氮化镓半导体器件的制备方法与流程

本发明涉及半导体工艺领域，尤其涉及一种氮化镓半导体器件的制备方法。

背景技术：

由于氮化镓具有大禁带宽度、高电子饱和速率、高击穿电场、较高热导率、耐腐蚀以及抗辐射性能等优点，从而可以采用氮化镓制作半导体材料，而得到氮化镓半导体器件。

现有技术中，氮化镓半导体器件的制备方法为：在氮化镓外延基底的表面上形成氮化硅层，在氮化硅层上刻蚀出源极接触孔和漏极接触孔，源极接触孔和漏极接触孔内沉积金属，从而形成源极和漏极；再刻蚀氮化硅层以及氮化镓外延基底中的氮化铝镓层，形成一个凹槽，在凹槽中沉积金属层，从而形成栅极；然后沉积二氧化硅层以及场板金属层，从而形成氮化镓半导体器件。

然而现有技术中，由于场板金属层的边缘的电场密度较大，从而会造成氮化镓半导体器件的漏电以及击穿的问题，进而会损坏氮化镓半导体器件，降低氮化镓半导体器件的可靠性。

技术实现要素：

本发明提供一种氮化镓半导体器件的制备方法，用以解决现有技术中场板金属层的的边缘电场密度较大，从而会造成氮化镓半导体器件的漏电以及击穿的问题，进而会损坏氮化镓半导体器件，降低氮化镓半导体器件的可靠性的问题。

本发明提供一种氮化镓半导体器件的制备方法，包括：

在氮化镓外延基底的表面上沉积氧化铪，形成氧化铪层，其中，所述氮化镓外延基底包括由下而上依次设置的硅衬底层、氮化镓层和氮化铝镓层；

对所述氧化铪层进行干法刻蚀，形成相对设置的源极接触孔和漏极接触孔；

在源极接触孔和漏极接触孔内、以及所述氧化铪层的表面上，沉积第一金属层；

对所述第一金属层进行光刻和刻蚀，形成欧姆接触电极窗口；

对整个器件进行高温退火处理，以通过相互接触的刻蚀后的第一金属层与所述氮化铝镓层进行反应之后形成合金，以降低刻蚀后的第一金属层与所述氮化铝镓层的接触电阻；

通过所述欧姆接触电极窗口，对所述氧化铪层和所述氮化铝镓层进行干法刻蚀，形成栅极接触孔，其中，所述栅极接触孔的底部与所述氮化铝镓层的底部具有预设距离；

在所述栅极接触孔和所述栅极接触孔的外边缘沉积第二金属层；

在整个器件的表面沉积一层二氧化硅层；

对所述源极接触孔上方的二氧化硅层进行干法刻蚀之后，形成开孔；

在所述开孔内、以及从所述源极接触孔延伸至所述栅极接触孔上方的二氧化硅层上沉积场板金属，形成场板金属层。

如上所述的方法中，所述氧化铪层的厚度为2000埃。

如上所述的方法中，在所述对所述氧化铪层进行干法刻蚀，形成相对设置的源极接触孔和漏极接触孔之后，还包括：

依次采用稀释后的氢氟酸溶液、过氧化氢与氢氧化氨的混合溶液、过氧化氢与氯化氢的混合溶液，对整个器件的表面进行表面处理，以去除整个器件的表面上的杂质物。

如上所述的方法中，所述在源极接触孔和漏极接触孔内、以及所述氧化铪层的表面上，沉积第一金属层，包括：

在源极接触孔和漏极接触孔内、以及所述氧化铪层的表面上，依次沉积第一钛金属层、铝金属层、第二钛金属层和氮化钛层，以形成第一金属层；

其中，所述第一钛金属层的厚度为200埃，所述铝金属层的厚度为1200埃，所述第二钛金属层的厚度为200埃，所述氮化钛层的厚度为200埃。

如上所述的方法中，所述对整个器件进行高温退火处理，包括：

在氮气气体的氛围下，在840摄氏度的环境下对整个器件进行30秒的高 温退火处理。

如上所述的方法中，所述预设距离为所述氮化铝镓层的厚度的一半。

如上所述的方法中，在所述通过所述欧姆接触电极窗口，对所述氧化铪层和所述氮化铝镓层进行干法刻蚀，形成栅极接触孔之后，还包括：

采用盐酸溶液清洗所述栅极接触孔，以去除所述栅极接触孔内的杂质物。

如上所述的方法中，所述二氧化硅层的厚度为5000埃。

如上所述的方法中，所述开孔的宽度小于所述栅极接触孔上方的第二金属层的宽度；

所述场板金属层的厚度为10000埃。

如上所述的方法中，所述在所述开孔内、以及从所述源极接触孔延伸至所述栅极接触孔上方的二氧化硅层上沉积场板金属，形成场板金属层，包括：

在整个器件的表面上，沉积铝硅铜金属层；

对所述铝硅铜金属层进行光刻和刻蚀，在所述开孔内、以及从所述源极接触孔延伸至所述栅极接触孔上方的二氧化硅层上形成场板金属层。

本发明通过在氮化镓外延基底的表面上沉积氧化铪，形成氧化铪层，其中，氮化镓外延基底包括由下而上依次设置的硅衬底层、氮化镓层和氮化铝镓层；对氧化铪层进行干法刻蚀，形成相对设置的源极接触孔和漏极接触孔；在源极接触孔和漏极接触孔内、以及氧化铪层的表面上，沉积第一金属层；对第一金属层进行光刻和刻蚀，形成欧姆接触电极窗口；对整个器件进行高温退火处理，以通过相互接触的刻蚀后的第一金属层与氮化铝镓层进行反应之后形成合金，以降低刻蚀后的第一金属层与氮化铝镓层的接触电阻；通过欧姆接触电极窗口，对氧化铪层和氮化铝镓层进行干法刻蚀，形成栅极接触孔，其中，栅极接触孔的底部与氮化铝镓层的底部具有预设距离；在栅极接触孔和栅极接触孔的外边缘沉积第二金属层；在整个器件的表面沉积一层二氧化硅层；对源极接触孔上方的二氧化硅层进行干法刻蚀之后，形成开孔；在开孔内、以及从源极接触孔延伸至栅极接触孔上方的二氧化硅层上沉积场板金属，形成场板金属层。从而氧化铪层与氮化铝镓层中间的接触面上不易漏电，并且，氮化铝镓层的场强峰值较高，不易出现击穿氮化铝镓层的现象，进而避免了出现氮化镓半导体器件的漏电以及击穿的问题，有效的保护了氮化镓半导体器件，增强了氮化镓半导体器件的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的氮化镓半导体器件的制备方法的流程示意图；

图2为实施例一的步骤101执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图；

图3为实施例一的步骤102执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图；

图4为实施例一的步骤103执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图；

图5为实施例一的步骤104执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图；

图6为实施例一的步骤106执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图；

图7为实施例一的步骤107执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图；

图8为实施例一的步骤108执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图；

图9为实施例一的步骤109执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图；

图10为实施例一的步骤1010执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图；

图11为本发明实施例二提供的氮化镓半导体器件的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一提供的氮化镓半导体器件的制备方法的流程示意图，为了对本实施例中的方法进行清楚系统的描述，如图1所示，方法包括：

步骤101、在氮化镓外延基底的表面上沉积氧化铪，形成氧化铪层，其中，氮化镓外延基底包括由下而上依次设置的硅衬底层、氮化镓层和氮化铝镓层。

在本实施例中，具体的，图2为实施例一的步骤101执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图，图2所示，氮化镓外延基底用标号11表示，硅衬底层用标号12表示，氮化镓层用标号13表示，氮化铝镓层用标号14表示，氧化铪层用标号15表示。

氮化镓是第三代宽禁带半导体材料，具有大禁带宽度、高电子饱和速率、高击穿电场、较高热导率、耐腐蚀和抗辐射性能等特性、并且在高压、高频、高温、大功率和抗辐照环境条件下具有较强的优势，从而是研究短波光电子器件和高压高频率大功率器件的最佳材料；其中，大禁带宽度为3.4电子伏特，高电子饱和速率为2e7厘米每秒，高击穿电场为1e10～-3e10伏特每厘米。

氮化镓外延基底11由硅(si)衬底层12、氮化镓(gan)层13和氮化铝镓(algan)层14构成，其中，硅衬底层12、氮化镓层13和氮化铝镓层14由下而上依次设置。

可以采用等离子体增强化学气相电积方法，在氮化镓外延基底中的氮化铝镓层14的表面上沉积一层氧化铪，从而形成氧化铪层15。

步骤102、对氧化铪层进行干法刻蚀，形成相对设置的源极接触孔和漏极接触孔。

在本实施例中，具体的，图3为实施例一的步骤102执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图，图3所示，源极接触孔用标号16表示，漏极接触孔用标号17表示。

采用干法刻蚀的方法，对氧化铪层14进行刻蚀，形成相对设置的源极接触孔16和漏极接触孔17。

步骤103、在源极接触孔和漏极接触孔内、以及氧化铪层的表面上，沉积第一金属层。

在本实施例中，具体的，图4为实施例一的步骤103执行过程中氮化镓 半导体器件的剖面示意图，图4所示，第一金属层用标号18表示。

可以采用磁控溅射镀膜工艺，在整个器件的表面沉积第一金属层18，具体来说，是在源极接触孔16和漏极接触孔17内、以及氧化铪层15的表面上，沉积了第一金属层18。

步骤104、对第一金属层进行光刻和刻蚀，形成欧姆接触电极窗口。

在本实施例中，具体的，图5为实施例一的步骤104执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图，图5所示，欧姆接触电极窗口用标号19表示。

对第一金属层18进行光刻和刻蚀，其中光刻的程序包括了涂胶、曝光和显影，从而可以形成一个欧姆接触电极窗口19；透过欧姆接触电极窗口19，可以看到氧化铪层15的部分表面。并且，源极接触孔16上的第一金属层18构成了器件的源极，漏极接触孔17上的第一金属层18构成了器件的漏极。

步骤105、对整个器件进行高温退火处理，以通过相互接触的刻蚀后的第一金属层与氮化铝镓层进行反应之后形成合金，以降低刻蚀后的第一金属层与氮化铝镓层的接触电阻。

在本实施例中，具体的，在反应炉中通入氮气气体，对整个器件进行一个高温退火的处理，从而刻蚀后的第一金属层18会成为合金，并且相互接触的刻蚀后的第一金属层18与氮化铝镓层14进行反应之后也可以在其接触面上形成合金，从而合金可以降低第一金属层18与氮化铝镓层14之间的接触电阻。

步骤106、通过欧姆接触电极窗口，对氧化铪层和氮化铝镓层进行干法刻蚀，形成栅极接触孔，其中，栅极接触孔的底部与氮化铝镓层的底部具有预设距离。

在本实施例中，具体的，图6为实施例一的步骤106执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图，图6所示，栅极接触孔用标号20表示。

采用干法刻蚀的方法，通过欧姆接触电极窗口19，对氧化铪层15以及部分的氮化铝镓层14，进行干法刻蚀，进而在器件上形成一个栅极接触孔20。其中，栅极接触孔20完全的穿透了氧化铪层15，并穿过部分的氮化铝镓层14，使得栅极接触孔20的底部与氮化铝镓层14的底部具有预设距离。

步骤107、在栅极接触孔和栅极接触孔的外边缘沉积第二金属层。

在本实施例中，具体的，图7为实施例一的步骤107执行过程中氮化镓 半导体器件的剖面示意图，图7所示，第二金属层用标号21表示。

采用磁控溅射镀膜工艺，在栅极接触孔20和栅极接触孔20的外边缘上沉积第二金属层21，从而第二金属层21构成了器件的栅极。

步骤108、在整个器件的表面沉积一层二氧化硅层。

在本实施例中，具体的，图8为实施例一的步骤108执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图，图8所示，二氧化硅层用标号22表示。

在整个器件的表面沉积一层二氧化硅(sio2)，形成二氧化硅层22，二氧化硅层22作为一层绝缘层。其中，二氧化硅层22在整个器件的表面进行均匀沉积，整体厚度相同，由于第一金属层18和第二金属层21的存在，从而在源极与栅极之间的二氧化硅层22、在栅极与漏极之间的二氧化硅层22是向下凹陷的。

步骤109、对源极接触孔上方的二氧化硅层进行干法刻蚀之后，形成开孔。

在本实施例中，具体的，图9为实施例一的步骤109执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图，图9所示，开孔用标号23表示。

对源极接触孔16上方的二氧化硅层22进行干法刻蚀，形成一个开孔23，其中开孔23的宽度小于源极接触孔16的外边缘的第二金属层18的宽度。

步骤1010、在开孔内、以及从源极接触孔延伸至栅极接触孔上方的二氧化硅层上沉积场板金属，形成场板金属层。

在本实施例中，具体的，图10为实施例一的步骤1010执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图，图10所示，场板金属层用标号24表示。

可以采用磁控溅射镀膜工艺，在开孔23内、以及从源极接触孔16的外边缘的第一金属层18直至栅极接触孔20的外边缘的第一金属层18上方的二氧化硅层22上沉积场板金属，从而形成场板金属层24。场板金属层24的厚度是均匀的，场板金属层24在开孔23的位置处、以及源极接触孔16与栅极接触孔20之间的位置处的是向下凹陷的。

本发明通过在氮化镓外延基底的表面上沉积氧化铪层；对氧化铪层进行干法刻蚀形成源极接触孔和漏极接触孔；在源极接触孔和漏极接触孔内、氧化铪层的表面上，沉积第一金属层；对第一金属层进行光刻和刻蚀，形成欧姆接触电极窗口；对整个器件进行高温退火处理，使得刻蚀后的第一金属层 与氮化镓外延基底中的氮化铝镓层进行反应之后形成合金，从而使得第一金属层与氮化铝镓层的接触面的接触良好，可以有效的降低第一金属层与氮化铝镓层的接触电阻；避免出现氮化镓半导体器件的漏电以及软击穿的问题；然后，对氧化铪层和氮化铝镓层进行干法刻蚀，形成栅极接触孔；在栅极接触孔和栅极接触孔的外边缘沉积第二金属层；在整个器件的表面沉积一层二氧化硅层；对源极接触孔上方的二氧化硅层进行干法刻蚀之后，形成开孔；在开孔内、以及从源极接触孔延伸至栅极接触孔上方的二氧化硅层上沉积场板金属，形成场板金属层。从而氧化铪层与氮化铝镓层中间的接触面上不易漏电，并且，氮化铝镓层的场强峰值较高，不易出现击穿氮化铝镓层的现象，进而避免了出现氮化镓半导体器件的漏电以及击穿的问题，有效的保护了氮化镓半导体器件，增强了氮化镓半导体器件的可靠性。

图11为本发明实施例二提供的氮化镓半导体器件的制备方法的流程示意图，在上述实施例的基础上，为了对本实施例中的方法进行清楚系统的描述，如图11所示，在步骤102之后，方法还包括：

步骤201、依次采用稀释后的氢氟酸溶液、过氧化氢与氢氧化氨的混合溶液、过氧化氢与氯化氢的混合溶液，对整个器件的表面进行表面处理，以去除整个器件的表面上的杂质物。

在本实施例中，具体的，在对氧化铪层15进行干法刻蚀之后，器件的表面会存在杂质、颗粒等杂质物，从而需要将杂质物从整个器件上去除。可以先采用dhf+sc1+sc2的方法，去除器件上的杂质物，具体来说，可以先采用稀释后的氢氟酸溶液处理器件，然后采用过氧化氢与氢氧化氨的碱性混合溶液处理器件，再采用过氧化氢与氯化氢的酸性混合溶液处理器件，进而可以去除整个器件的表面上的杂质物。

在步骤106之后，方法还包括：

步骤202、采用盐酸溶液清洗栅极接触孔，以去除栅极接触孔内的杂质物。

在本实施例中，具体的，在通过欧姆接触电极窗口19，对氧化铪层15以及部分的氮化铝镓层14进行干法刻蚀，形成一个栅极接触孔20之后，栅极接触孔20内会存在杂质、颗粒以及离子等杂质物，从而可以采用盐酸溶液清洗栅极接触孔20，将栅极接触孔20内的杂质物去除掉。

本实施例通过在对氧化铪层15进行干法刻蚀之后，采用dhf+sc1+sc2的方法去除器件上的杂质物；并形成栅极接触孔20之后，采用盐酸溶液将栅极接触孔20内的杂质物去除掉。从而可以有效的保证了器件的表面以及栅极接触孔20内的清洁，进而保证了氮化镓半导体器件的性能。

进一步的，在上述实施例的基础上，步骤103的具体实施方式包括：在源极接触孔和漏极接触孔内、以及氧化铪层的表面上，依次沉积第一钛金属层、铝金属层、第二钛金属层和氮化钛层，以形成第一金属层；其中，第一钛金属层的厚度为200埃，铝金属层的厚度为1200埃，第二钛金属层的厚度为200埃，氮化钛层的厚度为200埃。

并且，氧化铪层的厚度为2000埃。

步骤105的具体实施方式包括：在氮气气体的氛围下，在840摄氏度的环境下对整个器件进行30秒的高温退火处理。

并且，预设距离为氮化铝镓层的厚度的一半。二氧化硅层的厚度为5000埃。开孔的宽度小于栅极接触孔上方的第二金属层的宽度；场板金属的厚度为10000埃。

步骤1010的具体实施方式包括：在整个器件的表面上，沉积铝硅铜金属层；对铝硅铜金属层进行光刻和刻蚀，在开孔内、以及从源极接触孔延伸至栅极接触孔上方的二氧化硅层上形成场板金属层。

在本实施方式中，具体的，步骤101中氮化镓外延基底的表面沉积的氧化铪层15的厚度为2000埃。

步骤103的具体实施方式包括：采用磁控溅射镀膜工艺，在在源极接触孔16和漏极接触孔17内、以及氧化铪层15的表面上，首先沉积一层钛(ti)金属，从而形成第一钛金属层，第一钛金属层的厚度为200埃；然后再沉积一层铝(al)金属，形成铝金属层，铝金属层的厚度为1200埃；再沉积一层钛金属，形成第二钛金属层，第二钛金属层的厚度为200埃；最后再沉积一层氮化钛(tin)，形成氮化钛层，氮化钛层的厚度为200埃；从而四层金属层构成了第一金属层18。

步骤105的具体实施方式包括：利用氮气气体作为保护气体，在840摄氏度的环境下对整个器件进行30秒的高温退火处理的时候，第一钛金属层、铝金属层、第二钛金属层以及氮化钛层会发生反应，从而形成合金，并且第 一金属层18中的钛会与氮化铝镓层14中的氮发生反应，生成合金，进而降低第一金属层18与氮化铝镓层14的接触电阻。

其中，步骤106中，栅极接触孔20的底部与氮化铝镓层14的底部具有预设距离，为氮化铝镓层14的厚度的一半。

其中，步骤108中，在在整个器件的表面沉积的二氧化硅层22的厚度均匀，厚度为5000埃。

其中，步骤109中，开孔23的宽度小于栅极接触孔16上方外边缘的第二金属层18的宽度。

步骤1010的具体实施方式包括：可以采用磁控溅射镀膜工艺，在整个器件的表面上，沉积铝硅铜金属层；然后对铝硅铜金属层进行光刻和刻蚀，从而在开孔23内、以及从源极接触孔16的外边缘的第一金属层18直至栅极接触孔20的外边缘的第一金属层18上方的二氧化硅层22上形成场板金属层24，并且场板金属层24的厚度为10000埃，从而场板金属层24构成氮化镓半导体器件的源场板。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。