CN111192926B - 氧化镓肖特基二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于半导体技术领域，提供了一种氧化镓肖特基二极管及其制备方法，该氧化镓肖特基二极管由下至上包括阴极金属，高掺杂氧化镓衬底，低掺杂氧化镓外延层，阳极金属、围绕阳极金属的钝化介质层，以及，覆盖于阳极金属之上的场板金属；其中，所述钝化介质层内含有氟负离子。本发明可以提高氧化镓肖特基二极管器件的击穿特性。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种氧化镓肖特基二极管及其制备方法。
背景技术
目前，以氧化镓为代表的超宽禁带电力电子器件近年来逐渐成为功率半导体器件的重要发展领域，并有望某些特定领域取代传统硅基功率器件。
超宽禁带氧化镓作为一种新的半导体材料，在击穿场强、巴利加(Baliga) 优值和成本等方面优势突出。国际上通常采用巴利加(Baliga)优值来表征材料适合功率器件的程度。例如，β-Ga2O3材料巴利加优值是GaN材料的4倍，是SiC材料的10倍，是Si材料的3444倍。β-Ga2O3功率器件与GaN和SiC器件相同耐压情况下，导通电阻更低，功耗更小，能够极大地降低器件工作时的电能损耗。
最近3年，氧化镓肖特基二极管(Ga2O3SBD)器件性能得到大幅提升。 2016年，日本FLOSFIA公司开发出耐压为531V、导通电阻仅为0.1mΩ.cm2的Ga2O3SBD器件，相同耐压下导通电阻低于SiC二极管理论值；2017年日本信息通信研究机构(NICT)采用场板结构，降低峰值电场，制备出耐压为1076V 的纵向β-Ga2O3SBD，导通电阻为5.1mΩ.cm2；2017年，美国俄亥俄州立大学采用“梯形”场板结构研制的β-Ga2O3SBD，击穿电压约为190V，峰值击穿场强达到5.9MV/cm，远大于SiC的击穿场强理论极限值(3.18MV/cm)，充分证明了Ga2O3材料具有高耐压的优势；2018年康奈尔大学采用凹槽结构，降低表面电场，实现2440V垂直结构β-Ga2O3SBD器件，为已报道垂直结构Ga2O3 SBD器件最高水平；2018年中国电子科技集团公司第十三研究所基于HVPE (001)晶向生长的β-Ga2O3外延片，研制出900V垂直结构β-Ga2O3SBD器件，导通电阻低至3.5mΩ.cm2；2019年9月美国弗吉尼亚理工大学采用小角度倾斜场板结构制备的垂直型Ga2O3SBD功率器件，巴利加优值达到0.6GW/cm2； 2019年西安电子科技大学采用Mg离子注入终端结构，实现击穿电压1600V，导通电阻5.1mΩ.cm2垂直结构β-Ga2O3SBD器件。
然而，目前已报道的氧化镓肖特基二极管器件的击穿电压和导通特性还远低于材料预期值。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种氧化镓肖特基二极管及其制备方法，以进一步提高氧化镓肖特基二极管的击穿电压和导通特性。
本发明实施例的第一方面提供了一种氧化镓肖特基二极管，所述氧化镓肖特基二极管由下至上包括阴极金属，高掺杂氧化镓衬底，低掺杂氧化镓外延层，阳极金属、围绕阳极金属的钝化介质层，以及，覆盖于阳极金属之上的场板金属；其中，所述钝化介质层内含有氟负离子。
本发明实施例的第二方面提供了一种氧化镓肖特基二极管的制备方法，所述制备方法包括：
提供初始的氧化镓肖特基二极管，其中，所述初始的氧化镓肖特基二极管由下至上包括阴极金属，高掺杂氧化镓衬底，低掺杂氧化镓外延层，阳极金属、覆盖阳极金属及低掺杂氧化镓外延层上表面的钝化介质层；
去除位于阳极金属正上方部分的钝化介质层；
在阳极金属及剩余钝化介质层的上表面沉积一层金属掩膜层；
透过金属掩膜层向钝化介质层中注入氟负离子；
去掉金属掩模层并激活注入的氟负离子；
在阳极金属上方形成覆盖阳极金属的场板金属。
可选的，所述钝化介质层为单层介质层或者复合介质层，所述钝化介质层的厚度为50纳米至1000纳米。
可选的，所述去除位于阳极金属正上方部分的钝化介质层包括：采用干法刻蚀和/或湿法腐蚀去除位于阳极金属正上方的部分钝化介质层。
可选的，所述提供初始的氧化镓肖特基二极管包括：
在高掺杂氧化镓衬底上外延生长低掺杂氧化镓外延层；
在高掺杂氧化镓衬底下方蒸发阴极金属；
在低掺杂氧化镓外延层上蒸发阳极金属；
在阳极金属及低掺杂氧化镓外延层上生长覆盖阳极金属及低掺杂氧化镓外延层的钝化介质层。
可选的，所述去掉金属掩模层并激活注入的氟负离子包括：采用湿法腐蚀去掉金属掩膜层，然后利用快速热退火激活注入的氟负离子。
可选的，所述在阳极金属上方形成覆盖阳极金属的场板金属包括：通过光刻、电子束金属蒸发和剥离的方法形成场板金属。
可选的，所述场板金属的的上层包括Au金属层，所述场板金属的下层包括Ti金属层或Ni金属层。
可选的，所述金属掩膜层包括镍掩膜层或铬掩膜层。
本发明与现有技术相比存在的有益效果是：
本发明相比常规氧化镓肖特基二极管，在钝化介质层中注入了氟负离子，通过氟负离子可以降低甚至部分耗尽阳极周围下方低掺杂氧化镓外延层中的电子，降低低掺杂氧化镓外延层中阳极金属边缘处的尖峰电场，从而提高氧化镓肖特基二极管器件的击穿特性。另外，一方面，本申请在钝化介质层中注入氟负离子，氟负离子不进入氧化镓材料，不会导致氧化镓材料晶格损伤而引起器件导通电阻变大，另一方面，现有技术中披露的镁离子或氮离子的注入，由于需要较高的激活温度，必须先做注入再制成器件，并且在注入过程中容易引起晶格损伤导致制成器件的导通电阻变大；而本申请中氟负离子的注入不需要过高的激活温度，可以在常规氧化镓肖特基二极管的基础上直接进行钝化介质层的氟负离子注入，所得到的氧化镓肖特基二极管既可以具备较高的击穿电压，又不影响其导通电阻。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的氧化镓肖特基二极管的截面结构示意图；
图2是本发明实施例提供的氧化镓肖特基二极管的制备方法的实现流程图；
图3是本发明实施例提供的图2所示实施例中步骤201的实现流程图；
图4是本发明实施例提供的图2所示实施例中步骤201的制备结果的截面结构示意图；
图5是本发明实施例提供的图2所示实施例中步骤202的制备结果的截面结构示意图；
图6是本发明实施例提供的图2所示实施例中步骤203的制备结果的截面结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
参见图1，其示出了本发明实施例提供的氧化镓肖特基二极管的截面结构示意图，详述如下：
如图1所示，一种氧化镓肖特基二极管，由下至上包括阴极金属11，高掺杂氧化镓衬底12，低掺杂氧化镓外延层13，阳极金属14、围绕阳极金属14的钝化介质层15，以及，覆盖于阳极金属14之上的场板金属16；其中，钝化介质层15内含有氟负离子(如图1所示的F-)。
本发明相比常规氧化镓肖特基二极管，在钝化介质层中注入了氟负离子，通过氟负离子可以降低甚至部分耗尽阳极金属周围下方低掺杂氧化镓外延层中的电子，降低低掺杂氧化镓外延层中阳极边缘处的尖峰电场，从而提高氧化镓肖特基二极管器件的击穿特性。另外，一方面，本申请在钝化介质层中注入氟负离子，氟负离子不进入氧化镓材料，不会导致氧化镓材料晶格损伤而引起器件导通电阻变大，另一方面，现有技术中披露的镁离子或氮离子的注入，由于需要较高的激活温度，必须先做注入再制成器件，并且在注入过程中容易引起晶格损伤导致制成器件的导通电阻变大；而本申请中氟负离子的注入不需要过高的激活温度，可以在常规氧化镓肖特基二极管的基础上直接进行钝化介质层的氟负离子注入，所得到的氧化镓肖特基二极管既可以具备较高的击穿电压，又不影响其导通电阻。
参见图2，其示出了本发明实施例提供的氧化镓肖特基二极管的制备方法的实现流程图，详述如下：
在步骤201中、提供初始的氧化镓肖特基二极管，其中，所述初始的氧化镓肖特基二极管由下至上包括阴极金属，高掺杂氧化镓衬底，低掺杂氧化镓外延层，阳极金属、覆盖阳极金属及低掺杂氧化镓外延层上表面的钝化介质层；
在本发明实施例中，初始的氧化镓肖特基二极管是指钝化介质层中未注入氟负离子的氧化镓肖特基二极管，例如现有技术中的氧化镓肖特基二极管。
在本发明实施例中，上述的钝化介质层可以为单层介质层，例如由SiO2、 SiN、Al2O3或HfO2等介质材料生长出的单层介质层；也可以为包括多个单层介质层的复合介质层，上述的钝化介质层的厚度可以为50纳米至1000纳米。
可选的，参考图3，上述步骤201可以通过以下步骤实现：
步骤2011、在高掺杂氧化镓衬底上外延生长低掺杂氧化镓外延层；
步骤2012、在高掺杂氧化镓衬底下方蒸发阴极金属；
步骤2013、在低掺杂氧化镓外延层上蒸发阳极金属；
在本发明实施例中，低掺杂氧化镓外延层可以是通过掺杂Si或Sn等实现的n型的低掺杂氧化镓外延层，掺杂浓度为1.0×1015cm-3至1.0×1020cm-3范围之间。
在一些应用场景中，低掺杂氧化镓外延层的掺杂浓度也可以是梯度变化的。低掺杂氧化镓外延层的厚度可以为10纳米至1000纳米。
在本发明实施例中，阴极金属的材料可以是Ti和Au，或者，可以是Ti、 Al、Ni和Au，阴极金属通过高温合金可以形成欧姆接触。
在本发明实施例中，阳极金属的材料可以是Ni和Au，或者，可以是Pt 和Au，阳极金属和阴极金属可以通过光刻和剥离的方法蒸发制成。
步骤2014、在阳极金属及低掺杂氧化镓外延层上生长覆盖阳极金属及低掺杂氧化镓外延层的钝化介质层。
在本发明实施例中，钝化介质层可以采用PECVD(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)、LPCVD(Low Pressure ChemicalVapor Deposition，低压力化学气相沉积法)或ALD(Atomic layer deposition，原子层沉积)等沉积方式实现，钝化介质层的厚度可以为50nm 至1000nm。
在本发明实施例中，步骤201所提供的初始的氧化镓肖特基二极管可以如图4所示，其由下至上可以包括阴极金属11，高掺杂氧化镓衬底12，低掺杂氧化镓外延层13，阳极金属14、覆盖阳极金属14及低掺杂氧化镓外延层13上表面的钝化介质层15’，钝化介质层15’指示未进行氟负离子注入的钝化介质层。
在步骤202中、去除位于阳极金属正上方部分的钝化介质层；
在本发明实施例中，为了向钝化介质层中注入氟负离子，首先需要去除位于阳极金属正上方部分的钝化介质层。具体的，可以采用干法刻蚀去除位于阳极金属正上方部分的钝化介质层，也可以采用湿法腐蚀去除位于阳极金属正上方部分的钝化介质层，还可以采用干法刻蚀结合湿法腐蚀共同去除位于阳极金属正上方部分的钝化介质层。去除位于阳极金属正上方部分的钝化介质层之后的初始的氧化镓肖特基二极管其截面结构如图5所示，图5中的钝化介质层15”表示去除位于阳极金属正上方部分的钝化介质层之后的剩余钝化介质层。
在步骤203中、在阳极金属及剩余钝化介质层的上表面沉积金属掩膜层。
在本发明实施例中，可以采用电子束蒸发、磁控溅射等方式在阳极金属及剩余钝化介质层的上表面沉积一层金属掩膜层。
在本发明实施例中，金属掩膜层的厚度可以跟进行氟负离子注入时的工艺条件相关，以其厚度可以阻止氟负离子与钝化介质层的反应为准。
在本发明实施例中，沉积金属掩膜层之后的器件的截面结构示意图如图6 所示，其中示出了在阳极金属及剩余钝化介质层的上表面沉积的金属掩膜层 17。
在一个实施例中，金属掩膜层可以为镍掩膜层或铬掩膜层。
在步骤204中、透过金属掩膜层向钝化介质层中注入氟负离子；
在本发明实施例中，透过金属掩膜层向钝化介质层中注入氟负离子，可以避免氟负离子与钝化介质层发生反应，影响氧化镓肖特基二极管的导通性能。
在步骤205中、去掉金属掩模层并激活注入的氟负离子。
在本发明实施例中，注入氟负离子之后可以采用湿法腐蚀去掉金属掩膜层，然后利用快速热退火激活注入的氟负离子。
在步骤206中、在阳极金属上方形成覆盖阳极金属的场板金属。
在本发明实施例中，激活注入的氟负离子之后，可以通过光刻、电子束金属蒸发和剥离的方法形成场板金属。
在一个实施例中，所述场板金属的的上层包括Au金属层，所述场板金属的下层包括Ti金属层或Ni金属层。
本发明实施例通过上述步骤可以得到如图1所示的氧化镓肖特基二极管，相比常规氧化镓肖特基二极管，在钝化介质层中注入了氟负离子，通过氟负离子可以降低甚至部分耗尽阳极周围下方低掺杂氧化镓外延层中的电子，降低低掺杂氧化镓外延层中阳极边缘处的尖峰电场，从而提高氧化镓肖特基二极管器件的击穿特性。另外，一方面，本申请在钝化介质层中注入氟负离子，氟负离子不进入氧化镓材料，不会导致氧化镓材料晶格损伤而引起器件导通电阻变大，另一方面，现有技术中披露的镁离子或氮离子的注入，由于需要较高的激活温度，必须先做注入再制成器件，并且在注入过程中容易引起晶格损伤导致制成器件的导通电阻变大；而本申请中氟负离子的注入不需要过高的激活温度，可以在常规氧化镓肖特基二极管的基础上直接进行钝化介质层的氟负离子注入，所得到的氧化镓肖特基二极管既可以具备较高的击穿电压，又不影响其导通电阻。
以上所述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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种氧化镓肖特基二极管，其特征在于，所述氧化镓肖特基二极管由下至上包括阴极金属，高掺杂氧化镓衬底，低掺杂氧化镓外延层，阳极金属、围绕阳极金属的钝化介质层，以及，覆盖于阳极金属之上的场板金属；
其中，所述钝化介质层内含有氟负离子。
2.一种氧化镓肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供初始的氧化镓肖特基二极管，其中，所述初始的氧化镓肖特基二极管由下至上包括阴极金属，高掺杂氧化镓衬底，低掺杂氧化镓外延层，阳极金属、覆盖阳极金属及低掺杂氧化镓外延层上表面的钝化介质层；
去除位于阳极金属正上方部分的钝化介质层；
在阳极金属及剩余钝化介质层的上表面沉积一层金属掩膜层；
透过金属掩膜层向钝化介质层中注入氟负离子；
去掉金属掩模层并激活注入的氟负离子；
在阳极金属上方形成覆盖阳极金属的场板金属。
3.根据权利要求2所述的氧化镓肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述钝化介质层为单层介质层或者复合介质层，所述钝化介质层的厚度为50纳米至1000纳米。
4.根据权利要求2所述的氧化镓肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述去除位于阳极金属正上方部分的钝化介质层包括：
采用干法刻蚀和/或湿法腐蚀去除位于阳极金属正上方部分的钝化介质层。
5.根据权利要求2所述的氧化镓肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述提供初始的氧化镓肖特基二极管包括：
在高掺杂氧化镓衬底上外延生长低掺杂氧化镓外延层；
在高掺杂氧化镓衬底下方蒸发阴极金属；
在低掺杂氧化镓外延层上蒸发阳极金属；
在阳极金属及低掺杂氧化镓外延层上生长覆盖阳极金属及低掺杂氧化镓外延层的钝化介质层。
6.根据权利要求2所述的氧化镓肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述去掉金属掩模层并激活注入的氟负离子包括：
采用湿法腐蚀去掉金属掩膜层，然后利用快速热退火激活注入的氟负离子。
7.根据权利要求2所述的氧化镓肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述在阳极金属上方形成覆盖阳极金属的场板金属包括：
通过光刻、电子束金属蒸发和剥离的方法形成场板金属。
8.根据权利要求7所述的氧化镓肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述场板金属的上层包括Au金属层，所述场板金属的下层包括Ti金属层或Ni金属层。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的氧化镓肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述金属掩膜层包括镍掩膜层或铬掩膜层。
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