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，而得到常开型的氮化镓半导体器件。

现有技术中，常开型的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部分氮化铝镓层，形成一个栅极孔，在栅极孔中依次沉积一层氮化硅层以及金属层，从而形成栅极。

然而现有技术中，由于只是刻蚀了氮化硅层以及氮化镓外延基底中的部分氮化铝镓层而得到栅极孔，从而栅极没有穿透氮化镓外延基底中的氮化铝镓层，采用现有的制备方法制得的常开型的氮化镓半导体器件在与硅器件进行相互连接的时候，得到的发射极共基极形式封装的氮化镓半导体器件在栅极处会存在寄生电感，从而在高频情况下，整个开关系统会产生很大的开关损耗，进而会降低整个开关系统的性能。

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，用以解决现有的制备方法制得的常开型的氮化镓半导体器件在与硅器件进行相互连接的时候，得到的发射极共基极形式封装的氮化镓半导体器件在栅极处会存在寄生电感，从而在高频情况下，整个开关系统会产生很大的开关损耗，进而会降低整个开关系统的性能。

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氮化镓，形成第一氮化镓层，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、第二氮化镓层和第一氮化铝镓层；

在所述第一氮化镓层的表面上沉积氮化铝镓，形成第二氮化铝镓层；

在所述第二氮化铝镓层的表面上沉积氮化硅，形成第一氮化硅层；

对所述第一氮化硅层进行干法刻蚀，形成相对设置的源极接触孔和漏极接触孔；

在所述源极接触孔和所述漏极接触孔内，沉积第一金属层，其中，所述第一金属层的高度大于所述源极接触孔、所述漏极接触孔的高度；

对干法刻蚀后的第一氮化硅层、以及所述第二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为所述第一氮化镓层的上表面；

在所述栅极接触孔内沉积氮化硅介质层之后，在所述栅极接触孔内沉积第二金属层，其中，所述第二金属层的上表面高于所述第一氮化硅层的上表面。

如上所述的方法中，所述第一氮化硅层的厚度为350埃。

如上所述的方法中，在所述对所述第一氮化硅层进行干法刻蚀，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，所述在所述源极接触孔和所述漏极接触孔内，沉积第一金属层，包括：

在整个器件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，以形成金属合层，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；

对所述金属合层进行光刻和刻蚀，以去除第一氮化硅层的表面上的金属合层，以在所述源极接触孔和所述漏极接触孔内形成所述第一金属层。

如上所述的方法中，在所述源极接触孔和所述漏极接触孔内，沉积第一金属层之后，还包括：

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，以通过相互接触的所述第一金属层与所述第二氮化铝镓层进行反应之后形成合金，以降低所述第一金属层与所述第二氮化铝镓层的接触电阻。

如上所述的方法中，在所述对干法刻蚀后的第一氮化硅层、以及所述第二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，所述在所述栅极接触孔内沉积氮化硅介质层，包括：

在整个器件的表面沉积第二氮化硅层；

对所述第二氮化硅层进行干法刻蚀，去除所述第一金属层的表面、所述第一氮化硅层的表面上的第二氮化硅层，并去除所述栅极接触孔内的预设厚度的第二氮化硅层，以形成所述氮化硅介质层；

其中，所述氮化硅介质层的厚度为所述第二氮化铝镓层的厚度的一半。

如上所述的方法中，所述在所述栅极接触孔内沉积第二金属层，包括：

在整个器件的表面上，依次沉积镍金属层、金金属层；

对所述镍金属层、金金属层进行光刻和刻蚀，以在所述栅极接触孔内沉积第二金属层，其中，所述第二金属层构成整个器件的栅极。

如上所述的方法中，在所述栅极接触孔内沉积第二金属层之后，还包括：

采用6英寸的硅工艺线对整个器件进行封装处理。

本发明通过在氮化镓外延基底的表面上沉积氮化镓，形成第一氮化镓层，其中，氮化镓外延基底包括由下而上依次设置的硅衬底层、第二氮化镓层和第一氮化铝镓层；在第一氮化镓层的表面上沉积氮化铝镓，形成第二氮化铝镓层；在第二氮化铝镓层的表面上沉积氮化硅，形成第一氮化硅层；对第一氮化硅层进行干法刻蚀，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，沉积第一金属层，其中，第一金属层的高度大于源极接触孔、漏极接触孔的高度；对干法刻蚀后的第一氮化硅层、以及第二氮化铝镓层进行干法刻蚀，形成栅极接触孔，其中，栅极接触孔的底部为第一氮化镓层的上表面；在栅极接触孔内沉积氮化硅介质层之后，在栅极接触孔 内沉积第二金属层，其中，第二金属层的上表面高于第一氮化硅层的上表面。从而第二氮化镓层、第一氮化铝镓层、第一氮化镓层以及第二氮化铝镓层构成了两层沟道结构，进而形成了一种阈值电压增强结构，同时栅极接触孔穿透了第二氮化铝镓层，栅极的底部与第一氮化镓层接触，从而得到氮化镓半导体器件在与硅器件进行相互连接的时候，消除得到的氮化镓半导体器件在栅极处可能产生的寄生电感，在高频情况下，降低整个开关系统的开关损耗，进而提高了氮化镓半导体器件以及整个开关系统的性能和可靠性。

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105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106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107执行过程中氮化镓半导体器件的第一剖面示意图；

图9为实施例一的步骤107执行过程中氮化镓半导体器件的第二剖面示意图；

图10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氮化镓，形成第一氮化镓层，其中，氮化镓外延基底包括由下而上依次设置的硅衬底层、第二氮化镓层和第一氮化铝镓层。

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，第二氮化镓层用标号13表示，第一氮化铝镓层用标号14表示，第一氮化镓层用标号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、第二氮化镓(gan)层13和第一氮化铝镓(algan)层14构成，其中，硅衬底层12、第二氮化镓层13和第一氮化铝镓层14由下而上依次设置。

可以采用电子回旋共振低温等离子体化学气相沉积氮化镓薄膜工艺，在反应炉中通入高纯度的氮气(n2)以及三甲基镓(tmg)为反应气源，在450摄氏度的条件下，在氮化镓外延基底11的表面上沉积一层氮化镓，从而在氮化镓外延基底11的表面上形成第一氮化镓层15。

步骤102、在第一氮化镓层的表面上沉积氮化铝镓，形成第二氮化铝镓层。

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，第二氮化铝镓层用标号16表示。

在第一氮化镓层15的表面上生长氮化铝镓，从而在第一氮化镓层15的表面上沉积一层第二氮化铝镓层16。

步骤103、在第二氮化铝镓层的表面上沉积氮化硅，形成第一氮化硅层。

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，第一氮化硅层用标号17表示。

可以采用等离子体增强化学气相电积方法，在反应炉中通入硅烷(sih4)气体、氧气(o2)、一氧化氮(no)气体的混合气体，或者通入硅烷气体、氧气、二氧化碳(co2)气体的混合气体，从而混合气体进行反应之后生成氮化硅(si3n4)气体，进而在第二氮化铝镓层16的表面上沉积一层氮化硅，从而形成第一氮化硅层17。

步骤104、对第一氮化硅层进行干法刻蚀，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，源极接触孔用标号18表示，漏极接触孔用标号19表示。

采用干法刻蚀的方法，对第一氮化硅层17进行刻蚀，形成相对设置的源极接触孔18和漏极接触孔19。

步骤105、在源极接触孔和漏极接触孔内，沉积第一金属层，其中，第一金属层的高度大于源极接触孔、漏极接触孔的高度。

在本实施例中，具体的，图6为实施例一的步骤105执行过程中氮化镓半导体器件的剖面示意图，图6所示，第一金属层用标号20表示。

可以采用磁控溅射镀膜工艺，在源极接触孔18和漏极接触孔19内沉积了第一金属层20。源极接触孔18上的第一金属层20构成了器件的源极，漏极接触孔18上的第一金属层20构成了器件的漏极。其中，其中，第一金属层20的高度大于源极接触孔18、以及漏极接触孔19的高度。

步骤106、对干法刻蚀后的第一氮化硅层、以及第二氮化铝镓层进行干法刻蚀，形成栅极接触孔，其中，栅极接触孔的底部为第一氮化镓层的上表面。

在本实施例中，具体的，图7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所示，栅极接触孔用标号21表示。

采用干法刻蚀的方法，对干法刻蚀后的第一氮化硅层17，以及第二氮化铝镓层16进行干法刻蚀，进而在器件上形成一个栅极接触孔21。其中，栅极接触孔21完全的穿透了第一氮化硅层17，并完全穿透了第二氮化铝镓层16，使得栅极接触孔21的底部为第一氮化镓层15的上表面。

步骤107、在栅极接触孔内沉积氮化硅介质层之后，在栅极接触孔内沉积第二金属层，其中，第二金属层的上表面高于第一氮化硅层的上表面。

在本实施例中，具体的，图8为实施例一的步骤107执行过程中氮化镓半导体器件的第一剖面示意图，图9为实施例一的步骤107执行过程中氮化镓半导体器件的第二剖面示意图，图8和图9所示，氮化硅介质层用标号22表示，第二金属层用标号23表示。

可以采用低压化学气相沉积方法，在反应炉中通入二氯硅烷(sih2cl2)和氨气(nh3)气体，在高温下，两种气体发生化学反应，生成氮化硅，氮化硅沉积在栅极接触孔21内，形成氮化硅介质层22，其中，氮化硅介质层22的厚度小于栅极接触孔21的深度。

然后，采用磁控溅射镀膜工艺，在栅极接触孔21内沉积第二金属层23，从而第二金属层23构成了器件的栅极。其中，第二金属层23的上表面高于第一氮化硅层17的上表面。

本实施例通过在氮化镓外延基底的表面上依次沉积第一氮化镓层、第二氮化铝镓层，其中，氮化镓外延基底包括由下而上依次设置的硅衬底层、第二氮化镓层和第一氮化铝镓层；在第二氮化铝镓层的表面上沉积第一氮化硅层；对第一氮化硅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，沉积第一金属层；对干法刻蚀后的第一氮化硅层、以及第二氮化铝镓层进行干法刻蚀，形成栅极接触孔，其中，栅极接触孔的底部为第一氮化镓层的上表面；在栅极接触孔内沉积氮化硅介质层之后，在栅极接触孔内沉积第二金属层。从而第二氮化镓层、第一氮化铝镓层、第一氮化镓层以及第二氮化铝镓层构成了两层沟道结构，进而形成了一种阈值电压增强结构，同时栅极接触孔穿透了第二氮化铝镓层，栅极的底部与第一氮化镓层接触，从而得到氮化镓半导体器件在与硅器件进行相互连接的时候，消除得到的氮化镓半导体器件在栅极处可能产生的寄生电感，在高频情况下， 降低整个开关系统的开关损耗，进而提高了氮化镓半导体器件以及整个开关系统的性能和可靠性。

图10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10所示，在步骤104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，在对第一氮化硅层17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。

步骤105，包括：

步骤1051、在整个器件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，以形成金属合层，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。

在本实施例中，具体的，采用磁控溅射镀膜工艺，在在源极接触孔18和漏极接触孔19内、以及第一氮化硅层17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金属合层。

步骤1052、对金属合层进行光刻和刻蚀，以去除第一氮化硅层的表面上的金属合层，以在源极接触孔和漏极接触孔内形成第一金属层。

在本实施例中，具体的，对步骤1051中形成的金属合层进行光刻和刻蚀，其中光刻的程序包括了涂胶、曝光和显影，去除第一氮化硅层17的表面上的 金属合层，从而可以形成一个欧姆接触电极窗口；透过欧姆接触电极窗口，可以看到第一氮化硅层17的上表面。从而在源极接触孔18内形成了第一金属层20，在漏极接触孔19内形成了第一金属层20。

在步骤105之后，还包括：

步骤202、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，以通过相互接触的第一金属层与第二氮化铝镓层进行反应之后形成合金，以降低第一金属层与第二氮化铝镓层的接触电阻。

在本实施例中，具体的，然后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，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20中的钛会与第二氮化铝镓层16中的氮发生反应，生成合金，进而降低第一金属层20与第二氮化铝镓层16的接触电阻。

在步骤106之后，方法还包括：

步骤203、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，在对第一氮化硅层17，以及第二氮化铝镓层16进行干法刻蚀，进而在器件上形成一个栅极接触孔21之后，栅极接触孔21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21，将栅极接触孔21内的杂质物去除掉。

在步骤107之后，方法还包括：

步骤204、采用6英寸的硅工艺线对整个器件进行封装处理。

在本实施例中，具体的，可以采用6英寸的硅工艺线对整个器件进行封装处理，提高整个器件的性能和可靠性。

本实施例通过在对第一氮化硅层进行干法刻蚀之后，采用dhf+sc1+sc2的方法去除器件上的杂质物；并形成栅极接触孔之后，采用盐酸溶液将栅极接触孔内的杂质物去除掉。从而可以有效的保证了器件的表面以及栅极接触孔内的清洁，进而保证了氮化镓半导体器件的性能；通过对整个器件进行高温退火处理，可以降低第一金属层与第二氮化铝镓层的接触电阻。并且第二氮化镓层、第一氮化铝镓层、第一氮化镓层以及第二氮化铝镓层构成了两层 沟道结构，进而形成了一种阈值电压增强结构，同时栅极接触孔穿透了第二氮化铝镓层，栅极的底部与第一氮化镓层接触，从而得到氮化镓半导体器件在与硅器件进行相互连接的时候，消除得到的氮化镓半导体器件在栅极处可能产生的寄生电感；同时采用6英寸的硅工艺线对整个器件进行封装处理在高频情况下，从而可以降低整个开关系统的开关损耗，进而提高了氮化镓半导体器件以及整个开关系统的性能和可靠性。

进一步的，在上述实施例的基础上，第一氮化硅层的厚度为350埃。

步骤107的具体实施方式，包括：

在整个器件的表面沉积第二氮化硅层；

对第二氮化硅层进行干法刻蚀，去除第一金属层的表面、第一氮化硅层的表面上的第二氮化硅层，并去除栅极接触孔内的预设厚度的第二氮化硅层，以形成氮化硅介质层；其中，氮化硅介质层的厚度为第二氮化铝镓层的厚度的一半；

在整个器件的表面上，依次沉积镍金属层、金金属层；

对镍金属层、金金属层进行光刻和刻蚀，以在栅极接触孔内沉积第二金属层，其中，第二金属层构成整个器件的栅极。

在本实施例方式中，具体的，步骤103中氮化镓外延基底的表面沉积的第一氮化硅层17的厚度为350埃。

步骤107的具体实施方式包括：可以采用低压化学气相沉积方法，在反应炉中通入二氯硅烷和氨气气体，在高温下，两种气体发生化学反应，生成氮化硅，氮化硅沉积在整个器件的表面，从而形成第二氮化硅层。对整个器件表面的第二氮化硅层进行干法刻蚀，去除掉第一金属层20的表面上的第二氮化硅层、并去除掉第一氮化硅层17的表面上的第二氮化硅层，同时将栅极接触孔21内的预设厚度的第二氮化硅层去除掉，进而可以只在栅极接触孔21内保留厚度为第二氮化铝镓层16的一半厚度的第二氮化硅层，从而在栅极接触孔21内形成氮化硅介质层22，即氮化硅介质层22厚度为第二氮化铝镓层16的厚度的一半。然后，采用磁控溅射镀膜工艺，在整个器件的表面上依次沉积一层镍(ni)金属层、一层金(au)金属层，然后对镍金属层、金金属层进行涂胶、曝光和显影的光刻程序，然后进行刻蚀，从而将第一金属层20上的镍金属和金金属、以及第一氮化硅层17上的镍金属和金金属去除， 进而在栅极接触孔21内保留第二金属层23，并且，其中，第二金属层23的上表面高于第一氮化硅层17的上表面，从而第二金属层23构成整个器件的栅极。

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。