CN107230718A - 半导体器件及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体器件及制造方法，包括：衬底、位于衬底上的氮化镓GaN层、位于GaN层上的氮化镓铝AlGaN层、开设有栅极接触孔、源极接触孔和漏极接触孔的介质层、栅极、源极、以及漏极；介质层位于AlGaN层的表面上，栅极接触孔位于源极接触孔和漏极接触孔之间；源极和漏极分别包括填充源极接触孔和漏极接触孔的第一金属层，栅极包括填充栅极接触孔的第二金属层；衬底开设有通孔，通孔中填充铜。通过本发明提供的方案，能够有效改善器件的热消散。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种半导体器件及制造方法。
背景技术
随着高效完备的功率转换电路和系统需求的日益增加，具有低功耗和高速特性的功率器件最近吸引了很多关注。氮化镓(GaN)作为一种第三代宽禁带半导体材料，由于其具有大禁带宽度(3.4eV)、高电子饱和速率(2×107cm/s)、高击穿电场(1×1010--3×1010V/cm)，较高热导率，耐腐蚀和抗辐射性能，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，被认为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。
尤其是GaN基氮化镓铝(AlGaN)/GaN高迁移率晶体管成为功率器件中的研究热点。AlGaN/GaN抑制结处能够形成高浓度、高迁移率的二维电子气(2DEG)，同时异质结对2DEG具有良好的调节作用。但是通常，GaN高迁移率晶体管容易产生较大的热量，影响器件的电学特性和可靠性。
发明内容
本发明提供一种半导体器件及制造方法，用于解决现有的GaN高迁移率晶体管的散热问题。
本发明的第一方面提供一种半导体器件，包括：衬底、位于所述衬底上的氮化镓GaN层、位于所述GaN层上的氮化镓铝AlGaN层、开设有栅极接触孔、源极接触孔和漏极接触孔的介质层、栅极、源极、以及漏极；所述介质层位于AlGaN层的表面上，所述栅极接触孔位于所述源极接触孔和所述漏极接触孔之间；所述源极和所述漏极分别包括填充所述源极接触孔和所述漏极接触孔的第一金属层，所述栅极包括填充所述栅极接触孔的第二金属层；所述衬底开设有通孔，所述通孔中填充铜。
本发明的第二方面提供一种半导体器件制造方法，包括：在衬底上自下向上依次形成氮化镓GaN层、氮化镓铝AlGaN层和介质层；去除预设区域内的介质层，直至露出所述AlGaN层的表面，形成源极接触孔和漏极接触孔；在器件表面沉积第一金属层，对所述第一金属层进行刻蚀，直至露出所述介质层的表面，形成源极和漏极；对位于所述源极和所述漏极之间的部分介质层进行刻蚀，形成栅极接触孔；在所述栅极接触孔内填充第二金属层，形成栅极；在所述衬底的背面打孔，形成通孔，并在所述通孔中填充铜。
本发明提供的半导体器件及制造方法中，在衬底上依次形成GaN层、AlGaN层和介质层，介质层开设有栅极接触孔、源极接触孔和漏极接触孔，填充栅极接触孔的金属层形成栅极，填充源极接触孔的金属层形成源极，填充漏极接触孔的金属层形成漏极，其中衬底开设有通孔，通孔中填充铜，本方案中在衬底上打孔，并在通孔中填充便于导热的铜，可以增强器件的热消散，有效解决散热问题，提高器件的击穿特性和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的半导体器件的剖面结构示意图；
图2A为本发明实施例二提供的一种半导体器件制造方法的流程示意图；
图2B为本发明实施例二中形成栅极接触孔的流程示意图；
图2C为本发明实施例二中沉积第一金属层的流程示意图；
图2D为本发明实施例二中形成栅极的流程示意图；
图2E为本发明实施例二提供的另一种半导体器件制造方法的流程示意图；
图2F为本发明实施例二提供的又一种半导体器件制造方法的流程示意图；
图3A为本发明实施例二中形成GaN层、AlGaN层和介质层之后的所述半导体器件的剖面结构示意图；
图3B为本发明实施例二中形成源极接触孔和漏极接触孔之后的所述半导体器件的剖面结构示意图；
图3C为本发明实施例二中在器件表面沉积第一金属层之后的所述半导体器件的剖面结构示意图；
图3D为本发明实施例二中对第一金属层进行刻蚀之后的所述半导体器件的剖面结构示意图；
图3E为本发明实施例二中形成栅极接触孔之后的所述半导体器件的剖面结构示意图；
图3F为本发明实施例二中填充第二金属层之后的所述半导体器件的剖面结构示意图；
图3G为本发明实施例二中在衬底的背面打孔之后的所述半导体器件的剖面结构示意图。
附图标记：
11-衬底； 111-通孔； 112-铜；
12-GaN层； 13-AlGaN层； 14-介质层；
141-栅极接触孔； 142-源极接触孔； 143-漏极接触孔；
15-栅极； 16-源极； 17-漏极；
18-第一金属层； 19-第二金属层.
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。为了方便说明，放大或者缩小了不同层和区域的尺寸，所以图中所示大小和比例并不一定代表实际尺寸，也不反映尺寸的比例关系。
图1为本发明实施例一提供的半导体器件的剖面结构示意图，如图1所示，该器件包括：衬底11、位于衬底11上的氮化镓(GaN)层12、位于GaN层12上的氮化镓铝(AlGaN)层13、开设有栅极接触孔141、源极接触孔142和漏极接触孔143的介质层14、栅极15、源极16、以及漏极17；
介质层14位于AlGaN层13的表面上，栅极接触孔141位于源极接触孔142和漏极接触孔143之间；源极16和漏极17分别包括填充源极接触孔142和漏极接触孔143的第一金属层18，栅极15包括填充栅极接触孔141的第二金属层19；
衬底11开设有通孔111，通孔111中填充铜112。
其中，衬底11可以为半导体元素，例如单晶硅、多晶硅或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以为混合的半导体结构，例如碳化硅、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓、合金半导体或其组合。在实际应用中，衬底11具体还可以为在半导体衬底上生长的一层或多层半导体薄膜的外延片。可选的，本实施例中的衬底11可以为硅衬底。
为了更好地实现散热，通孔111可以设置在栅极15、源极16和漏极17下方。也就是说，在器件的有源区下方的衬底上打孔，通孔由铜填充。由于HEMT温度最高的区域通常位于电极下方的有源区，因此通过在有源区下方形成通孔，暴露电极下的热阻，通过铜向外界导热，从而进一步增强器件的热消散，改善器件的可靠性及电学特性。
可选的，介质层14可以为氮化硅(Si3N4)层。具体的，实际工艺中，可以在衬底11上依次叠加形成GaN层12和AlGaN层13，进一步的，在AlGaN层13表面沉积Si3N4层。
其中，栅极接触孔141的深度可以大于介质层14的厚度，也就是说，栅极接触孔141可以延伸至AlGaN层13，但不穿透AlGaN层，以形成较好的欧姆接触。
实际应用中，金属层的材料可以为金、银、铝、铂或钼，具体材料的选择可根据实际情况而定。可选的，第一金属层可以包括自下向上依次叠设的第一钛(Ti)层、铝(AL)层、第二钛(Ti)层和氮化钛(TiN)层。再可选的，第二金属层可以包括自下向上依次叠设的镍(Ni)层和金(Au)层。上述实施方式，通过改进电极结构改善器件特性。
本实施例提供的半导体器件，在衬底上依次形成GaN层、AlGaN层和介质层，介质层开设有栅极接触孔、源极接触孔和漏极接触孔，填充栅极接触孔的金属层形成栅极，填充源极接触孔的金属层形成源极，填充漏极接触孔的金属层形成漏极，其中衬底开设有通孔，通孔中填充铜，本方案中在衬底上打孔，并在通孔中填充便于导热的铜，可以增强器件的热消散，有效解决散热问题，提高器件的击穿特性和可靠性。
图2A为本发明实施例二提供的一种半导体器件制造方法的流程示意图，如图2A所示，所述方法包括：
201、在衬底上自下向上依次形成GaN层、AlGaN层和介质层。
具体地，执行201之后的所述半导体器件的剖面结构示意图如图3A所示，其中，所述衬底用标号11表示，所述GaN层用标号12表示，所述AlGaN层用标号13表示，所述介质层用标号14表示。
202、去除预设区域内的介质层，直至露出AlGaN层的表面，形成源极接触孔和漏极接触孔。
具体地，执行202之后的所述半导体器件的剖面结构示意图如图3B所示，其中，所述源极接触孔用标号142表示，所述漏极接触孔用标号143表示。
203、在器件表面沉积第一金属层，对第一金属层进行刻蚀，直至露出介质层的表面，形成源极和漏极。
具体地，执行203中在器件表面沉积第一金属层之后的所述半导体器件的剖面结构示意图如图3C所示，其中，所述第一金属层用标号18表示。执行203中对第一金属层进行刻蚀之后的所述半导体器件的剖面结构示意图如图3D所示，其中，所述源极用标号16表示，所述漏极用标号17表示。
实际工艺中，可以通过涂胶、曝光、显影等工艺对第一金属层进行光刻刻蚀，从而形成源极和漏极。
204、对位于源极和漏极之间的部分介质层进行刻蚀，形成栅极接触孔。
具体地，执行204之后的所述半导体器件的剖面结构示意图如图3E所示，其中，所述栅极接触孔用标号141表示。
205、在所述栅极接触孔内填充第二金属层，形成栅极。
具体地，执行205之后的所述半导体器件的剖面结构示意图如图3F所示，其中，所述栅极用标号15表示，所述第二金属层用标号19表示。
206、对所述衬底的背面打孔，形成通孔，并在所述通孔中填充铜。
具体地，执行206中在衬底的背面打孔之后的所述半导体器件的剖面结构示意图如图3G所示，其中，所述通孔用标号111表示。执行206中在通孔中填充铜之后的所述半导体器件的剖面结构示意图如图1所示，其中，所述铜用标号112表示。
其中，衬底可以为半导体元素，例如单晶硅、多晶硅或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以为混合的半导体结构，例如碳化硅、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓、合金半导体或其组合。在实际应用中，衬底具体还可以为在半导体衬底上生长的一层或多层半导体薄膜的外延片。可选的，本实施例中的衬底11可以为硅衬底。介质层14可以为氮化硅(Si3N4)层。
为了更好地实现散热，通孔可以设置在栅极、源极和漏极下方。也就是在器件的有源区下方的衬底上打孔，通孔由铜填充。由于HEMT温度最高的区域通常位于电极下方的有源区，因此通过在有源区下方形成通孔，暴露电极下的热阻，通过铜向外界导热，从而进一步增强器件的热消散，改善器件的可靠性及电学特性。
在一种可实施方式中，如图2B所示，图2B为本发明实施例二中形成栅极接触孔的流程示意图，在前述任一实施方式的基础上，204具体可以包括：
301、采用干法刻蚀，对位于源极和漏极之间的介质层和部分AlGaN层进行刻蚀，以暴露AlGaN层的表面，形成栅极接触孔。
通过本实施方式，栅极接触孔的深度大于介质层的厚度，栅极延伸至AlGaN层，优化器件特性。
在另一种可实施方式中，如图2C所示，图2C为本发明实施例二中沉积第一金属层的流程示意图，在前述任一实施方式的基础上，203中所述在器件表面沉积第一金属层，具体可以包括：
401、采用磁控溅射镀膜工艺，依次沉积第一钛Ti层、铝AL层、第二钛Ti层和氮化钛TiN层，其中，第一Ti层的厚度为200埃，AL层的厚度为1200埃，第二Ti层的厚度为200埃，TiN层的厚度为200埃。
具体的，第一金属层由自下向上叠加设置的Ti层、AL层、Ti层和TiN层通过磁控溅射镀膜工艺形成，以优化电极特性。
同样的，为了进一步优化栅极特性，减小栅漏电，如图2D所示，图2D为本发明实施例二中形成栅极的流程示意图，在前述任一实施方式的基础上，205具体可以包括：
501、在所述栅极接触孔内依次沉积镍(Ni)层和金(Au)层，形成所述栅极。
具体的，栅极由自下向上叠加设置的Ni层和Au层构成。
此外，在实际工艺中，还可以通过进行表面处理、退火等工艺提高器件特性。
可选的，如图2E所示，图2E为本发明实施例二提供的另一种半导体器件制造方法的流程示意图，在前述任一实施方式的基础上，在203之前，所述方法还可以包括：
601、利用稀氟氢酸(DHF)、SC1、和SC2的混合物，对器件表面进行表面处理。
本实施方式中，在进行第一金属层的淀积前，先采用稀氟氢酸(DHF)、SC1、和SC2的混合物对器件表面进行清洗，以对接触孔的表面进行优化处理，以提高后续淀积金属层的质量，进而提高器件特性。
再可选的，如图2F所示，图2F为本发明实施例二提供的又一种半导体器件制造方法的流程示意图，在前述任一实施方式的基础上，在203之后，所述方法还可以包括：
701、在840摄氏度(℃)的条件下，在氮气(N2)氛围内退火30秒(s)。
本实施方式通过在形成源极和漏极后进行退火工艺，进一步优化源极和漏极与半导体之间的欧姆接触，进而提高器件特性。
本实施例提供的半导体器件制作方法中，在衬底上依次形成GaN层、AlGaN层和介质层，介质层开设有栅极接触孔、源极接触孔和漏极接触孔，填充栅极接触孔的金属层形成栅极，填充源极接触孔的金属层形成源极，填充漏极接触孔的金属层形成漏极，其中衬底开设有通孔，通孔中填充铜，本方案中在衬底上打孔，并在通孔中填充便于导热的铜，可以增强器件的热消散，有效解决散热问题，提高器件的击穿特性和可靠性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。
Claims (10)
1.一种半导体器件，其特征在于，包括：衬底、位于所述衬底上的氮化镓GaN层、位于所述GaN层上的氮化镓铝AlGaN层、开设有栅极接触孔、源极接触孔和漏极接触孔的介质层、栅极、源极、以及漏极；
所述介质层位于AlGaN层的表面上，所述栅极接触孔位于所述源极接触孔和所述漏极接触孔之间；所述源极和所述漏极分别包括填充所述源极接触孔和所述漏极接触孔的第一金属层，所述栅极包括填充所述栅极接触孔的第二金属层；
所述衬底开设有通孔，所述通孔中填充铜。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述通孔设置在所述栅极、所述源极和所述漏极下方。
3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述介质层为氮化硅Si3N4层。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的器件，其特征在于，所述栅极接触孔的深度大于所述介质层的厚度。
5.一种半导体器件制造方法，其特征在于，包括：
在衬底上自下向上依次形成氮化镓GaN层、氮化镓铝AlGaN层和介质层；
去除预设区域内的介质层，直至露出所述AlGaN层的表面，形成源极接触孔和漏极接触孔；
在器件表面沉积第一金属层，对所述第一金属层进行刻蚀，直至露出所述介质层的表面，形成源极和漏极；
对位于所述源极和所述漏极之间的部分介质层进行刻蚀，形成栅极接触孔；
在所述栅极接触孔内填充第二金属层，形成栅极；
在所述衬底的背面打孔，形成通孔，并在所述通孔中填充铜。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对位于所述源极和所述漏极之间的部分介质层进行刻蚀，形成栅极接触孔，包括：
采用干法刻蚀，对位于所述源极和所述漏极之间的介质层和部分AlGaN层进行刻蚀，以暴露所述AlGaN层的表面，形成所述栅极接触孔。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在器件表面沉积第一金属层之前，还包括：
利用稀氟氢酸DHF、SC1、和SC2的混合物，对器件表面进行表面处理。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述在器件表面沉积第一金属层，包括：
采用磁控溅射镀膜工艺，依次沉积第一钛Ti层、铝AL层、第二钛Ti层和氮化钛TiN层，其中，所述第一Ti层的厚度为200埃，所述AL层的厚度为1200埃，所述第二Ti层的厚度为200埃，所述TiN层的厚度为200埃。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对所述第一金属层进行刻蚀，直至露出所述介质层的表面，形成源极和漏极之后，还包括：
在840摄氏度的条件下，在氮气N2氛围内退火30s。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的方法，其特征在于，所述在所述栅极接触孔内填充第二金属层，形成栅极，包括：
在所述栅极接触孔内依次沉积镍Ni层和金Au层，形成所述栅极。
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