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，而得到常開型的氮化鎵半導體器件。

現有技術中，常開型的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部分氮化鋁鎵層，形成一個柵極孔，在柵極孔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，由于只是刻蝕了氮化硅層以及氮化鎵外延基底中的部分氮化鋁鎵層而得到柵極孔，從而柵極沒有穿透氮化鎵外延基底中的氮化鋁鎵層，采用現有的制備方法制得的常開型的氮化鎵半導體器件在與硅器件進行相互連接的時候，得到的發射極共基極形式封裝的氮化鎵半導體器件在柵極處會存在寄生電感，從而在高頻情況下，整個開關系統會產生很大的開關損耗，進而會降低整個開關系統的性能。

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，用以解決現有的制備方法制得的常開型的氮化鎵半導體器件在與硅器件進行相互連接的時候，得到的發射極共基極形式封裝的氮化鎵半導體器件在柵極處會存在寄生電感，從而在高頻情況下，整個開關系統會產生很大的開關損耗，進而會降低整個開關系統的性能。

本發明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鎵，形成第一氮化鎵層，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、第二氮化鎵層和第一氮化鋁鎵層；

在所述第一氮化鎵層的表面上沉積氮化鋁鎵，形成第二氮化鋁鎵層；

在所述第二氮化鋁鎵層的表面上沉積氮化硅，形成第一氮化硅層；

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；

在所述源極接觸孔和所述漏極接觸孔內，沉積第一金屬層，其中，所述第一金屬層的高度大于所述源極接觸孔、所述漏極接觸孔的高度；

對干法刻蝕后的第一氮化硅層、以及所述第二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為所述第一氮化鎵層的上表面；

在所述柵極接觸孔內沉積氮化硅介質層之后，在所述柵極接觸孔內沉積第二金屬層，其中，所述第二金屬層的上表面高于所述第一氮化硅層的上表面。

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：

依次采用稀釋后的氫氟酸溶液、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，所述在所述源極接觸孔和所述漏極接觸孔內，沉積第一金屬層，包括：

在整個器件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，以形成金屬合層，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；

對所述金屬合層進行光刻和刻蝕，以去除第一氮化硅層的表面上的金屬合層，以在所述源極接觸孔和所述漏極接觸孔內形成所述第一金屬層。

如上所述的方法中，在所述源極接觸孔和所述漏極接觸孔內，沉積第一金屬層之后，還包括：

利用氮氣氣體作為保護氣體，在840攝氏度的環境下對整個器件進行30秒的高溫退火處理，以通過相互接觸的所述第一金屬層與所述第二氮化鋁鎵層進行反應之后形成合金，以降低所述第一金屬層與所述第二氮化鋁鎵層的接觸電阻。

如上所述的方法中，在所述對干法刻蝕后的第一氮化硅層、以及所述第二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所述第二氮化鋁鎵層的厚度的一半。

如上所述的方法中，所述在所述柵極接觸孔內沉積第二金屬層，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內沉積第二金屬層，其中，所述第二金屬層構成整個器件的柵極。

如上所述的方法中，在所述柵極接觸孔內沉積第二金屬層之后，還包括：

采用6英寸的硅工藝線對整個器件進行封裝處理。

本發明通過在氮化鎵外延基底的表面上沉積氮化鎵，形成第一氮化鎵層，其中，氮化鎵外延基底包括由下而上依次設置的硅襯底層、第二氮化鎵層和第一氮化鋁鎵層；在第一氮化鎵層的表面上沉積氮化鋁鎵，形成第二氮化鋁鎵層；在第二氮化鋁鎵層的表面上沉積氮化硅，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，沉積第一金屬層，其中，第一金屬層的高度大于源極接觸孔、漏極接觸孔的高度；對干法刻蝕后的第一氮化硅層、以及第二氮化鋁鎵層進行干法刻蝕，形成柵極接觸孔，其中，柵極接觸孔的底部為第一氮化鎵層的上表面；在柵極接觸孔內沉積氮化硅介質層之后，在柵極接觸孔 內沉積第二金屬層，其中，第二金屬層的上表面高于第一氮化硅層的上表面。從而第二氮化鎵層、第一氮化鋁鎵層、第一氮化鎵層以及第二氮化鋁鎵層構成了兩層溝道結構，進而形成了一種閾值電壓增強結構，同時柵極接觸孔穿透了第二氮化鋁鎵層，柵極的底部與第一氮化鎵層接觸，從而得到氮化鎵半導體器件在與硅器件進行相互連接的時候，消除得到的氮化鎵半導體器件在柵極處可能產生的寄生電感，在高頻情況下，降低整個開關系統的開關損耗，進而提高了氮化鎵半導體器件以及整個開關系統的性能和可靠性。

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105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106執行過程中氮化鎵半導體器件的剖面示意圖；

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一剖面示意圖；

圖9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10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鎵，形成第一氮化鎵層，其中，氮化鎵外延基底包括由下而上依次設置的硅襯底層、第二氮化鎵層和第一氮化鋁鎵層。

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，第二氮化鎵層用標號13表示，第一氮化鋁鎵層用標號14表示，第一氮化鎵層用標號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、第二氮化鎵(gan)層13和第一氮化鋁鎵(algan)層14構成，其中，硅襯底層12、第二氮化鎵層13和第一氮化鋁鎵層14由下而上依次設置。

可以采用電子回旋共振低溫等離子體化學氣相沉積氮化鎵薄膜工藝，在反應爐中通入高純度的氮氣(n2)以及三甲基鎵(tmg)為反應氣源，在450攝氏度的條件下，在氮化鎵外延基底11的表面上沉積一層氮化鎵，從而在氮化鎵外延基底11的表面上形成第一氮化鎵層15。

步驟102、在第一氮化鎵層的表面上沉積氮化鋁鎵，形成第二氮化鋁鎵層。

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，第二氮化鋁鎵層用標號16表示。

在第一氮化鎵層15的表面上生長氮化鋁鎵，從而在第一氮化鎵層15的表面上沉積一層第二氮化鋁鎵層16。

步驟103、在第二氮化鋁鎵層的表面上沉積氮化硅，形成第一氮化硅層。

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，第一氮化硅層用標號17表示。

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，進而在第二氮化鋁鎵層16的表面上沉積一層氮化硅，從而形成第一氮化硅層17。

步驟104、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，源極接觸孔用標號18表示，漏極接觸孔用標號19表示。

采用干法刻蝕的方法，對第一氮化硅層17進行刻蝕，形成相對設置的源極接觸孔18和漏極接觸孔19。

步驟105、在源極接觸孔和漏極接觸孔內，沉積第一金屬層，其中，第一金屬層的高度大于源極接觸孔、漏極接觸孔的高度。

在本實施例中，具體的，圖6為實施例一的步驟105執行過程中氮化鎵半導體器件的剖面示意圖，圖6所示，第一金屬層用標號20表示。

可以采用磁控濺射鍍膜工藝，在源極接觸孔18和漏極接觸孔19內沉積了第一金屬層20。源極接觸孔18上的第一金屬層20構成了器件的源極，漏極接觸孔18上的第一金屬層20構成了器件的漏極。其中，其中，第一金屬層20的高度大于源極接觸孔18、以及漏極接觸孔19的高度。

步驟106、對干法刻蝕后的第一氮化硅層、以及第二氮化鋁鎵層進行干法刻蝕，形成柵極接觸孔，其中，柵極接觸孔的底部為第一氮化鎵層的上表面。

在本實施例中，具體的，圖7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所示，柵極接觸孔用標號21表示。

采用干法刻蝕的方法，對干法刻蝕后的第一氮化硅層17，以及第二氮化鋁鎵層16進行干法刻蝕，進而在器件上形成一個柵極接觸孔21。其中，柵極接觸孔21完全的穿透了第一氮化硅層17，并完全穿透了第二氮化鋁鎵層16，使得柵極接觸孔21的底部為第一氮化鎵層15的上表面。

步驟107、在柵極接觸孔內沉積氮化硅介質層之后，在柵極接觸孔內沉積第二金屬層，其中，第二金屬層的上表面高于第一氮化硅層的上表面。

在本實施例中，具體的，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一剖面示意圖，圖9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8和圖9所示，氮化硅介質層用標號22表示，第二金屬層用標號23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21內，形成氮化硅介質層22，其中，氮化硅介質層22的厚度小于柵極接觸孔21的深度。

然后，采用磁控濺射鍍膜工藝，在柵極接觸孔21內沉積第二金屬層23，從而第二金屬層23構成了器件的柵極。其中，第二金屬層23的上表面高于第一氮化硅層17的上表面。

本實施例通過在氮化鎵外延基底的表面上依次沉積第一氮化鎵層、第二氮化鋁鎵層，其中，氮化鎵外延基底包括由下而上依次設置的硅襯底層、第二氮化鎵層和第一氮化鋁鎵層；在第二氮化鋁鎵層的表面上沉積第一氮化硅層；對第一氮化硅層進行干法刻蝕形成源極接觸孔和漏極接觸孔；在源極接觸孔和漏極接觸孔內，沉積第一金屬層；對干法刻蝕后的第一氮化硅層、以及第二氮化鋁鎵層進行干法刻蝕，形成柵極接觸孔，其中，柵極接觸孔的底部為第一氮化鎵層的上表面；在柵極接觸孔內沉積氮化硅介質層之后，在柵極接觸孔內沉積第二金屬層。從而第二氮化鎵層、第一氮化鋁鎵層、第一氮化鎵層以及第二氮化鋁鎵層構成了兩層溝道結構，進而形成了一種閾值電壓增強結構，同時柵極接觸孔穿透了第二氮化鋁鎵層，柵極的底部與第一氮化鎵層接觸，從而得到氮化鎵半導體器件在與硅器件進行相互連接的時候，消除得到的氮化鎵半導體器件在柵極處可能產生的寄生電感，在高頻情況下， 降低整個開關系統的開關損耗，進而提高了氮化鎵半導體器件以及整個開關系統的性能和可靠性。

圖10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10所示，在步驟104之后，方法還包括：

步驟201、依次采用稀釋后的氫氟酸溶液、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17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。

步驟105，包括：

步驟1051、在整個器件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，以形成金屬合層，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。

在本實施例中，具體的，采用磁控濺射鍍膜工藝，在在源極接觸孔18和漏極接觸孔19內、以及第一氮化硅層17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金屬合層。

步驟1052、對金屬合層進行光刻和刻蝕，以去除第一氮化硅層的表面上的金屬合層，以在源極接觸孔和漏極接觸孔內形成第一金屬層。

在本實施例中，具體的，對步驟1051中形成的金屬合層進行光刻和刻蝕，其中光刻的程序包括了涂膠、曝光和顯影，去除第一氮化硅層17的表面上的 金屬合層，從而可以形成一個歐姆接觸電極窗口；透過歐姆接觸電極窗口，可以看到第一氮化硅層17的上表面。從而在源極接觸孔18內形成了第一金屬層20，在漏極接觸孔19內形成了第一金屬層20。

在步驟105之后，還包括：

步驟202、利用氮氣氣體作為保護氣體，在840攝氏度的環境下對整個器件進行30秒的高溫退火處理，以通過相互接觸的第一金屬層與第二氮化鋁鎵層進行反應之后形成合金，以降低第一金屬層與第二氮化鋁鎵層的接觸電阻。

在本實施例中，具體的，然后利用氮氣氣體作為保護氣體，在840攝氏度的環境下對整個器件進行30秒的高溫退火處理，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20中的鈦會與第二氮化鋁鎵層16中的氮發生反應，生成合金，進而降低第一金屬層20與第二氮化鋁鎵層16的接觸電阻。

在步驟106之后，方法還包括：

步驟203、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，在對第一氮化硅層17，以及第二氮化鋁鎵層16進行干法刻蝕，進而在器件上形成一個柵極接觸孔21之后，柵極接觸孔21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21，將柵極接觸孔21內的雜質物去除掉。

在步驟107之后，方法還包括：

步驟204、采用6英寸的硅工藝線對整個器件進行封裝處理。

在本實施例中，具體的，可以采用6英寸的硅工藝線對整個器件進行封裝處理，提高整個器件的性能和可靠性。

本實施例通過在對第一氮化硅層進行干法刻蝕之后，采用dhf+sc1+sc2的方法去除器件上的雜質物；并形成柵極接觸孔之后，采用鹽酸溶液將柵極接觸孔內的雜質物去除掉。從而可以有效的保證了器件的表面以及柵極接觸孔內的清潔，進而保證了氮化鎵半導體器件的性能；通過對整個器件進行高溫退火處理，可以降低第一金屬層與第二氮化鋁鎵層的接觸電阻。并且第二氮化鎵層、第一氮化鋁鎵層、第一氮化鎵層以及第二氮化鋁鎵層構成了兩層 溝道結構，進而形成了一種閾值電壓增強結構，同時柵極接觸孔穿透了第二氮化鋁鎵層，柵極的底部與第一氮化鎵層接觸，從而得到氮化鎵半導體器件在與硅器件進行相互連接的時候，消除得到的氮化鎵半導體器件在柵極處可能產生的寄生電感；同時采用6英寸的硅工藝線對整個器件進行封裝處理在高頻情況下，從而可以降低整個開關系統的開關損耗，進而提高了氮化鎵半導體器件以及整個開關系統的性能和可靠性。

進一步的，在上述實施例的基礎上，第一氮化硅層的厚度為350埃。

步驟107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第二氮化鋁鎵層的厚度的一半；

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，以在柵極接觸孔內沉積第二金屬層，其中，第二金屬層構成整個器件的柵極。

在本實施例方式中，具體的，步驟103中氮化鎵外延基底的表面沉積的第一氮化硅層17的厚度為350埃。

步驟107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20的表面上的第二氮化硅層、并去除掉第一氮化硅層17的表面上的第二氮化硅層，同時將柵極接觸孔21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21內保留厚度為第二氮化鋁鎵層16的一半厚度的第二氮化硅層，從而在柵極接觸孔21內形成氮化硅介質層22，即氮化硅介質層22厚度為第二氮化鋁鎵層16的厚度的一半。然后，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20上的鎳金屬和金金屬、以及第一氮化硅層17上的鎳金屬和金金屬去除， 進而在柵極接觸孔21內保留第二金屬層23，并且，其中，第二金屬層23的上表面高于第一氮化硅層17的上表面，從而第二金屬層23構成整個器件的柵極。

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。