在AlGaN/GaN HEMT中实现欧姆接触的受控 recess 蚀刻

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Controlled recess etching of ohmic contacts in AlGaN/GaN HEMTs

【字体：大中小】 时间：2026年04月29日 来源：Materials Science in Semiconductor Processing 4.6

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意大利阿格拉特布里安扎（Agrate Brianza）的意法半导体公司（STMicroelectronics）

摘要

本研究报道了在AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（HEMTs）中控制AlGaN势垒凹陷的先进工艺，这对于实现低电阻欧姆接触至关重要。特别是，介绍了一种基于CH₂F₂/CF₄/He等离子体化学的全干法刻蚀新方法，该方法在去除氧化铝（AlO₂）时对AlN和AlGaN具有出色的选择性。同时评估了偏压脉冲刻蚀的有益效果。研究结果表明，这种创新的基于氟（F）的化学方法和脉冲工艺能够实现精确的势垒凹陷，且溅射损伤较低，从而显著提升了器件性能。电学特性分析显示，凹陷深度与接触电阻之间存在强烈的非线性关联，这表明为了获得最佳的电学响应，必须严格控制工艺过程。脉冲偏压技术特别提供了精细的刻蚀速率控制，从而实现了有效减薄势垒与保持沟道完整性的平衡。这些发现强调了精确控制AlGaN势垒凹陷在最小化接触电阻和提升HEMT器件整体性能方面的关键作用。此外，还提出了一种优化后的工艺，用于在干法刻蚀后去除有机和金属有机残留物，进一步改善了欧姆接触的电阻。

引言

氮化镓（GaN）因其优异的物理特性而被广泛认为是功率电子器件的理想材料。其宽禁带、高临界电场强度和低本征载流子浓度使其能够在更高的电压、温度和频率下工作，与基于硅的器件相比能耗显著降低。在GaN基技术中，AlGaN/GaN异质结构在AlGaN/GaN界面处具有二维电子气（2DEG）特性。这一独特特性源于压电极化梯度，使得这类器件本质上是常导型的。为了实现常关型工作模式（这在功率电子器件中更为理想），通常会采用肖特基pGaN栅极[1][2]。

除了定义器件电学行为的pGaN栅极外，源极和漏极接触（本文中称为欧姆接触）也是影响器件整体导通电阻（R_ON）性能的关键组件。流经2DEG沟道的电流实际上受到欧姆接触本身的直接影响，因此其定义具有挑战性。为此，诸如湿法清洗、等离子体处理以及通过干法刻蚀进行精确凹陷等加工步骤对于器件制造至关重要，这些步骤能够调节接触电阻（R_c）[3]。

通常使用等离子体工艺来凹陷AlGaN势垒，但由于刻蚀是在一系列钝化AlGaN表面的薄介电层上进行的，因此工艺控制非常具有挑战性[4]。此外，有效去除刻蚀副产物是半导体器件制造中的关键步骤，因为表面污染物会显著影响器件性能和可靠性[5]。本研究针对单片GaN 100V功率器件中的欧姆接触进行了优化，重点在于通过精确控制AlGaN势垒凹陷和表面清洗工艺来调节接触电阻。研究了两种刻蚀方法：单步脉冲偏压（BP）刻蚀和结合CH₂F₂等离子体与BP工艺的双步法。结果表明，脉冲偏压刻蚀方法能够始终获得更低的R_c值。此外，还优化了等离子体干法去除技术，以在金属化前清除接触表面的有机残留物。高氧流量等离子体工艺在清除碳基残留物方面比其他方法更有效，从而显著降低了R_c值并使其更加均匀。经过控制凹陷和O₂等离子体表面清洗后，通过物理气相沉积（PVD）技术沉积Ti/AlCu/Ti/TiN金属层并经过500°C以上的快速热退火处理来形成欧姆接触。总体而言，通过脉冲偏压等离子体控制AlGaN凹陷和增强表面清洗的联合策略显著降低了接触电阻，使器件的R_ON提高了22.5%。本研究中实现的最低接触电阻约为0.2 Ω·mm，与现有文献中报道的AlGaN/GaN HEMTs中凹陷和等离子体处理后的欧姆接触电阻值相当[5][6][7][8]。这些发现为通过精细的欧姆接触工程提升GaN功率器件性能提供了途径。

章节摘录

样品描述和干法刻蚀方法

AlGaN/GaN HEMTs器件的制备始于8英寸、厚度为1毫米的Si [111]衬底，在其上生长GaN外延层，并覆盖一层AlGaN势垒。随后沉积一系列介电层作为AlGaN的钝化层。具体来说，该层叠结构包括几纳米的AlN和Al₂O₃，以及顶部的几十纳米氮化硅（SiN）。AlN和Al₂O₃层是通过原子层沉积（ALD）技术沉积的，而SiN层则是通过等离子体增强沉积技术沉积的

单步法

为了实现对接触凹陷的良好控制，我们采用了传统的BCl₃/Cl₂ ICP等离子体工艺，并在较低的压力（几毫托）下进行刻蚀，以促进高效溅射。偏压被设定为一个固定值，足够高以避免刻蚀停止；同时，通过200 Hz的偏压脉冲（BP）保证了相对于连续波（CW）工艺更低的刻蚀速率（ER）。脉冲偏压的优势在于能够降低刻蚀速率，从而增强工艺控制能力，同时避免

双步法

虽然上述单步工艺是最保守的工艺控制方式，但如果要消除AlGaN凹陷对氧化铝厚度变化的依赖性，则需要采用完全不同的工艺。为此，我们开发了一种基于非传统CH₂F₂/CF₄/He等离子体的全干法工艺，用于在AlN上刻蚀Al₂O₃。尽管基于氟的等离子体通常不用于刻蚀富铝层，但我们开发的这种方法

电学结果：最佳AlGaN凹陷控制

在完成形态学表征后，我们进行了电学实验，包括使用脉冲偏压的单步刻蚀和结合CH₂F₂等离子体的双步法，并将其与参考的连续波（POR）工艺进行了比较。实验中唯一可调的参数是刻蚀时间，以探索AlGaN势垒的浅凹陷区域。实验结果表明

电学结果：不同刻蚀方法的比较

前一节中的电学结果清楚地表明，AlGaN凹陷是获得最佳Rc的关键参数。然而，这并不是唯一因素，因为即使AlGaN残余层厚度相同，采用不同刻蚀工艺的晶圆也会表现出不同的电阻值。

特别是，如图10所示，单步BP方法的Rc值低于双步法和POR方法。

比较单步和双步工艺的具体情况，可以发现

干法去除工艺和表征

结论

在本文中，我们提出了通过优化刻蚀工艺和干法去除过程来改善AlGaN/GaN HEMTs接触电阻的不同策略。我们发现，受控且低损伤的干法刻蚀步骤对于最小化器件Rc至关重要，因为使用脉冲偏压方法获得的约3纳米的AlGaN残余层可以实现最低的Rc值。通过富含氧的等离子体干法去除可以进一步降低电阻

CRediT作者贡献声明

塞莱娜·科伦坡（Selene Colombo）：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。布鲁诺·莫伊奥（Bruno Moio）：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。法布里齐奥·托亚（Fabrizio Toia）：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。芭芭拉·克雷莫内西（Barbara Cremonesi）：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。斯特凡诺·科伦坡（Stefano Colombo）：撰写——初稿。西尔维娅·万杰利斯塔（Silvia Vangelista）：撰写——初稿。毛里齐奥·莫斯凯蒂（Maurizio Moschetti）：撰写——初稿。路易西托·利韦拉拉（Luisito Livellara）：撰写——初稿。保罗·科尔帕尼（Paolo Colpani）：验证与监督。

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