CN117976621A - 一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶体管技术领域，具体涉及一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管及其制作方法，包括以下步骤：晶圆正面制作刻蚀阻挡层并实现图形化，然后从上往下依次刻蚀得到深孔，然后去除残留，进行金属化填孔。由于尚未制作源、漏、栅等影响器件特性的关键结构，此处清洗具备极大的工艺窗口，可以采用超声清洗的方式，确保孔壁及孔底副产物去除完全。

Description

一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管及其制作方法

技术领域

本发明涉及晶体管技术领域，具体涉及一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管及其制作方法。

背景技术

GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）具备高电子迁移率、高二维电子气浓度、高击穿电场的技术特点，在高频高压技术领域具备突出优势，已逐渐成为射频/微波功率放大器的首选技术。

GaN HEMT工艺分为正面工艺与背面工艺。其中，正面工艺主要由欧姆接触、器件隔离、肖特基接触、介质钝化与开孔、布线等工艺步骤构成；背面工艺主要由晶圆减薄、通孔制作、划片道制作等工艺步骤组成。

正面工艺负责形成栅、源、漏电极并实现各电极互连，背面工艺实现正面器件与背面金属接地面的互连。通孔是微带传输的必备要素，也是晶体管接地的直接途径，其重要性十分突出：通孔工艺的好坏直接关系到器件功能的实现与否、器件性能的优劣以及器件长期可靠性能否过关。

目前典型的GaN HEMT背孔制作工艺主要由衬底刻蚀、GaN/AlGaN刻蚀、孔清洗、孔金属化等步骤构成，其技术关键点包括：通孔刻蚀深度与一致性控制、孔底与孔壁副产物清洗。通孔刻蚀过程需要依次刻蚀近百微米厚的衬底晶体和一至两微米厚的GaN/AlGaN层，其中衬底材料厚度波动高达数个微米乃至十微米，对刻蚀一致性提出了极大的挑战。此外，衬底材料硬而脆，刻蚀难度较大，通常采用高密度氟基等离子体刻蚀，刻蚀偏置功率较大，刻蚀过程中的物理化学反应强烈，一般的光刻胶或介质均无法承受如此长时间的高强度消耗，因此在刻蚀衬底时通常选择金属硬掩膜来作为刻蚀阻挡层，这也导致刻蚀过程生成大量副产物附着在孔壁以及孔底。为不影响后续GaN/AlGaN层的刻蚀，必须及时去除。GaN/AlGaN层的刻蚀通常采用氯基等离子体，该等离子体对正面金属也具备较强的刻蚀能力，因此需要精确控制刻蚀深度以确保GaN/AlGaN刻蚀完全的同时不造成正面金属层过多损耗。在GaN/AlGaN刻蚀过程中，不可避免会消耗部分背面金属，这个过程会在孔底形成大量不稳定的副产物，需要在孔金属化前予以去除。

针对上述技术难点，目前工业界主要有以下对策：通过工艺设计与工艺优化，提高衬底和GaN的刻蚀选择比，使得衬底刻蚀后界面停在GaN层并且对GaN层消耗较少，去除金属硬掩膜后采用定制清洗剂浸泡清洗孔壁及孔底副产物，必要时需要叠加一定时间的超声清洗方能有效去除。超声清洗可能会对晶体管造成损伤，只能受限制使用，这样的手段工艺窗口狭窄，极度挑战工艺控制能力。在随后的GaN/AlGaN刻蚀过程中，由于作为衬底刻蚀时的阻挡层受到一定程度的消耗，不同位置的GaN厚度存在较大差异，而氯基等离子体对GaN和正面金属的选择比不高，不可避免导致各个点位正面金属的消耗情形存在一定差异，这个过程也涉及到工艺窗口的选择问题，即：既要确保GaN/AlGaN刻蚀完全，又要控制过刻蚀程度。上述要求已经被纳入GJB548C-2021《微电子器件试验方法和程序》方法2010.2中，要求越来越严格。与此同时，GaN/AlGaN刻蚀过程中也会产生大量副产物附着在孔底周围，且其性质极不稳定，必须在孔金属化之前完全去除。上述副产物去除方式仍然是定制清洗剂浸泡清洗，必要时叠加一定程度的超声清洗，其所带来的问题与衬底刻蚀后副产物清洗过程近乎一致。

总的来看，目前所采用的背面通孔制造工艺对刻蚀一致性要求极高，且刻蚀过程产生的副产物清洗难度大，清洗手段受限，清洗过程极大概率对晶体管造成潜在损伤，构成器件潜在失效可能。由于工艺窗口较窄，对来料状态和工艺控制能力要求极高，工程实践中不可避免出现各种各样的问题，制约了GaN高电子迁移率晶体管及其电路的良率提升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管及其制作方法，解决现有技术中背面通孔制造工艺对刻蚀一致性要求极高，且刻蚀过程产生的副产物清洗难度大的技术问题。

本发明公开了一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管制作方法，包括以下步骤：

晶圆正面制作刻蚀阻挡层并实现图形化，然后从上往下依次刻蚀得到深孔，然后去除残留，进行金属化填孔。

由于尚未制作源、漏、栅等影响器件特性的关键结构，此处清洗具备极大的工艺窗口，可以采用超声清洗的方式，确保孔壁及孔底副产物去除完全。

进一步的，所述深孔为上往下依次刻蚀in-situ SiN、AlGaN/GaN和衬底层得到，所述衬底层刻蚀为80-110μm。

进一步的，所述in-situ SiN、AlGaN/GaN和衬底层通过ICP-RIE刻蚀。

进一步的，所述衬底层材料可以是碳化硅、硅、蓝宝石、氮化镓及金刚石。

进一步的，所述晶圆表面溅射种子层金属然后再制作图形化的刻蚀阻挡层。

进一步的，所述种子层金属为TiW/Au，其中TiW厚度为200-500 Å，Au厚度为1000-2000 Å。

进一步的，所述刻蚀阻挡层为图形化的金属Ni，厚度为5~10μm。

进一步的，所述金属化填孔具体为进行种子层溅射、电镀填孔、金属磨抛和金属图形化。

进一步的，所述填孔的金属为Au或Cu。

进一步的，金属图形化后制备源漏金属和栅金属。

进一步的，所述栅金属制备完成后继续进行剩余正面工艺。

进一步的，所述剩余正面工艺包括第二次介质生长、场板制作、第一次金属布线、第三次介质生长、第二次金属布线和正面保护层。

进一步的，正面工艺完成后进行背面工艺。

进一步的，所述背面工艺包括衬底减薄、背面金属制作和解键合。

进一步的，背面晶圆减薄过程中为两段：第一段通过磨抛减薄衬底至通孔金属略微暴露，第二段在继续减薄衬底的同时需在磨抛液中引入通孔金属对应的腐蚀液，直至将衬底厚度减薄至目标厚度，同时，通孔金属和衬底几乎处于同一水平面，便于后续工艺开展。

进一步的，背面晶圆减薄为减薄至75-100μm。

一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管，使用上述方法制得。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1.本发明通过通孔工艺前置在源、漏、栅极制作之前，完全规避了通孔刻蚀副产物清洗过程对晶体管的损伤，清洗工艺窗口宽阔，清洗效果得到充分保障；

2.本发明引入了实心电镀填孔工艺，提高源极电流承载能力的同时有效降低了源极电阻，有利于提高器件的高频特性；

3.先通孔技术提前释放了部分应力，有助于提高正面工艺后器件性能与最终器件性能的一致性，减少测试筛选成本；

4.先通孔技术未增加光刻掩膜版，工步数量与后通孔技术相当，规避后通孔的技术不足之后，先通孔技术有助于提高氮化镓高电子迁移率晶体管的制造良率，进而降低其制造成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本发明工艺加工前GaN的外延结构；

图2为本发明晶圆正面电镀刻蚀阻挡层并完成图形化；

图3为等离子体刻蚀深孔；

图4为金属化填孔；

图5为源漏金属图形化；

图6为刻蚀in-situ SiN；

图7为完成源漏金属制作；

图8为生长SiN用作保护和钝化层；

图9为制作栅金属；

图10为完成正面工艺之后的晶圆通过键合材料倒扣键合到载片上；

图11为衬底研磨减薄；

图12为制作背面金属；

图13为解键合。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

实施例1

本实施例中所采用上述装置的一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管制作方法，如图1-图13所示，包括以下步骤：

A.从图1可以看出从下往上依次为：衬底层、AlGaN/GaN异质结层和in-situ SiN层，原位生长SiN层厚度为10-30nm，生长方式为MOCVD，作用为保护半导体表面，晶圆表面溅射种子层金属，优选TiW/Au，其中TiW厚度为200-500 Å，Au厚度为1000-2000 Å；制作图形化的金属Ni用作刻蚀阻挡层，厚度5~10μm，图形化主要用于暴露出后续被刻蚀的特定位置，其方法为先整面电镀金属Ni后采用正胶曝光显影定义图形，再腐蚀暴露出的金属Ni及其下面的种子层金属；或者采用负胶曝光显影再电镀金属Ni的方式，电镀之后去除堵孔的负胶即可；

B.刻蚀in-situ SiN，优选ICP-RIE刻蚀，采用F基等离子体，刻蚀速率100-300 Å/min；

C.刻蚀AlGaN/GaN，优选ICP-RIE刻蚀，采用Cl基等离子体，刻蚀速率150-300 nm/min，刻蚀完成后置于去离子水中超声清洗直至完全去除副产物；

D.刻蚀衬底，采用ICP-RIE刻蚀，采用衬底材料对应的刻蚀气体，刻蚀速率0.8-1.2μm/min，刻蚀目标深度80-110μm，刻蚀均匀性±5%，刻蚀完成后置于去离子水中超声清洗直至完全去除副产物；

E.采用硝酸、双氧水混合溶液腐蚀金属Ni，腐蚀速率0.5~1μm/min；

F.采用Au专用KI腐蚀液腐蚀Au；

G.采用加热的双氧水溶液腐蚀TiW，双氧水加热温度为40-50℃，刻蚀通孔时的ICP-RIE设备具备多腔室，不同气氛的刻蚀工艺分别在不同腔室中进行，避免交叉污染，由于尚未制作源、漏、栅等影响器件特性的关键结构，此处清洗具备极大的工艺窗口，可以采用超声清洗的方式，确保孔壁及孔底副产物去除完全；

H.再次溅射种子层金属，继而电镀金属填充深孔，填孔金属为Au或Cu；

I.金属磨抛后曝光显影，经腐蚀获得图形化金属；

J.匀涂负胶，厚度1.6-2.0μm，曝光显影后获得源漏图形；

K.刻蚀in-situ SiN，优选ICP-RIE刻蚀，采用F基等离子体，刻蚀速率100-150 Å/min；

L.经HCl清洗后蒸镀源漏金属，典型为Ti/Al系多层金属，总厚度2500-3500 Å；

M.剥离后进退火炉快速热退火，形成欧姆接触，典型退火条件为830-870℃，20-60s；

N.生长一层介质用于保护晶体管表面，介质优选氮化硅，生长方式为PECVD，介质厚度为800-2000 Å；

O.器件隔离，优选采用离子注入的平面隔离方式，离子为F、B、N等；

P.介质开孔，露出源漏金属图形；

Q.制作栅电极先采用正胶曝光显影后刻蚀SiN定义栅足，再采用负胶曝光显影后蒸镀栅金属，剥离后便形成图9中所示结构，典型金属为Ni/Pt/Au，总厚度5000-8000 Å；

R.后续依次完成二次介质工艺、场板工艺和第一层金属布线工艺、第三次介质工艺、第二层金属布线工艺后倒扣键合后转至背面工艺，晶圆与蓝宝石载片的键合通过专用材料，如石蜡等来实现，该材料可以耐受200℃以上高温和酸碱腐蚀，并对正面器件提供保护；

S.晶圆减薄，减薄至75-100μm，减薄为两段：第一段通过磨抛减薄衬底至通孔金属略微暴露，第二段在继续减薄衬底的同时需在磨抛液中引入通孔金属对应的腐蚀液，直至将衬底厚度减薄至目标厚度，同时，通孔金属和衬底几乎处于同一水平面，便于后续工艺开展；

T.溅射种子层，电镀Au，厚度5-8μm；

U.制作划片道，按照设计需要制作背面金属并与通孔金属互联，腐蚀形成划片道用于后续的切割划片；

V.解键合，背面工艺完成之后将晶圆解键合，后续转贴膜、切割、挑片。

以上即为本实施例列举的实施方式，但本实施例不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本实施例的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本实施例的保护范围的限制，本实施例的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

晶圆正面制作刻蚀阻挡层并实现图形化，然后从上往下依次刻蚀得到深孔，然后去除残留，进行金属化填孔。

2.根据权利要求1所述的一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管制作方法，其特征在于：所述深孔为上往下依次刻蚀in-situ SiN、AlGaN/GaN和衬底层得到，所述衬底层刻蚀为80-110μm。

3.根据权利要求1所述的一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管制作方法，其特征在于：所述晶圆表面溅射种子层金属然后再制作图形化的刻蚀阻挡层。

4.根据权利要求3所述的一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管制作方法，其特征在于：所述种子层金属为TiW/Au，其中TiW厚度为200-500 Å，Au厚度为1000-2000 Å。

5.根据权利要求1所述的一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管制作方法，其特征在于：所述刻蚀阻挡层为图形化的金属Ni，厚度为5~10μm。

6.根据权利要求1所述的一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管制作方法，其特征在于：所述金属化填孔具体为进行种子层溅射、电镀填孔、金属磨抛和金属图形化。

7.根据权利要求6所述的一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管制作方法，其特征在于：金属图形化后制备源漏金属和栅金属。

8.根据权利要求7所述的一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管制作方法，其特征在于：所述栅金属制备完成后继续进行剩余正面工艺。

9.根据权利要求1所述的一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管制作方法，其特征在于：背面晶圆减薄过程中为两段：第一段为通过磨抛减薄衬底至通孔金属暴露，第二段为在继续减薄衬底的同时需在磨抛液中引入通孔金属对应的腐蚀液，直至将衬底厚度减薄至目标厚度。

10.一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管，其特征在于：根据权利要求1-9任一项所述的一种先通孔氮化镓高电子迁移率晶体管制作方法。