阅读说明：本技术 氮化镓基半导体器件及其制作方法 (Gallium nitride-based semiconductor device and manufacturing method thereof ) 是由 蔡文必 孙希国 刘胜厚 于 2020-08-03 设计创作，主要内容包括：一种氮化镓基半导体器件及其制作方法,涉及半导体器件技术领域。该氮化镓基半导体器件包括衬底、依次形成于衬底上的氮化镓基外延层和介质层。其中,介质层上形成有沉积孔,沉积孔内填充有正面金属层,衬底上形成有背面通孔,背面通孔贯穿氮化镓基外延层；衬底远离氮化镓基外延层的一侧及背面通孔内沉积有背面金属层,背面通孔内的背面金属分别与正面金属层和介质层接触连接。该氮化镓基半导体器件能够改善背面金属的粘附性,从而提高器件的可靠性。(A gallium nitride-based semiconductor device and a manufacturing method thereof relate to the technical field of semiconductor devices. The gallium nitride-based semiconductor device comprises a substrate, a gallium nitride-based epitaxial layer and a dielectric layer, wherein the gallium nitride-based epitaxial layer and the dielectric layer are sequentially formed on the substrate. Wherein, a deposition hole is formed on the dielectric layer, a front metal layer is filled in the deposition hole, a back through hole is formed on the substrate, and the back through hole penetrates through the gallium nitride-based epitaxial layer; and a back metal layer is deposited on one side of the substrate, which is far away from the gallium nitride-based epitaxial layer, and in the back through hole, and the back metal in the back through hole is respectively in contact connection with the front metal layer and the dielectric layer. The gallium nitride-based semiconductor device can improve the adhesion of the back metal, thereby improving the reliability of the device.)

氮化镓基半导体器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，具体而言，涉及一种氮化镓基半导体器件及其制作方法。

背景技术

半导体材料发展至今已历经三代：硅(Si)和锗(Ge)属于第一代半导体材料；砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为第二代半导体材料的主要代表；氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)则属于第三代半导体材料。其中，作为第三代半导体材料的GaN，具有比传统半导体材料更强的击穿电场(1×10¹⁰～3×10¹⁰V/cm)、更快的饱和电子漂移速度(2×10⁷cm/s)、更高的电子迁移率、更宽的禁带宽度(3.4eV)等优异特性，使其比Si基和GaAs基器件更适合工作在高温、高压和高频等极端条件下。氮化镓器件由于上述特性也一跃成为电力电子、无线通信和雷达等领域的核心器件，获得了行业内的极大关注，具有广阔的应用前景。

GaN基HEMT(High electron mobility transistor，高电子迁移率晶体管)应用于微波单片集成电路时，需要将正面器件的源极或其它需要接地的元器件通过背面通孔引出接地。具体来讲就是在器件正面电路制作完成之后，在其背面刻蚀盲孔(或称背孔)，并在孔内通过溅射的方式制作导电金属层来实现与正面电路的连接。然而，现有技术受材料生长质量、制备加工技术和/或器件结构等诸多因素的限制，在对背孔溅射导电金属层后，背孔周围边缘经常会出现导电金属层鼓泡甚至脱落等粘附性不佳的缺陷，从而影响接地电阻，以使接地效果不理想，进而影响器件的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化镓背孔结构及其制作方法，该氮化镓基半导体器件及其制作方法均能够改善背面金属的粘附性，从而提高器件的可靠性。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明的一方面，提供一种氮化镓基半导体器件，该氮化镓基半导体器件包括衬底、依次形成于衬底上的氮化镓基外延层和介质层。其中，介质层上形成有沉积孔，沉积孔内填充有正面金属层，衬底上形成有背面通孔，背面通孔贯穿氮化镓基外延层；衬底远离氮化镓基外延层的一侧及背面通孔内沉积有背面金属层，背面通孔内的背面金属分别与正面金属层和介质层接触连接，沉积孔在衬底上的投影位于背面通孔在衬底上的投影范围内且投影边缘不相交。该氮化镓基半导体器件能够改善背面金属的粘附性，从而提高器件的可靠性。

在一种实施例中，氮化镓基半导体器件还包括形成于介质层上的保护介质层，保护介质层覆盖正面金属层。

在一种实施例中，正面金属层覆盖沉积孔的边缘。

在一种实施例中，衬底的材料为碳化硅。

在一种实施例中，衬底的厚度在50μm至100μm之间。

在一种实施例中，介质层与背面金属层的交叠区域呈圆环状，圆环的环宽在3μm至20μm之间。

本发明的另一方面，提供一种氮化镓基半导体器件的制作方法，该方法包括以下步骤：

在完成栅工艺后的氮化镓基半导体器件的氮化镓基外延层上沉积介质层；

在介质层上通过刻蚀工艺形成沉积孔；

在介质层远离氮化镓基外延层的一侧和沉积孔内蒸镀金属，并通过刻蚀剥离工艺形成覆盖沉积孔的正面金属层；

在衬底和氮化镓基外延层上通过刻蚀工艺形成背面通孔，其中，沉积孔在衬底上的投影位于背面通孔在衬底上的投影范围内且投影边缘不相交；

在衬底远离氮化镓基外延层的一侧及背面通孔内沉积金属以形成背面金属层，其中，背面通孔内的背面金属部分与正面金属层接触连接，且部分与介质层接触连接。

在一种实施例中，衬底上的背面通孔采用干法刻蚀工艺形成。

在一种实施例中，在衬底远离氮化镓基外延层的一侧及背面通孔内沉积金属以形成背面金属层，包括：

在形成有背面通孔的衬底上溅射形成种子层；

在种子层上电镀形成金属层。

在一种实施例中，在通过刻蚀剥离工艺形成覆盖沉积孔的正面金属层之后，还包括：

在介质层和正面金属层远离衬底的一侧沉积保护介质层。

本发明的有益效果包括：

本申请提供的氮化镓基半导体器件，包括衬底、依次形成于衬底上的氮化镓基外延层和介质层。其中，介质层上形成有沉积孔，沉积孔内填充有正面金属层，衬底上形成有背面通孔，背面通孔贯穿氮化镓基外延层；衬底远离氮化镓基外延层的一侧及背面通孔内沉积有背面金属层，背面通孔内的背面金属分别与正面金属层和介质层接触连接，沉积孔在衬底上的投影位于背面通孔在衬底上的投影范围内且投影边缘不相交。这样一来，在进行背面通孔刻蚀过程中，在介质层的过渡作用下，本申请可在一定程度上减少背面通孔的沟槽效应，从而可以有效减少氮化镓基半导体器件在背面通孔刻蚀时可能造成的金属反溅射现象，使得背面通孔在刻蚀完成之后可以具有较为平滑的内壁。如此一来，当背面金属层在背面通孔内沉积时，可在一定程度上增加了背面金属的粘附性，防止产生背面金属层鼓泡甚至脱落等粘附性不佳的缺陷。从而使得本申请提供的氮化镓基半导体器件保证了良好的接地效果，提高了氮化镓基半导体器件的可靠性。

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，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被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他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的氮化镓基半导体器件的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的氮化镓基半导体器件的结构示意图之二；

图3为本发明实施例提供的氮化镓基半导体器件的结构示意图之三；

图4为现有技术提供的氮化镓基半导体器件的扫描电镜图；

图5为本发明实施例提供的氮化镓基半导体器件的扫描电镜图；

图6为本发明实施例提供的氮化镓基半导体器件的制作方法的流程图之一；

图7为本发明实施例提供的氮化镓基半导体器件的制作方法的流程图之二；

图8为本发明实施例提供的氮化镓基半导体器件的制作方法的流程图之三。

图标：10-衬底；11-背面通孔；20-氮化镓基外延层；30-介质层；31-沉积孔；40-正面金属层；50-背面金属层；60-保护介质层；70-交叠区域；H-环宽。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，本实施例提供一种氮化镓基半导体器件，包括衬底10、依次形成于衬底10上的氮化镓基外延层20和介质层30。其中，介质层30上形成有沉积孔31，沉积孔31内填充有正面金属层40，衬底10上形成有背面通孔11，背面通孔11贯穿氮化镓基外延层20；衬底10远离氮化镓基外延层20的一侧及背面通孔11内沉积有背面金属层50，背面通孔11内的背面金属分别与正面金属层40和介质层30接触连接，沉积孔31在衬底10上的投影位于背面通孔11在衬底10上的投影范围内且投影边缘不相交。该氮化镓基半导体器件能够改善背面金属的粘附性，从而提高器件的可靠性。

其中，上述氮化镓基外延层20和介质层30依次形成于衬底10上。在本实施例中，可选地，上述衬底10可采用蓝宝石或者碳化硅材料。相比之下，碳化硅作为衬底10材料，具有良好的导热和导电性能，且碳化硅材料具有与氮化镓较佳的匹配度(其失配度仅为3.3％)，可以有效抑制碳化硅与氮化镓晶格失配导致的张应力。因此，优选地，在本实施例中，该衬底10采用碳化硅半导体材料。当然，应理解，采用碳化硅作为衬底10材料只是本申请提供的一种实施例而已，在其他的实施例中，本领域技术人员也可以根据实际情况，选用其他的衬底10材料，本申请在此不作限制。

另外，在本实施例中，上述介质层为氮化硅，且上述沉积孔31形成于介质层30上，沉积孔31的形成主要是为了在其内填充正面金属层40，示例地，沉积孔31可以通过刻蚀、挖槽等方式形成，只要便于在沉积孔31的内部填充正面金属层40即可，沉积孔31具体的形成方式本申请不做限制。

还有，背面金属层50于背面通孔11靠近介质层30的一面与正面金属层40相接触，是为了使得正面金属层40的接地区域与背面金属层50电性连接。如此一来，其不仅降低了正面布线的压力，降低电路损耗，还能提供更好的散热性能。

需要说明的是，背面通孔11内的背面金属分别与正面金属层40和介质层30接触连接，换言之，背面通孔11内的背面金属不仅和正面金属接触连接，同时还部分与介质层30接触连接。这样一来，在进行背孔(即背面通孔11)刻蚀过程中，在介质层30的过渡作用下，相比于现有技术而言，本申请可在一定程度上减少背面通孔11与正面金属的直接接触面积，从而可以在进行背孔刻蚀过程中，减少氮化镓基半导体器件在背孔刻蚀时可能造成的金属反溅射，进而使得背面金属层50在背面通孔11内沉积时增加了背面金属的粘附性，防止产生背面金属层50鼓泡甚至脱落等粘附性不佳的缺陷，从而保证良好的接地效果，进而提高氮化镓基半导体器件的可靠性。

图4为现有技术提供的氮化镓基半导体器件的扫描电镜图、图5为本发明实施例提供的氮化镓基半导体器件的扫描电镜图，通过对比可以发现，本申请提供的氮化镓基半导体器件可以得到相对于现有技术而言明显更加光滑的背面通孔11结构，进而在进行背面通孔11内背面金属沉积溅射后，可以使得背面金属的粘附性效果更佳。

在本实施例中，上述背面通孔11内的背面金属分别与正面金属层40和介质层30接触连接，主要是为了使得在背面通孔11刻蚀过程中，使得介质层30能起到一定的过渡作用，防止在背面金属层50和正面金属层40直接接触时发生金属反溅射。那么至少应该，背面通孔11同时和正面金属层40的接地区域以及介质层30的部分区域对应，这样，才可以使得介质层30与背面金属层50接触的部分区域起到过渡作用。

示例地，可参考图1或图2，沉积孔31在衬底10上的投影位于背面通孔11在衬底10上的投影范围内且投影边缘不相交。应注意，本申请所说的在投影范围之内且投影边缘不相交，不包括沉积孔31在衬底10上的投影与背面通孔11在衬底10上的投影完全重合的情况，以及沉积孔31在衬底10上的投影与背面通孔11在衬底10上的投影交错相交的情况。换言之，背面通孔11内的背面金属与介质层30之间的交叠区域70呈环状设置(结合参照图1和图3所示)。

另外，请结合参照图3，在本实施例中，介质层30和背面金属层50的交叠区域70呈圆环状(交叠区域70可参见图3所示的剖面线处)，且该圆环状的交叠区域70的环宽H在3μm至20μm之间。应理解，此处的环宽H指圆环状的交叠区域70的外径与内径之差。

本实施例的氮化镓基半导体器件，包括衬底10、依次形成于衬底10上的氮化镓基外延层20和介质层30。其中，介质层30上形成有沉积孔31，沉积孔31内填充有正面金属层40，衬底10上形成有背面通孔11，背面通孔11贯穿氮化镓基外延层20；衬底10远离氮化镓基外延层20的一侧及背面通孔11内沉积有背面金属层50，背面通孔11内的背面金属分别与正面金属层40和介质层30接触连接，沉积孔31在衬底10上的投影位于背面通孔11在衬底10上的投影范围内且投影边缘不相交。这样一来，在进行背面通孔11刻蚀过程中，在介质层30的过渡作用下，本申请可在一定程度上减少背面通孔11的trench效应(即为沟槽效应)，从而可以有效减少氮化镓基半导体器件在背面通孔11刻蚀时可能造成的金属反溅射现象，使得背面通孔11在刻蚀完成之后可以具有较为平滑的内壁。如此一来，当背面金属层50在背面通孔11内沉积时，可在一定程度上增加了背面金属的粘附性，防止产生背面金属层50鼓泡甚至脱落等粘附性不佳的缺陷。从而使得本申请提供的氮化镓基半导体器件保证了良好的接地效果，提高了氮化镓基半导体器件的可靠性。

一般碳化硅衬底10的厚度在300μm至500μm之间，通常需要将衬底10减薄到50μm至100μm之间以方便通孔的刻蚀同时也为了满足散热等实用需求。示例地，可采用机械研磨的方法进行衬底10减薄。具体减薄的方式可采用现有技术中任意一种可行的方式，本申请在此不做赘述。

另外，在衬底10减薄的过程中需要保证其透明度，以方便后续光刻工艺中的对准，在机械研磨后透明度达不到要求的情况下可增加一步抛光的工艺，同样抛光工艺的操作可参考现有技术相关文献，此处不再详述。

衬底10减薄完成后对衬底10表面涂覆光刻胶，并进行光刻显影，其中光刻胶层覆盖在需要进行背面通孔11刻蚀的区域，光刻中利用衬底10的透明性使得背面通孔11的位置与正面金属层40的位置相对应。另外，需要注意的是在选择光刻胶种类时，应该保证光刻胶层和衬底10具有良好的粘附性。

可选地，正面金属层40覆盖沉积孔31的边缘。这样一来，在沉积形成正面金属层40的过程中，可降低加工难度，提高制备效率。

请参照图2，可选地，在本实施例中，氮化镓基半导体器件还包括形成于介质层30上的保护介质层60，保护介质层60覆盖正面金属层40。该保护介质层60作为后续互联金属的隔离层，可以保护其下方的器件或者电路在后续的工艺中不遭到破坏。可选地，在本实施例中，该保护介质层60采用氮化硅。

请结合参照图6至图8，本发明还提供一种氮化镓基半导体器件的制作方法，该方法包括如下步骤：

S100、在完成栅工艺后的氮化镓基半导体器件的氮化镓基外延层20上沉积介质层。

S200、在介质层30上通过刻蚀工艺形成沉积孔31。

上述沉积孔31的形成工艺包括但不限于采用挖槽或者刻蚀。具体地，沉积孔31的形成工艺本领域技术人员可自行根据需要选择，在此不作限制。

S300、在介质层30远离氮化镓基外延层20的一侧和沉积孔31内蒸镀金属，并通过刻蚀剥离工艺形成覆盖沉积孔31的正面金属层40。

S400、在衬底10和氮化镓基外延层20上通过刻蚀工艺形成背面通孔11，其中，沉积孔31在衬底10上的投影位于背面通孔11在衬底10上的投影范围内且投影边缘不相交。

需要说明的是，上述背面通孔11的形成，需要在衬底10及其上的外延层(即氮化镓基外延层20)进行刻蚀以去除与正面金属层40对应的部分。示例地，刻蚀的方法主要包括湿法和干法。由于碳化硅及氮化镓都具有很好的化学稳定性，无法采用湿法腐蚀的方法对其进行有效的刻蚀，因此，在本实施例中，上述背面通孔11采用干法刻蚀工艺形成。干法等离子体刻蚀技术的原理是采用射频或者微波中的电磁辐射传递给反应室中的低压气体而产生等离子体放电，使得产生的等离子体刻蚀反应室中待刻蚀的材料。

另外，沉积孔31在衬底10上的投影位于背面通孔11在衬底10上的投影范围之内(不包括沉积孔31在衬底10上的投影和背面通孔11在衬底10上的投影重合及投影边缘相交的情况)，这样一来，背面通孔11便同时和正面金属层40以及介质层30连通。

如此一来，在进行背面通孔11刻蚀过程中，在介质层30的过渡作用下，本申请可在一定程度上减少背面通孔11与正面金属的直接接触面积，从而可以有效减少氮化镓基半导体器件在背面通孔11刻蚀时可能造成的金属反溅射现象，使得背面通孔11在刻蚀完成之后可以具有较为平滑的内壁。

S500、在衬底10远离氮化镓基外延层20的一侧及背面通孔11内沉积金属以形成背面金属层50，其中，背面通孔11内的背面金属与正面金属层40和介质层30接触连接。

这样，采用本申请提供的氮化镓基半导体器件的制作方法，可以得到较为平滑的背面通孔11的内壁面，因此，在一定程度上可以增加背面通孔11内背面金属的粘附性，防止产生背面金属层50鼓泡甚至脱落等粘附性不佳的缺陷。从而使得通过本申请提供的氮化镓基半导体器件的制作方法形成的氮化镓基半导体器件具有较佳的接地效果和较高的可靠性。

请结合参照图7，可选地，在上述步骤S500、在衬底10远离氮化镓基外延层20的一侧及背面通孔11内沉积金属以形成背面金属层50，包括如下步骤：

S510、在形成有背面通孔11的衬底10上溅射形成种子层；

S520、在种子层上电镀形成金属层。

示例地，可通过溅射的方式在衬底10远离氮化镓基外延层20的一侧形成种子层，再电镀金属层(该金属层可为Au层)，使背面通孔11的底部、侧壁以及衬底10远离氮化镓基外延层20的一侧覆盖背面金属层50，实现正面金属层40通过背面通孔11与背面金属层50互连。

请结合参照图8，可选地，在上述步骤S300、在通过刻蚀剥离工艺形成覆盖沉积孔31的正面金属层之后，还包括如下步骤：

S600、在介质层30和正面金属层40远离衬底10的一侧沉积保护介质层60。

该保护介质层60覆盖正面金属层40，其可以保护其下方的器件或者电路在后续的工艺中不遭到破坏。由于氮化硅具有较强的掩蔽杂质玷污的作用，且具有透明耐摩擦的特性，可用于制作掩膜板的保护膜，因此，在本实施例中，该保护介质层60采用氮化硅。

以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。