CN105097910A - 氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极，包括依次连接的氮化镓层、势垒层、势垒金属层、栅帽金属层，以及设于所述势垒金属层和所述栅帽金属层之间的应力缓冲层；所述应力缓冲层包括缓冲金属层，所述缓冲金属层的热膨胀系数与所述势垒层以及势垒金属层的热膨胀系数相差在预设范围内。本发明充分考虑热失配对GaN基HEMT的影响，在GaN基HEMT栅电极势垒金属层和栅帽金属层间插入应力缓冲层，应力缓冲层在选材时应注重其热学特性参数，使应力缓冲层能够承受热失配导致的张应力，从而大幅度降低势垒层和势垒金属层中的张应力，避免因热失配产生的裂纹，提升GaN基HEMT器件的可靠性。

Description

氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极

技术领域

本发明涉及高电子迁移率晶体管器件领域，特别是涉及一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极。

背景技术

以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料，是继以硅(Si)为代表的第一代半导体材料和以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料之后，在近十年迅速发展起来的新型半导体材料。GaN材料具有宽带隙、大电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点，特别适合制作高频、高效率、耐高温、耐高电压的大功率微波器件，基于GaN的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)具有输出功率密度大、耐高温、耐辐照等特点，能满足下一代电子装备对微波功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣条件(更高温度)下工作的要求，可广泛应用于微波毫米波频段尖端电子装备，且在民用通信基站等领域也有广泛的应用，越来越受到高度重视。GaN器件是目前全球半导体研究的前沿和热点，是各国竞相占领的战略技术制高点。尽管GaN基HEMT器件日趋成熟，但随着各领域的广泛应用，对器件可靠性提出了更高的要求。

HEMT器件的肖特基接触结构示意图如图1所示，势垒层和与势垒层直接接触的肖特基接触金属层(以下简称势垒金属层)中的张应力导致的势垒层裂纹是器件出现永久性退化的主要失效机理之一,降低势垒层和与势垒金属层中的张应力是提升器件可靠性的关键。其中张应力来源包括：AlGaN势垒层与GaN沟道层晶格失配导致的内应力，逆压电效应导致在峰值电场处出现的张应力，以及栅帽金属材料与势垒层金属以及AlGaN势垒层热失配导致的张应力等。

GaN基HEMT器件基本几何结构和工艺结构如图2所示，AlGaN/GaN异质结是目前最为广泛使用也是最为成熟的材料外延结构,由于晶格失配，AlGaN势垒层中存在张应力,应力的存在是形成沟道二维电子气的关键，但晶格失配也是导致器件势垒层裂纹的一个重要原因；采用晶格匹配的AlInN材料作为势垒层是降低势垒层应力的一个方法，但AlInN材料生长困难，均匀性较差，降低了二维电子气的迁移率，同时也增加了制造低接触电阻的欧姆接触的难度，因此，目前GaN基HEMT器件产品仍以AlGaN作为势垒层。

GaN基材料体系存在的极化效应是在AlGaN/GaN异质结界面处形成沟道二维电子气的关键，也是构建AlGaN/GaN器件的关键；但极化效应也是一把双刃剑，逆压电效应导致的张应力是导致器件退化的重要机理之一，具体来说，当器件的漏极加上较高的漏极电压时，势必在栅靠漏边沿形成高的峰值电场，由于逆压电效应，栅靠漏边沿的峰值电场处的势垒中将产生较大的张应力，从而导致势垒层出现裂纹等结构损伤，最终导致器件输出特性的显著退化。通常，场板技术被用来降低峰值电场的大小，当栅帽金属层宽度大于栅脚尺寸时，可以形成栅极场板，降低栅脚处的峰值电场。制作栅场板和栅帽层的材料优选为金(Au)，因为具备低阻、良好的化学稳定性以及工艺成熟等优点，但由于Au材料(Au的热膨胀系数为14.2x10^-6/K)和GaN材料(GaN材料的a轴热膨胀系数为5.59x10^-6/K)以及势垒金属层(例如势垒金属钨的热膨胀系数为4.5x10^-6/K)的热膨胀系数存在较大的差异，当器件高温工作时，势必在势垒层和势垒金属层产生张应力，这个张应力是栅金属下方出现裂纹等结构损伤的重要原因。如图3所示，高温工作产生张应力后栅金属与半导体层热失配导致栅下方势垒层出现微裂纹。另外，如图4所示，金属扩散至裂纹中，导致裂纹进一步扩展；当裂纹扩展至沟道的二维电子气处时，导致沟道开路，输出电流下降；当金属继续往下扩散，与二维电子气短路时，栅上电流急剧增加，导致器件出现灾难性烧毁。图5所示，扩散至裂纹中的金属是栅帽金属Au，这与Au的扩散系数较大有关，Au的扩散也是导致裂纹进一步扩展的重要原因。

综上所述，现有的GaN基HEMT虽然具有输出功率密度大、耐高温、耐辐照等优点，但其可靠性存在不足，不能满足微波毫米波频段尖端电子装备或民用通信基站等领域的要求。

发明内容

基于此，为解决上述问题，本发明提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极结构，在势垒金属层和栅帽金属间增加应力缓冲层，降低势垒层和势垒金属层的张应力，避免出现裂纹，提升器件的可靠性，满足各领域的使用需求。

为实现上述目的，本发明实施例中采用如下技术方案：

一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极，包括依次连接的氮化镓层、势垒层、势垒金属层、栅帽金属层，以及设于所述势垒金属层和所述栅帽金属层之间的应力缓冲层；所述应力缓冲层包括缓冲金属层，所述缓冲金属层的热膨胀系数与所述势垒层以及势垒金属层的热膨胀系数相差在预设范围内。

本发明充分考虑了热失配对GaN基HEMT的影响，在栅电极势垒金属层和栅帽金属层间插入应力缓冲层，该应力缓冲层中的金属缓冲层的热膨胀系数与势垒层以及势垒金属层相接近，使应力缓冲层能够承受热失配导致的张应力，从而大幅度降低势垒层和势垒金属层中的张应力，避免因热失配产生的裂纹，提升GaN基HEMT器件的可靠性。

附图说明

图1为HEMT器件的肖特基接触结构示意图；

图2为GaN基HEMT器件基本几何结构和工艺结构示意图；

图3为传统GaN基HEMT器件高温工作产生应力后栅金属与半导体热失配导致栅下方势垒层出现微裂纹的示意图；

图4为传统GaN基HEMT器件高温工作产生应力后栅金属与半导体热失配导致栅下方势垒层出现裂纹的另一示意图；

图5为传统GaN基HEMT器件势垒层裂纹处的EDAX能谱分析；

图6为本发明实施例中GaN基HEMT栅电极的几何结构示意图；

图7为传统的GaN基HEMT栅电极金属结构在300℃时应力的分布状态图；

图8为本发明实施例中在Ti层和栅帽金属层Au之间插入40nm的Mo层后栅电极金属结构在300℃时应力的分布状态图；

图9为本发明实施例中进一步在栅帽金属层与应力缓冲层之间插入一层Ti层后的栅电极金属结构在300℃时应力的分布状态图；

图10为本发明实施例中加入具备周期性复合结构的应力缓冲层的栅电极金属结构在300℃时应力的分布状态图。

具体实施方式

下面结合较佳实施例对本发明的内容作进一步说明。

如图6所示，本实施例提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极，包括依次连接的氮化镓层、势垒层、势垒金属层、栅帽金属层，以及设于势垒金属层和栅帽金属层之间的应力缓冲层；应力缓冲层包括缓冲金属层，缓冲金属层的热膨胀系数与势垒层以及势垒金属层的热膨胀系数相差在预设范围内。

在本实施例中，GaN基HEMT的栅电极的势垒金属层与栅帽金属层之间插入应力缓冲层，即GaN基HEMT的栅电极从势垒层(势垒层为AlGaN)上表面依次为势垒金属层、应力缓冲层、栅帽金属层，势垒金属层与半导体形成肖特基接触，通过施加不同的栅压来调制沟道中的电子浓度，从而实现对沟道导通能力的控制。势垒金属层的选取原则主要考虑金属的功函数、化学稳定性以及制造工艺的难度，例如，势垒金属层可采用钨(W)、钨氮(WN)、镍(Ni)、铂(Pt)、钼(Mo)等金属。而栅帽金属层则可选用Au，因为Au具备低阻的特点，而且其化学稳定性良好，目前工艺也较为成熟等，是制作栅帽金属层的优选材料。目前有部分HEMT的肖特基栅电极，在栅帽金属层与势垒金属层之间设置阻挡层(例如Pt)，防止两层的金属发生反应和扩散，而本实施例考虑热失配的影响，在势垒金属层与栅帽金属层之间插入应力缓冲层，应力缓冲层中的缓冲金属层采用与势垒层(AlGaN)和势垒金属层热膨胀系数相接近的材料，例如Mo、W、铱(Ir)、Pt、Pd(钯)等金属或者合金，承受热失配导致的张应力，大幅度降低势垒层和势垒金属层中的张应力，避免因热失配产生裂纹，提升GaN基HEMT器件的可靠性。较佳的，可在应力缓冲层与势垒金属层以及栅帽金属层之间插入Ti层(钛层)或Ni层(镍层)，以增加各层之间的粘附性。

为了进一步降低应力缓冲层、势垒金属以及势垒层中的张应力，如图6所示，应力缓冲层中还包括粘附金属层，粘附金属层插入缓冲金属层中，例如，将多个粘附金属层插入缓冲金属层中，使粘附金属层与缓冲金属层组成周期性交替复合结构，使热失配导致的张应力被应力缓冲层所承受，降低势垒层和势垒金属层中的应力，同时通过采用周期性复合结构可以降低应力缓冲层、势垒金属层、势垒层所承受的最大张应力，从而提升器件可靠性。其中，粘附金属层包括Ti或Ni，一方面能够增加金属之间的粘附性，另一方面也可以降低缓冲金属层中的应力，进而大幅度降低势垒金属层与势垒层中的张应力。

下面采用仿真的方法，研究不同GaN基HEMT栅电极金属结构的应力状况，进一步说明了本发明所具备的有益效果。

图7给出了传统的GaN基HEMT栅电极金属结构在300℃时应力的分布状态，在该传统结构中，栅电极金属分布为W/Ti/Au(表示势垒金属层为W，栅帽金属层为Au，且在W与Au之间插入Ti层加强粘附性)，对应厚度为40nm/40nm/400nm(表示势垒金属层厚度为40nm，Ti层厚度为40nm，栅帽金属层厚度为400nm)。从图7中可以看出，势垒金属层中的张应力高达391兆帕，而且在栅边沿的GaN层存在应力的集中，应力值大于84兆帕。

考虑到Mo金属的热膨胀系数(4.8×10^-6/K)与势垒金属层W和势垒层接近，因此在Ti层和栅帽金属层Au之间插入40nm的Mo层，栅电极金属结构具体为W/Ti/Mo/Au(表示势垒金属层为W，栅帽金属层为Au，应力缓冲层中的缓冲金属层为Mo，Mo与W之间插入有Ti层，以加强粘附性)，各层对应厚度为40nm/40nm/40nm/320nm，如图8所示，势垒金属层的张应力低于333兆帕，GaN层中的张应力值也低于74兆帕，相对于传统栅电极结构，该结构在一定程度上降低了势垒层和势垒金属层的张应力。

为了进一步降低图8中势垒层和应力缓冲层中缓冲金属层(即Mo层)边沿的张应力，在栅帽金属层与应力缓冲层之间插入一层Ti，Ti的热膨胀系数为8.6×10^-6/K(位于Au和Mo之间)，此时如图9所示，Mo层和势垒金属层的最大应力值低于263兆帕，势垒层中的张应力值也低于58.5兆帕，势垒金属层与势垒层中应力进一步降低，势垒层应力分布更加均匀。因此，Ti一方面能够增加Mo和Au之间的粘附性，也可以降低应力缓冲层中的应力。

为了取得更为理想的效果，本实施例中的应力缓冲层中还设置粘附金属层Ti，将粘附金属层Ti插入缓冲金属层Mo中，使应力缓冲层呈现周期性的复合结构。本实施例在应力缓冲层的缓冲金属层中插入一层粘附金属层Ti，具体结构为W/Ti/Mo/Ti/Mo/Ti/Au，各层对应厚度为40nm/40nm/40nm/40nm/40nm/320nm。如图10所示，该结构消除了缓冲金属层(Mo层)边沿的应力集中，势垒金属层应力低于155兆帕，栅电极金属热失配导致的势垒层中的张应力值低于31兆帕。由此可见，采用周期性的(Ti层/缓冲金属层)复合结构可大幅度降低势垒金属层与势垒层中的张应力。另外，还可以在缓冲金属层Mo中插入多层粘附金属层Ti，形成W/Ti/Mo/Ti/Mo/Ti…Mo/Ti/Mo/Ti/Au的栅电极金属结构。

综上所述，本发明充分考虑热失配对GaN基HEMT的影响，在GaN基HEMT栅电极势垒金属层和栅帽金属层间插入应力缓冲层，应力缓冲层在选材时应注重其热学特性参数，应力缓冲层中的缓冲金属层的热膨胀系数应与势垒金属层和势垒层相近，且具有较好的阻挡栅帽金属层的作用(防止栅帽金属层与势垒金属层反应)，使应力缓冲层能够承受热失配导致的张应力，从而大幅度降低势垒层和势垒金属层中的张应力，避免因热失配产生的裂纹，提升GaN基HEMT器件的可靠性。另外，应力缓冲层中可加入粘附金属层(如Ti、Ni)，将其插入应力缓冲层中的缓冲金属层中，使应力缓冲层形成多层周期性复合结构，进一步降低势垒层和势垒金属层的张应力。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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 (6)

1.一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极，其特征在于，包括依次连接的氮化镓层、势垒层、势垒金属层、栅帽金属层，以及设于所述势垒金属层和所述栅帽金属层之间的应力缓冲层；所述应力缓冲层包括缓冲金属层，所述缓冲金属层的热膨胀系数与所述势垒层以及势垒金属层的热膨胀系数相差在预设范围内。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极，其特征在于，所述势垒金属层包括钨、钨氮、镍、铂、钼中的任意一种。

3.根据权利要求2所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极，其特征在于，所述缓冲金属层包括钼、钨、铱、铂、钯中的任意一种，或者其中任意两种及两种以上形成的合金。

4.根据权利要求1中任一项所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极，其特征在于，所述应力缓冲层中还包括粘附金属层，所述粘附金属层插入所述缓冲金属层中。

5.根据权利要求4所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极，其特征在于，所述粘附金属层包括钛或镍。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极，其特征在于，所述应力缓冲层与所述势垒金属层以及所述栅帽金属层之间设置钛层或镍层。