CN109449213A - 一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法 - Google Patents
一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出的是一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法，具体实施步骤包括：（1）样品的清洁处理；（2）背面欧姆接触金属的制备及合金处理；（3）牺牲介质层的制备；（4）场板埋层区域牺牲介质层的刻蚀；（5）场板埋层区域金刚石材料层的刻蚀；（6）金刚石材料的选择性外延生长；（7）牺牲介质层的去除；（8）离子注入区域的定义和高阻区域的离子注入；（9）带场板肖特基接触的制备。本发明基于选区再生长和离子注入非晶化技术开发具有有效提升器件耐压能力的带埋层场板结构的金刚石肖特基二极管器件，具有边缘电场抑制能力强、抗辐照能力强、导通电阻低、工作温度稳定性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法，属于半导体器件制备技术领域。
背景技术
金刚石半导体材料具有超宽的带隙、高的临界击穿场强、高的载流子饱和漂移速度以及高热导率等优异的特性，使其成为高性能功率器件研制的优选材料。采用金刚石研制的肖特基结二极管器件具有导通电阻低、工作电流密度高、抗辐照以及高温稳定好等优势。
金刚石肖特基二极管器件主要由肖特基接触和欧姆接触构成。由于边缘效应的问题，在肖特基接触边缘存在强的峰值电场，从而导致器件耐压能力显著下降。传统硅肖特基二极管器件为解决这一问题，通常采用注入不同导电类型的杂质，在肖特基接触金属边缘位置形成pn结，或者在该区域通过刻蚀后再淀积介质的方式来形成埋层式场板结构。由于金刚石材料p型掺杂比较容易实现，但n型掺杂很难实现，同时采用注入掺杂后需要极高的温度才可以激活掺杂杂质，而采用介质埋层技术将会在介质和金刚石材料接触面引入大的界面态，严重影响器件的稳定性和可靠性。
发明内容
本发明针对现有金刚石肖特基结二极管器件边缘强电场导致器件耐压能力下降的问题，通过选区再生长和离子注入非晶化技术，提出一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法。
本发明的技术解决方案：一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法，包括如下步骤：
（1）采用丙酮、乙醇等有机试剂，通过超声的方式清洗金刚石材料样品，样品的结构包括高掺杂金刚石衬底，轻掺杂金刚石外延层和非掺杂金刚石外延层，高掺杂金刚石衬底和轻掺杂金刚石外延层掺杂后导电类型同时为n或p型；
（2）在样品背面通过蒸发或溅射的方法制备Ti/Al，Ti/Au等以Ti为基底的欧姆接触金属层，并在真空条件下进行合金处理，Ti的厚度大于10nm小于50nm，合金时真空低于3E-4Pa，合金温度高于600度；
（3）利用PECVD、ALD或磁控溅射方法在样品表面生长一层材质为SiO2、Si3N4、V2O5、Al2O3等易通过湿法腐蚀去除的牺牲介质层；
（4）通过常规光刻、显影工艺，利用A光刻胶定义场板埋层区域掩模，然后利用干法或湿法刻蚀方法刻蚀无光刻胶保护区域的介质层；
（5）利用丙酮等有机溶剂，通过超声的方式去除A光刻胶，以牺牲介质层作为掩模，利用干法刻蚀的方法刻蚀掉掩模以外区域的非故意掺杂层，刻蚀部分轻掺杂层，刻蚀厚度小于200nm；
（6）利用MPCVD设备在正面淀积金刚石层，生长温度在400℃到900℃间，生长时可掺杂或不掺杂；
（7）在背面涂上一层光刻胶，利用盐酸、氢氟酸、磷酸等非强氧化性酸溶液或氨水等弱碱性溶液超声去除牺牲介质层及其上金刚石层，去除温度低于50℃；
（8）通过常规光刻、显影工艺，利用B光刻胶定义离子注入区域，然后利用离子注入工艺形成高阻区域，采用丙酮、乙醇等有机清洗试剂去除B光刻胶；其中B光刻胶的掩模厚度为0.5~10 μm，可阻挡离子注入过程中离子对光刻胶保护区域的离子轰击，离子注入的能量为20~200 keV，能够使金刚石材料由单晶材料变为非晶材料；
（9）通过常规光刻、显影工艺，利用光刻胶定义带场板肖特基接触区域，然后利用金属蒸发和剥离工艺制备带场板肖特基接触，最后通过氧等离子体对器件正面进行表面处理。
本发明的优点：
（1）肖特基金属边缘电场抑制能力强，器件耐压性能提升50%以上；
（2）结构中无介质材料，不存在界面态等问题，器件抗辐照能力高；
（3）导通电阻较低；
（4）具有较高的高温稳定性。
附图说明
附图1~图8是一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备流程图。
图中1是高掺杂金刚石衬底，2是轻掺杂金刚石外延层，3是非掺杂金刚石外延层，4是欧姆接触金属层，5是牺牲介质层，6是A光刻胶，7是金刚石层，8是B光刻胶，9是高阻区域，10是肖特基接触。
具体实施方式
下面根据实施例进一步说明本发明的技术方案。
一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法，包括在样品背面制备欧姆接触金属层；正面场板埋层区域金刚石材料的刻蚀及金刚石材料的选择再生长；正面埋层区域注入高阻区的制备；正面肖特基金属的制备及表面氧终端的制作。其具体方法包括如下步骤：
（1）采用丙酮、乙醇等有机试剂，通过超声的方式清洗金刚石材料的样品，样品的结构如图1所示，自下而上包括p型的硼高掺杂金刚石衬底1，厚度200um，掺杂浓度2E19cm-3；p型的硼轻掺杂金刚石外延层2，厚度300nm，掺杂浓度1E16cm-3；非掺杂金刚石外延层3，厚度100nm；
（2）在样品背面通过磁控溅射的方法，制备Ti（20nm）/Au（200nm）欧姆接触金属层4，在真空压力1E-4Pa下800℃处理1min，如图2所示；
（3）利用PECVD在样品表面生长一层100nm的氧化硅牺牲介质层5，如图3所示；
（4）通过常规光刻、显影工艺，利用A光刻胶6定义场板埋层区域掩模，然后利用ICP-PECVD设备，采用氟基气体刻蚀无光刻胶保护的氧化硅牺牲介质层5，如图4所示；
（5）利用丙酮等有机溶剂，通过超声的方式去除A光刻胶6，以氧化硅牺牲介质层5作为掩模，利用ICP-PECVD设备，采用氧基气体刻蚀掩模以外区域的非掺杂金刚石外延层3，刻蚀50nm金刚石外延层2，如图5所示；
（6）利用MPCVD设备700℃下，在正面淀积n型磷掺杂金刚石层7，掺杂浓度1E16cm-3，厚度150nm，如图6所示；
（7）在样品背面涂一层光刻胶，常温下利用稀释的氢氟酸溶液去除氧化硅牺牲介质层5和氧化硅上的n型磷掺杂金刚石层7，随后用丙酮、乙醇去除背面的光刻胶；
（8）通过常规光刻、显影工艺，利用B光刻胶8定义离子注入区域，然后利用离子注入机，30KeV条件下注入硼离子，形成高阻区域9，如图7所示，采用丙酮乙醇等有机清洗试剂去除B光刻胶8；
（9）通过常规光刻、显影工艺，利用光刻胶定义带场板肖特基接触区域，然后利用电子束蒸发设备，蒸发200nm的铝，在丙酮溶液中超声剥离铝金属，形成带场板肖特基接触10，最后通过50W氧等离子体对器件正面进行表面2min的氧等离子表面处理，如图8所示。
本发明结合金刚石材料选择再生长和离子注入非晶化技术，开发一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法，具有边缘电场抑制能力强、抗辐照能力强、导通电阻低和高温稳定性好的特点，可应用于金刚石二极管功率开关器件的研制和生产中。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法，其特征是包括如下步骤：
①样品的清洁处理：采用丙酮、乙醇，通过超声的方式清洗金刚石材料样品，其中样品的结构自下而上包括高掺杂金刚石衬底（1），轻掺杂金刚石外延层（2）和非掺杂金刚石外延层（3）；
②背面欧姆接触金属的制备及合金处理：在样品背面制作欧姆接触金属层（4），并在真空条件下进行合金处理；
③牺牲介质层的制备：在样品表面生长一层牺牲介质层（5）；
④场板埋层区域牺牲介质层的刻蚀：通过常规光刻、显影工艺，利用A光刻胶（6）定义场板埋层区域掩模，然后刻蚀无光刻胶保护区域的牺牲介质层（5）；
⑤场板埋层区域金刚石材料层的刻蚀：利用丙酮通过超声的方式去除A光刻胶（6），以牺牲介质层（5）作为掩模，刻蚀掉掩模以外区域的非掺杂金刚石外延层（3），刻蚀部分轻掺杂金刚石外延层（2）；
⑥金刚石材料的选择性外延生长：在样品上表面生长一层金刚石层（7）；
⑦牺牲介质层的去除：在背面涂上一层光刻胶，利用酸或碱溶液超声去除牺牲介质层（5）及其上表面的金刚石层（7），随后用丙酮、乙醇去除背面的光刻胶；
⑧离子注入区域的定义和高阻区域的离子注入：通过常规光刻、显影工艺，利用B光刻胶（8）定义离子注入区域，然后利用离子注入工艺形成高阻区域（9），采用有机清洗试剂去除B光刻胶（8）；
⑨带场板肖特基接触的制备：通过常规光刻、显影工艺，利用光刻胶定义带场板肖特基接触区域，然后利用金属蒸发和剥离工艺制备带场板的肖特基接触（10），最后通过氧等离子体对器件正面进行表面处理。
2.根据权利要求1所述的一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法，其特征是所述步骤①中高掺杂金刚石衬底（1）和轻掺杂金刚石外延层（2）掺杂类型相同，同时为n型掺杂或p型掺杂。
3.根据权利要求1所述的一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法，其特征是所述步骤②中的欧姆接触金属层（4）为以Ti为基底的多层金属结构，Ti的厚度大于10nm小于50nm，合金时真空低于3E-4Pa，合金温度高于600℃。
4.根据权利要求1所述的一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法，其特征是所述步骤③~⑤中牺牲介质层（5）的介质为通过非强氧化性酸溶液或弱碱性溶液湿法去除的氮化物或氧化物；步骤⑤中牺牲介质层采用氟基或氯基的干法刻蚀，刻蚀气体中不包含氧气，刻蚀金刚石非故意掺杂层和轻掺杂层采用氧等离子体进行刻蚀，金刚石轻掺杂层部分刻蚀厚度小于200nm。
5.根据权利要求1所述的一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法，其特征是所述步骤⑥中的金刚石层（7）采用MPCVD的方法生长，生长温度在400℃到900℃间，生长过程中进行掺杂或非掺杂；进行掺杂时，掺杂类型和轻掺杂金刚石外延层（2）形成pn结，生长材料的厚度为非掺杂金刚石外延层（3）厚度和轻掺杂金刚石外延层（2）部分刻蚀深度的和。
6.根据权利要求1所述的一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法，其特征是所述步骤⑦中的酸溶液为非强氧化性酸溶液或弱碱性溶液，去除温度低于50℃。
7.根据权利要求1所述的一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法，其特征是所述步骤⑧中的B光刻胶（8）的掩模厚度为0.5~10 μm，阻挡离子注入过程中离子对光刻胶保护区域的离子轰击，离子注入的能量为20~200 keV，使金刚石材料由单晶材料变为非晶材料。
8.根据权利要求1所述的一种带场板的肖特基结金刚石二极管器件的制备方法，其特征是所述步骤⑨中制备的肖特基金属边缘覆盖在选择再生长的金刚石层（7）和离子注入形成非晶材料的区域，其中心部分和金刚石材料表面形成肖特基接触（10），通过氧等离子体处理后正面表面不导电。
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN103560087A (zh) * | 2013-10-29 | 2014-02-05 | 中南林业科技大学 | 具有场板终端保护的4H-SiC肖特基源漏MOSFET器件及其制备方法 |
| CN103715255A (zh) * | 2013-12-04 | 2014-04-09 | 中国电子科技集团公司第五十五研究所 | 一种制备自对准栅GaN HEMT器件及方法 |
| CN106876483A (zh) * | 2017-01-23 | 2017-06-20 | 西安电子科技大学 | 高击穿电压肖特基二极管及制作方法 |
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2018
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Patent Citations (4)
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