0,5 Ом*мм для данной структуры составила 800 °C.

Рис. 1. Зависимость контактного сопротивления от температуры быстрого термического отжига для образцов с различным соотношением толщин Ti/Al

После того как были найдены оптимальные соотношения толщин Al/Ti (20/50 нм), была проведена серия напылений и проанализированы полученные данные (рис. 2).

1

0,9

0,8

0,7

I 0,6

- о 0,5

as 0,4

0,3

0,2

0,1

0

Среднее значение = 0,36 Ом-мм Стандартное отклонение — 0,04

Т т

к Í i. I z

А т

1 2 3 4 Нои 5 iep об 6 зазца 7 8 9 10

Рис. 2. Разброс значения контактного сопротивления для серии образцов ваМ на БЮ

Таким образом, на данных образцах, помимо низкого значения контактного сопротивления, удалось добиться воспроизводимости результатов, являющейся критичной для производства.

На рис. 3 показан внешний вид образцов после отжига омических контактов, из которого видно, что поверхность оптимизированной структуры контакта имеет более мелкий рельеф при ровной границе края контакта по сравнению со структурой Т1/А1/№/Аи.

ПШ1Е

Рис. 3. Внешний вид омических контактов к АЮа^ваМ НЕМТ при увеличении 1500х:

а - Т/А1/№/Аи; б - Т1/А1/Мо/Аи

а

Для определения профиля элементного и химического состава металлизации контакта, образцы были исследованы методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Из представленного на рис. 4 элементного профиля по глубине видно, что при отжиге Т1/Л1/Мо/Ли, происходит сильное перемешивание слоев металлизации контакта, в результате которого на поверхности оказывается оксид алюминия. В качестве барьерного слоя молибден, очевидно, не препятствует диффузии алюминия к поверхности контакта, однако его отсутствие отрицательно сказывается на рельефе и на контактном сопротивлении. Несмотря на перемешивание слоев металлов, в контакте не обнаружено

присутствия соединений золота с алюминием Ли5Л12 и ЛиЛ12. Это является значительным отличием Т1/Л1/Мо/Ли состава металлизации от часто используемого Т1/Л1/№/Ли. Азот при отжиге диффундирует из ваК вверх, формируя Т1К, что согласуется с литературными данными [1, 6-8]. Известно, что вакансии азота выступают в качестве донорных примесных центров в ваК, уменьшая ширину барьера и позволяя получить на образцах низкое значение контактного сопротивления.

Рис. 4. Элементный профиль по глубине для Т1/Л1/Мо/Ли омических контактов после отжига

ГлуЬива. :г4

Несмотря на то, что в сериях экспериментов на образцы с AlGaN/GaN гетероструктурами, выращенными на подложках сапфира, карбида кремния и кремния, омические контакты наносились в одном процессе, при проведении совместной операции быстрого термического отжига образцов этих трех видов низкого контактного сопротивления удалось добиться только на образцах, выращенных на подложках кремния и сапфира. Более высокое сопротивление образцов на 4H-SiC (0,5-0,6 Ом-мм) может быть связано с динамикой нагрева подложки в процессе отжига, не позволяющей быстро нагревать образцы. Решение этой проблемы было найдено в достижении однородности нагрева и увеличении мощности подаваемой на галогенные лампы установки быстрого термического отжига.

Литература

1. Correlation of contact resistance with microstructure for Au/Ni/Al/Ti/AlGaN/GaN ohmic contacts using transmission electron microscopy / A.N. Bright, P.J. Thomas, M. Weyland et al. // Journal of Applied Physics (New York). - 2001. - Vol. 89, №6. - P. 3143-3151.

2. Comparative study of Ti/Al/Mo/Au, Mo/Al/Mo/Au, and V/Al/Mo/Au ohmic contacts to AlGaN/GaN heterostructures / D. Selvanathan, F. M. Mohammed, A. Tesfayesus, I. Adesida // Journal of Vacuum Sceience & Technology B (New York). - 2004. - Vol. 22, № 5. - P. 2409-2417.

3. Транзистор на GaN пока самый «крепкий орешек» / В. Данилин, Т. Жукова, Ю. Кузнецов и др. // НТБ Электроника (Смоленск). - 2005. - № 4. - С. 20-29.

4. Optimization of AlGaN/GaN HEMT Ohmic Contacts for Improved Surface Morphology with Low Contact Resistance / H.P. Xin, S. Poust, W. Sutton et al. // CS Mantech conference (Beaverton). - 2010. № 9. - P. 149-152.

5. Reliable Ti/Al and Ti/Al/Ni/Au ohmic contacts to n-type GaN formed by vacuum annealing / N.A. Papanicolaou, M.V. Rao, J. Mittereder, W.T. Anderson // Journal of Vacuum Sceience & Technology B (New York). - 2001. - Vol. 19, № 1. - P. 261-268.

6. Investigation of Ta/Ti/Al/Ni/Au ohmic contact to AlGaN/GaN heterostructure field-effect transistor / K.H. Kim, C.M. Jeon, S.H. Oh et al. // Journal of Vacuum Sceience & Technology B (New York). -2005. - Vol. 23, № 1. - P. 322-327.

7. Ohmic contact formation mechanism of Ta/Al/Mo/Au and Ti/Al/Mo/Au metallizations on AlGaN/GaN HEMTs / F.M. Mohammed, L. Wang, D. Selvanathan et al. // Journal of Vacuum Sceience & Technology B (New York). - 2005. - Vol. 23, № 6. - P. 2330-2336.

8. The role of Al on Ohmic contact formation on n-type GaN and AlGaN/GaN / B. Van Daele, G. Van Tendeloo, W. Ruythooren et al. // Applied physics letters (New York). - 2005. - Vol. 87, № 6. - P. 061905.

Великовский Леонид Эдуардович

Главный технолог НПК «Микроэлектроника», НПФ «Микран», Томск Тел.: 8-913-880-13-41 Эл. почта: level@micran.ru

Сим Павел Евгеньевич

Магистрант каф. физической электроники ТУСУРа Тел.: 8-923-417-11-10 Эл. почта: nezt@ya.ru

Velikovsky L.E., Sim P.E.

Optimization of ohmic contacts for AlGaN/GaN high electron mobility transistors

A new manufacturing process was developed for optimization of ohmic contacts for AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors on silicon carbide, silicon and sapphire substrates. It has been demonstrated that by using Ti/Al/Mo/Au metallization, ohmic contacts with both smooth surface morphology and a low contact resistance (0.3-0.5 Ohm*mm) can be obtained.

Keywords: high electron mobility transistor (HEMT), rapid thermal annealing (RTA), ohmic contacts, transmission line method (TLM), gallium nitride (GaN).