氮化鎵半導體器件的制備方法與流程

本發明涉及半導體工藝領域，尤其涉及一種氮化鎵半導體器件的制備方法。

背景技術：

由于氮化鎵具有大禁帶寬度、高電子飽和速率、高擊穿電場、較高熱導率、耐腐蝕以及抗輻射性能等優點，從而可以采用氮化鎵制作半導體材料，而得到氮化鎵半導體器件。

現有技術中，氮化鎵半導體器件的制備方法為：在氮化鎵外延基底的表面上形成氮化硅層，在氮化硅層上刻蝕出源極接觸孔和漏極接觸孔，源極接觸孔和漏極接觸孔內沉積金屬，從而形成源極和漏極；再刻蝕氮化硅層以及氮化鎵外延基底中的氮化鋁鎵層，形成一個凹槽，在凹槽中依次沉積一層氮化硅層以及金屬層，從而形成柵極。

然而現有技術中，在源極接觸孔和漏極接觸孔內沉積金屬，形成源極和漏極之后，會出現源極接觸孔和漏極接觸孔內的金屬與氮化鎵外延基底中的氮化鋁鎵層接觸不良的情況，從而會造成氮化鎵半導體器件的漏電以及軟擊穿的問題，進而會損壞氮化鎵半導體器件，降低氮化鎵半導體器件的可靠性。

技術實現要素：

本發明提供一種氮化鎵半導體器件的制備方法，用以解決現有技術中會出現源極接觸孔和漏極接觸孔內的金屬與氮化鎵外延基底中的氮化鋁鎵層接觸不良的情況，從而會造成氮化鎵半導體器件的漏電以及軟擊穿的問題，進而會損壞氮化鎵半導體器件，降低氮化鎵半導體器件的可靠性的問題。

本發明的提供一種氮化鎵半導體器件的制備方法，包括：

在氮化鎵外延基底的表面上沉積氮化硅，形成第一氮化硅層，其中，所 述氮化鎵外延基底包括由下而上依次設置的硅襯底層、氮化鎵層和氮化鋁鎵層；

對所述第一氮化硅層進行干法刻蝕，形成相對設置的源極接觸孔和漏極接觸孔；

在源極接觸孔和漏極接觸孔內、以及所述第一氮化硅層的表面上，沉積第一金屬層；

對所述第一金屬層進行光刻和刻蝕，形成歐姆接觸電極窗口；

利用氧氣氣體作為反應氣體，對整個器件進行高溫退火處理，以通過相互接觸的刻蝕后的第一金屬層與所述氮化鋁鎵層進行反應之后形成合金，以降低刻蝕后的第一金屬層與所述氮化鋁鎵層的接觸電阻；

通過所述歐姆接觸電極窗口，對所述第一氮化硅層和所述氮化鋁鎵層進行干法刻蝕，形成柵極接觸孔，其中，所述柵極接觸孔的底部與所述氮化鋁鎵層的底部具有預設距離；

在所述柵極接觸孔內沉積氮化硅介質層之后，在所述柵極接觸孔和所述柵極接觸孔的外邊緣沉積第二金屬層。

如上所述的方法中，所述第一氮化硅層的厚度為350埃。

如上所述的方法中，在所述對所述第一氮化硅層進行干法刻蝕，形成相對設置的源極接觸孔和漏極接觸孔之后，還包括：

依次采用氫氟酸溶液、過氧化氫與氫氧化氨的混合溶液、過氧化氫與氯化氫的混合溶液，對整個器件的表面進行表面處理，以去除整個器件的表面上的雜質物。

如上所述的方法中，所述在源極接觸孔和漏極接觸孔內、以及所述第一氮化硅層的表面上，沉積第一金屬層，包括：

在源極接觸孔和漏極接觸孔內、以及所述第一氮化硅層的表面上，依次沉積第一鈦金屬層、鋁金屬層、第二鈦金屬層和氮化鈦層，以形成第一金屬層；

其中，所述第一鈦金屬層的厚度為200埃，所述鋁金屬層的厚度為1200埃，所述第二鈦金屬層的厚度為200埃，所述氮化鈦層的厚度為200埃。

如上所述的方法中，所述利用氧氣氣體作為反應氣體，對整個器件進行高溫退火處理，包括：

利用氧氣氣體作為反應氣體，在550攝氏度的環境下對整個器件進行30秒的高溫退火處理。

如上所述的方法中，所述柵極接觸孔的深度為475埃～550埃。

如上所述的方法中，在所述通過所述歐姆接觸電極窗口，對所述第一氮化硅層和所述氮化鋁鎵層進行干法刻蝕，形成柵極接觸孔之后，還包括：

采用鹽酸溶液清洗所述柵極接觸孔，以去除所述柵極接觸孔內的雜質物。

如上所述的方法中，所述在所述柵極接觸孔內沉積氮化硅介質層，包括：

在整個器件的表面沉積第二氮化硅層；

對所述第二氮化硅層進行干法刻蝕，去除所述第一金屬層的表面、所述第一氮化硅層的表面上的第二氮化硅層，并去除所述柵極接觸孔內的預設厚度的第二氮化硅層，以形成所述氮化硅介質層；

其中，所述氮化硅介質層的厚度為200埃～300埃。

如上所述的方法中，所述在所述柵極接觸孔和所述柵極接觸孔的外邊緣沉積第二金屬層，包括：

在整個器件的表面上，依次沉積鎳金屬層、金金屬層；

對所述鎳金屬層、金金屬層進行光刻和刻蝕，以在所述柵極接觸孔和所述柵極接觸孔的外邊緣沉積第二金屬層，其中，所述第二金屬層構成整個器件的柵極，所述柵極與所述源極接觸孔上的第一金屬層之間具有第一窗口，所述柵極與所述漏極接觸孔上的第一金屬層之間具有第二窗口，第一窗口的寬度小于所述第二窗口的寬度。

本發明通過在氮化鎵外延基底的表面上沉積氮化硅，形成第一氮化硅層，其中，氮化鎵外延基底包括由下而上依次設置的硅襯底層、氮化鎵層和氮化鋁鎵層；對第一氮化硅層進行干法刻蝕，形成相對設置的源極接觸孔和漏極接觸孔；在源極接觸孔和漏極接觸孔內、以及第一氮化硅層的表面上，沉積第一金屬層；對第一金屬層進行光刻和刻蝕，形成歐姆接觸電極窗口；利用氧氣氣體作為反應氣體，對整個器件進行高溫退火處理，以通過相互接觸的刻蝕后的第一金屬層與氮化鋁鎵層進行反應之后形成合金，以降低刻蝕后的第一金屬層與氮化鋁鎵層的接觸電阻；通過歐姆接觸電極窗口，對第一氮化硅層和氮化鋁鎵層進行干法刻蝕，形成柵極接觸孔，其中，柵極接觸孔的底部與氮化鋁鎵層的底部具有預設距離；在柵極接觸孔內沉積氮化硅介質層之 后，在柵極接觸孔和柵極接觸孔的外邊緣沉積第二金屬層。通過對整個器件進行高溫退火處理，使得刻蝕后的第一金屬層與氮化鎵外延基底中的氮化鋁鎵層進行反應之后形成合金，從而使得第一金屬層與氮化鎵外延基底中的氮化鋁鎵層的接觸面的接觸良好，可以有效的降低第一金屬層與氮化鋁鎵層的接觸電阻；避免出現氮化鎵半導體器件的漏電以及軟擊穿的問題，增強了氮化鎵半導體器件的性能，提高了氮化鎵半導體器件的可靠性。

附圖說明

圖1為本發明實施例一提供的氮化鎵半導體器件的制備方法的流程示意圖；

圖2為實施例一的步驟101執行過程中氮化鎵半導體器件的剖面示意圖；

圖3為實施例一的步驟102執行過程中氮化鎵半導體器件的剖面示意圖；

圖4為實施例一的步驟103執行過程中氮化鎵半導體器件的剖面示意圖；

圖5為實施例一的步驟104執行過程中氮化鎵半導體器件的剖面示意圖；

圖6為實施例一的步驟106執行過程中氮化鎵半導體器件的剖面示意圖；

圖7為實施例一的步驟107執行過程中氮化鎵半導體器件的第一剖面示意圖；

圖8為實施例一的步驟107執行過程中氮化鎵半導體器件的第二剖面示意圖；

圖9為本發明實施例二提供的氮化鎵半導體器件的制備方法的流程示意圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述， 顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

圖1為本發明實施例一提供的氮化鎵半導體器件的制備方法的流程示意圖，為了對本實施例中的方法進行清楚系統的描述，如圖1所示，方法包括：

步驟101、在氮化鎵外延基底的表面上沉積氮化硅，形成第一氮化硅層，其中，氮化鎵外延基底包括由下而上依次設置的硅襯底層、氮化鎵層和氮化鋁鎵層。

在本實施例中，具體的，圖2為實施例一的步驟101執行過程中氮化鎵半導體器件的剖面示意圖，圖2所示，氮化鎵外延基底用標號11表示，硅襯底層用標號12表示，氮化鎵層用標號13表示，氮化鋁鎵層用標號14表示，第一氮化硅層用標號15表示。

氮化鎵是第三代寬禁帶半導體材料，具有大禁帶寬度、高電子飽和速率、高擊穿電場、較高熱導率、耐腐蝕和抗輻射性能等特性、并且在高壓、高頻、高溫、大功率和抗輻照環境條件下具有較強的優勢，從而是研究短波光電子器件和高壓高頻率大功率器件的最佳材料；其中，大禁帶寬度為3.4電子伏特，高電子飽和速率為2e7厘米每秒，高擊穿電場為1e10～-3e10伏特每厘米。

氮化鎵外延基底11由硅(si)襯底層12、氮化鎵(gan)層13和氮化鋁鎵(algan)層14構成，其中，硅襯底層12、氮化鎵層13和氮化鋁鎵層14由下而上依次設置。

可以采用等離子體增強化學氣相電積方法，在反應爐中通入硅烷(sih4)氣體、氧氣(o2)、一氧化氮(no)氣體的混合氣體，或者通入硅烷氣體、氧氣、二氧化碳(co2)氣體的混合氣體，從而混合氣體進行反應之后生成氮化硅(si3n4)氣體，進而在氮化鎵外延基底中的氮化鋁鎵層14的表面上沉積一層氮化硅，從而形成第一氮化硅層15。

步驟102、對第一氮化硅層進行干法刻蝕，形成相對設置的源極接觸孔和漏極接觸孔。

在本實施例中，具體的，圖3為實施例一的步驟102執行過程中氮化鎵半導體器件的剖面示意圖，圖3所示，源極接觸孔用標號16表示，漏極接觸孔用標號17表示。

采用干法刻蝕的方法，對第一氮化硅層14進行刻蝕，形成相對設置的源極接觸孔16和漏極接觸孔17。

步驟103、在源極接觸孔和漏極接觸孔內、以及第一氮化硅層的表面上，沉積第一金屬層。

在本實施例中，具體的，圖4為實施例一的步驟103執行過程中氮化鎵半導體器件的剖面示意圖，圖4所示，第一金屬層用標號18表示。

可以采用磁控濺射鍍膜工藝，在整個器件的表面沉積第一金屬層18，具體來說，是在源極接觸孔16和漏極接觸孔17內、以及第一氮化硅層15的表面上，沉積了第一金屬層18。

步驟104、對第一金屬層進行光刻和刻蝕，形成歐姆接觸電極窗口。

在本實施例中，具體的，圖5為實施例一的步驟104執行過程中氮化鎵半導體器件的剖面示意圖，圖5所示，歐姆接觸電極窗口用標號19表示。

對第一金屬層18進行光刻和刻蝕，其中光刻的程序包括了涂膠、曝光和顯影，從而可以形成一個歐姆接觸電極窗口19；透過歐姆接觸電極窗口19，可以看到第一氮化硅層15的部分表面。并且，源極接觸孔16上的第一金屬層18構成了器件的源極，漏極接觸孔17上的第一金屬層18構成了器件的漏極。

步驟105、利用氧氣氣體作為反應氣體，對整個器件進行高溫退火處理，以通過相互接觸的刻蝕后的第一金屬層與氮化鋁鎵層進行反應之后形成合金，以降低刻蝕后的第一金屬層與氮化鋁鎵層的接觸電阻。

在本實施例中，具體的，在反應爐中通入氧氣氣體，對整個器件進行一個高溫退火的處理，從而刻蝕后的第一金屬層18會成為合金，并且相互接觸的刻蝕后的第一金屬層18與氮化鋁鎵層14進行反應之后也可以在其接觸面上形成合金，從而合金可以降低第一金屬層18與氮化鋁鎵層14之間的接觸電阻。

步驟106、通過歐姆接觸電極窗口，對第一氮化硅層和氮化鋁鎵層進行干法刻蝕，形成柵極接觸孔，其中，柵極接觸孔的底部與氮化鋁鎵層的底部具有預設距離。

在本實施例中，具體的，圖6為實施例一的步驟106執行過程中氮化鎵半導體器件的剖面示意圖，圖6所示，柵極接觸孔用標號20表示。

采用干法刻蝕的方法，通過歐姆接觸電極窗口19，對第一氮化硅層15以及部分的氮化鋁鎵層14，進行干法刻蝕，進而在器件上形成一個柵極接觸孔20。其中，柵極接觸孔20完全的穿透了第一氮化硅層15，并穿過部分的氮化鋁鎵層14，使得柵極接觸孔20的底部與氮化鋁鎵層14的底部具有預設距離。

步驟107、在柵極接觸孔內沉積氮化硅介質層之后，在柵極接觸孔和柵極接觸孔的外邊緣沉積第二金屬層。

在本實施例中，具體的，圖7為實施例一的步驟107執行過程中氮化鎵半導體器件的第一剖面示意圖，圖8為實施例一的步驟107執行過程中氮化鎵半導體器件的第二剖面示意圖，圖7和圖8所示，氮化硅介質層用標號21表示，第二金屬層用標號22表示。

可以采用低壓化學氣相沉積方法，在反應爐中通入二氯硅烷(sih2cl2)和氨氣(nh3)氣體，在高溫下，兩種氣體發生化學反應，生成氮化硅，氮化硅沉積在柵極接觸孔20內，形成氮化硅介質層21，其中，氮化硅介質層21的厚度小于柵極接觸孔20的深度。

然后，采用磁控濺射鍍膜工藝，在柵極接觸孔20和柵極接觸孔20的外邊緣上沉積第二金屬層22，從而第二金屬層22構成了器件的柵極。

本發明通過在氮化鎵外延基底的表面上形成第一氮化硅層，對第一氮化硅層進行干法刻蝕，形成相對設置的源極接觸孔和漏極接觸孔；在源極接觸孔和漏極接觸孔內、以及第一氮化硅層的表面上，沉積第一金屬層；對第一金屬層進行光刻和刻蝕，形成歐姆接觸電極窗口；利用氧氣氣體作為反應氣體，對整個器件進行高溫退火處理，以通過相互接觸的刻蝕后的第一金屬層與氮化鋁鎵層進行反應之后形成合金，以降低刻蝕后的第一金屬層與氮化鋁鎵層的接觸電阻；通過歐姆接觸電極窗口，對第一氮化硅層和氮化鋁鎵層進行干法刻蝕，形成柵極接觸孔，其中，柵極接觸孔的底部與氮化鋁鎵層的底部具有預設距離；最終，在柵極接觸孔內沉積氮化硅介質層，然后在柵極接觸孔和柵極接觸孔的外邊緣沉積第二金屬層。從而通過對整個器件進行高溫退火處理，使得刻蝕后的第一金屬層與氮化鎵外延基底中的氮化鋁鎵層進行反應之后形成合金，從而使得第一金屬層與氮化鎵外延基底中的氮化鋁鎵層的接觸面的接觸良好，可以有效的降低第一金屬層與氮化鋁鎵層的接觸電阻； 避免出現氮化鎵半導體器件的漏電以及軟擊穿的問題，增強了氮化鎵半導體器件的性能，提高了氮化鎵半導體器件的可靠性。

圖9為本發明實施例二提供的氮化鎵半導體器件的制備方法的流程示意圖，在上述實施例的基礎上，為了對本實施例中的方法進行清楚系統的描述，如圖9所示，在步驟102之后，方法還包括：

步驟201、依次采用氫氟酸溶液、過氧化氫與氫氧化氨的混合溶液、過氧化氫與氯化氫的混合溶液，對整個器件的表面進行表面處理，以去除整個器件的表面上的雜質物。

在本實施例中，具體的，在對第一氮化硅層15進行干法刻蝕之后，器件的表面會存在雜質、顆粒等雜質物，從而需要將雜質物從整個器件上去除。可以先采用dhf+sc1+sc2的方法，去除器件上的雜質物，具體來說，可以先采用稀釋后的氫氟酸溶液處理器件，然后采用過氧化氫與氫氧化氨的堿性混合溶液處理器件，再采用過氧化氫與氯化氫的酸性混合溶液處理器件，進而可以去除整個器件的表面上的雜質物。

在步驟106之后，方法還包括：

步驟202、采用鹽酸溶液清洗柵極接觸孔，以去除柵極接觸孔內的雜質物。

在本實施例中，具體的，在通過歐姆接觸電極窗口19，對第一氮化硅層15以及部分的氮化鋁鎵層14進行干法刻蝕，形成一個柵極接觸孔20之后，柵極接觸孔20內會存在雜質、顆粒以及離子等雜質物，從而可以采用鹽酸溶液清洗柵極接觸孔20，將柵極接觸孔20內的雜質物去除掉。

本實施例通過在對第一氮化硅層15進行干法刻蝕之后，采用dhf+sc1+sc2的方法去除器件上的雜質物；并形成柵極接觸孔20之后，采用鹽酸溶液將柵極接觸孔20內的雜質物去除掉。從而可以有效的保證了器件的表面以及柵極接觸孔20內的清潔，進而保證了氮化鎵半導體器件的性能。

進一步的，在上述實施例的基礎上，步驟103的具體實施方式包括：

在源極接觸孔和漏極接觸孔內、以及第一氮化硅層的表面上，依次沉積第一鈦金屬層、鋁金屬層、第二鈦金屬層和氮化鈦層，以形成第一金屬層；

其中，第一鈦金屬層的厚度為200埃，鋁金屬層的厚度為1200埃，第二鈦金屬層的厚度為200埃，氮化鈦層的厚度為200埃。

步驟105的具體實施方式包括：利用氧氣氣體作為反應氣體，在550攝氏度的環境下對整個器件進行30秒的高溫退火處理。

步驟106的具體實施方式包括：

在整個器件的表面沉積第二氮化硅層；

對第二氮化硅層進行干法刻蝕，去除第一金屬層的表面、第一氮化硅層的表面上的第二氮化硅層，并去除柵極接觸孔內的預設厚度的第二氮化硅層，以形成氮化硅介質層；

其中，氮化硅介質層的厚度為200埃～300埃。

步驟107的具體實施方式包括：

在整個器件的表面上，依次沉積鎳金屬層、金金屬層；

對鎳金屬層、金金屬層進行光刻和刻蝕，以在柵極接觸孔和柵極接觸孔的外邊緣沉積第二金屬層，其中，第二金屬層構成整個器件的柵極，柵極與源極接觸孔上的第一金屬層之間具有第一窗口，柵極與漏極接觸孔上的第一金屬層之間具有第二窗口，第一窗口的寬度小于第二窗口的寬度。

并且，第一氮化硅層的厚度為350埃，柵極接觸孔的深度為475埃～550埃。

在本實施例方式中，具體的，步驟101中氮化鎵外延基底的表面沉積的第一氮化硅層15的厚度為350埃。

步驟103的具體實施方式包括：采用磁控濺射鍍膜工藝，在在源極接觸孔16和漏極接觸孔17內、以及第一氮化硅層15的表面上，首先沉積一層鈦(ti)金屬，從而形成第一鈦金屬層，第一鈦金屬層的厚度為200埃；然后再沉積一層鋁(al)金屬，形成鋁金屬層，鋁金屬層的厚度為1200埃；再沉積一層鈦金屬，形成第二鈦金屬層，第二鈦金屬層的厚度為200埃；最后再沉積一層氮化鈦(tin)，形成氮化鈦層，氮化鈦層的厚度為200埃；從而四層金屬層構成了第一金屬層18。然后在步驟105中利用氧氣氣體作為反應氣體，在550攝氏度的環境下對整個器件進行30秒的高溫退火處理的時候，第一鈦金屬層、鋁金屬層、第二鈦金屬層以及氮化鈦層會發生反應，從而形成合金，并且第一金屬層18中的鈦會與氮化鋁鎵層14中的氮發生反應，生成合金，進而降低第一金屬層18與氮化鋁鎵層14的接觸電阻。

并且，步驟107中的，形成的柵極接觸孔20的深度為475埃～550埃。

步驟106的具體實施方式包括：可以采用低壓化學氣相沉積方法，在反應爐中通入二氯硅烷和氨氣氣體，在高溫下，兩種氣體發生化學反應，生成氮化硅，氮化硅沉積在整個器件的表面，從而形成第二氮化硅層。對整個器件表面的第二氮化硅層進行干法刻蝕，去除掉第一金屬層18的表面上的第二氮化硅層、并去除掉第一氮化硅層15的表面上的第二氮化硅層，同時將柵極接觸孔20內的預設厚度的第二氮化硅層去除掉，進而可以只在柵極接觸孔20內保留200埃～300埃的厚度的第二氮化硅層，從而在柵極接觸孔20內形成氮化硅介質層21。優選的，氮化硅介質層21厚度為250埃。

步驟107的具體實施方式包括：采用磁控濺射鍍膜工藝，在整個器件的表面上依次沉積一層鎳(ni)金屬層、一層金(au)金屬層，然后對鎳金屬層、金金屬層進行涂膠、曝光和顯影的光刻程序，然后進行刻蝕，從而將第一金屬層18上的鎳金屬和金金屬、以及第一氮化硅層15上的部分鎳金屬和金金屬去除，進而在柵極接觸孔20和柵極接觸孔20的外邊緣沉積第二金屬層22。從而第二金屬層構成整個器件的柵極，柵極與源極接觸孔16上的第一金屬層18之間具有第一窗口，而柵極與漏極接觸孔17上的第一金屬層18之間具有第二窗口，并且，第一窗口的寬度小于第二窗口的寬度。

最后應說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。