CN111211176B - 一种氮化镓基异质结集成器件结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法，包括：在硅片表面依次生长AIN成核层、GaN缓冲层、氮化镓沟道层、无掺杂势垒层和pGaN层；在所述pGaN层表面积淀光刻涂层，利用掩模版暴露出部分pGaN层表面并用注入硅离子；对注入的硅离子进行退火激活，将注入硅离子的pGaN层变为n型的GaN区域；积淀光刻涂层，利用掩模版对暴露出的pGaN层进行刻蚀，暴露出无掺杂势垒层，并形成接触孔；在所述接触孔中形成欧姆接触电极；形成栅极开孔，并在栅极开孔中形成栅极金属场板；在结构表面，形成源区金属垫层、漏区金属垫层、栅极金属垫层、GaN二极管的阳极金属垫层和阴极金属垫层、连线及终端区场板。本发明的氮化镓基异质结集成器件结构，起到保护原有器件的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓基异质结场效应晶体管结构，更具体地说是涉及一种氮化镓基异质结晶体管并集成了氮化镓pn结二极管的氮化镓基半导体集成器件结构及制造方法。
背景技术
第三代半导体材料，包括CdS、ZnO、SiC、GaN、金刚石等。这些半导体材料的禁带宽度都大于2.2eV，在电子器件方面，对SiC和GaN研究得相对比较成熟，是目前世界半导体材料和器件研究领域中的热点。
氮化镓(GaN)禁带宽度是3.4eV，碳化硅(SiC)禁带宽度是3.3eV，宽禁带材料能够承受比硅半导体材料更高的工作温度和更大的击穿电场，更大的击穿电场意味着器件能够承受更高的工作电压，可以提高器件的功率特性。宽禁带材料也有高的电子饱和漂移速度和高的热导率。总的来说，GaN和SiC是可以用来制造高频通信器件和高压大功率电力电子半导体器件，它们将为半导体带来技术性的革命。在5G通信、新能源等市场具有明确而可观的市场前景，是半导体产业重要的发展方向。
宽禁带半导体已被研发超过半个世纪了，一直至2001年左右，英飞凌公司推出600V的碳化硅肖特基二极管，宣布碳化硅正式开始提供有实用价值的产品。之后，2011年Cree公司的栅控场效应碳化硅晶体管也开始投放市场，从事碳化硅功率器件有关的生产厂家也愈来愈多，就产品技术方面来看，当时期的碳化硅是比氮化镓成熟，然而氮化镓没有停下研发步伐，尤其是基于GaN-on-Si的氮化镓基异质结半导体器件。在2008年左右，一些公司如美国的IR、美国的Transform、日本的东芝也开始相继提供基于GaN-on-Si的氮化镓基功率器件的样品。之后，美国的EPC、日本的富士通、松下、Rohm，接着有ST、Onsemi和Ti等公司也相继推出他们的基于GaN-on-Si的氮化镓基半导体功率器件产品。在这些公司的推动下，整个氮化镓基功率器件的生态环境大为改善，从GaN-on-Si的氮化镓外延、工艺制作、封装、驱动集成电路和应用等方面都日趋成熟。目前GaN-on-Si氮化镓基半导体材料和器件是研究氮化镓领域中的热点，因为6寸或8寸的GaN-on-Si的材料相对很便宜，基于GaN-on-Si的氮化镓基器件的工艺制作简便，而且与现有的6寸或8寸Si-CMOS代工厂的工艺兼容，所以性价比特别有竞争力。一般认为，从现在的情况来看，击穿电压在1200伏或以下的宽禁带半导体器件市场，将会是GaN HEMT为主导，大于1200伏的则是碳化硅的天下。
现有的氮化镓功率器件，有D-mode场效应晶体管、E-mode场效应晶体管、肖特基二极管，这些不同器件的击穿电压有小于100Ⅴ的，主要应用于RF方面，也有从200Ⅴ至1200V，用于电力电子应用，所有这些氮化镓基器件都是HEMT结构，器件的典型横切面结构如图1所示，其中的栅极可分为pGaN与非pGaN两大类。这些器件的结构简单，相对于碳化硅来说，氮化镓的AlGaN/GaN HEMT的前序工艺较为容易，前序工艺从所指的是包括从外延层材料完成后至芯片割切之前。这些器件的导通电阻和开关特性都比硅器件好很多，具有典型的第三代半导体器件的优异特性。可是，这些器件有一重大缺点，因为在这些器件的结构里是完全没有pN结，在反向偏置时，反偏置峰值电压是集中于外延层表面，尤其在表面有二维电子与没有二维电子的交接处。击穿时，会因局部电场太集中于表面某处而引起器件被烧毁。再者，在击穿时，雪崩效应产生大量的自由电子和空穴，电子往高电压偏置的漏电极走而最终被抽走至器件外，而空穴则往低电压偏置的栅极和源极处走，这时候有两种情况，对于完全没有pGaN在AlGaN表面上的器件，这时的栅极和漏极都没有能力有效快速地接收在AlGaN/GaN之间在击穿时产生的空穴。对于有pGaN在AlGaN表面上的器件,pGaN栅极可以帮忙接走击穿时产生的空穴，但这种抽走空穴的效率不高，因为栅极pGaN在AlGaN之上，空穴在AlGaN/GaN之间，pGaN与AlGAN是一异质结，AlGaN的禁带比较宽，空穴相对来说不易漂移至pGaN处被抽走，而且空穴在AlGaN/GaN里的饱和速度是相对较慢，不易从发生击穿处漂移至棚极pGaN，再者pGaN栅极与AlGaN的接触积不大，接收空穴能力有限。如果栅极和源极都无法有效迅速地接走空穴，在高压反偏置下，这些停留在栅极和源极周围的空穴会导致器件烧毁失效。现时很多氮化镓器件是避开了会有击穿发生的应用，它们主要用作射频功率放大器或是功率因数校正(PFC)的应用，但是氮化镓功率器件最终是要克服这问题的，不然，它的应用前景会大受限制。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种氮化镓基异质结集成器件结构及制造方法，能使器件在应用时不论因动态引起的还是静态时发生的击穿，击穿时所产生的空穴都能被有效地接走，不会停留在器件内，从而使得器件可以安全地被使用在一些有击穿发生的应用，如驱动马达的应用。
为实现上述目的，本发明提供的氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法，包括以下步骤：
1)在硅片表面依次生长AIN成核层、GaN缓冲层、氮化镓沟道层、无掺杂势垒层和pGaN层；
2)在所述pGaN层表面积淀光刻涂层，利用掩模版暴露出部分pGaN层表面并用注入硅离子；
3)对注入的硅离子进行退火激活，将注入硅离子的pGaN层变为n型的GaN区域；
4)积淀光刻涂层，利用掩模版对暴露出的pGaN层进行刻蚀，暴露出无掺杂势垒层，并形成接触孔；
5)在所述接触孔中形成欧姆接触电极；
6)形成栅极开孔，并在栅极开孔中形成栅极金属场板；
7)在结构表面，形成源区金属垫层、漏区金属垫层、栅极金属垫层、GaN二极管的阳极金属垫层和阴极金属垫层、连线及终端区场板。
进一步地，所述步骤1)中，所述AIN成核层厚度为200nm；所述GaN缓冲层厚度为4um；所述氮化镓沟道层厚度为300nm；所述无掺杂势垒层厚度为25nm；所述pGaN层厚度为80nm。
进一步地，所述步骤2)中，所述掩模版的开孔宽度为5um至30um、开孔形状为正方形、圆形、椭圆形和长方形；硅离子注入剂量范围为1e12/cm3至1e16/cm3，注入能量为20KeV至200KeV。
进一步地，所述步骤3)中，所述对注入的硅离子进行退火的条件为：温度范围为800℃至1000℃，时间范围为30秒至100分钟。
进一步地，所述步骤4)进一步包括：
在所述pGaN层表面积淀光刻涂层，利用掩模版暴露出部分pGaN层的表面；
对暴露出的pGaN层采用感应耦合等离子体刻蚀技术进行干法刻蚀，刻蚀气体为C12/BCl3，直至暴露出无掺杂势垒层；
去掉光刻涂层，形成栅极pGaN、GaN二极管的阴极和阳极。
进一步地，所述步骤5)进一步包括：
在所述无掺杂势垒层表面积淀光刻涂层，利用接触孔掩模版暴露出部分无掺杂势垒层表面；
通过电子束蒸发方法，将欧姆接触金属蒸发至暴露出的部分无掺杂势垒层表面；
采用剥离工艺把不需要的金属去掉，只在接触孔留下金属；
经850℃、30秒的快速热退火处理，使接触孔中的金属形成欧姆接触电极。
进一步地，所述欧姆接触金属，由Ti、Al、Ni、Au四层金属组成。
进一步地，所述步骤6)进一步包括：
在结构表面淀积厚度为50nm-300nm的介质层，利用栅极开孔掩模版暴露出部分栅极pGaN的表面，形成栅极开孔；
通过电子束蒸发将肖特基接触金属蒸发至材料结构表面；
采用剥离工艺将不需要的金属去掉,只在栅极开孔中留下金属作为栅极金属场板。
进一步地，所述肖特基接触金属，由Ni、Au两层金属组成。
更进一步地，所述步骤7)进一步包括：
在结构表面积淀厚度为0.1um-2um的介质层，利用金属接触孔掩模版暴露出部分金属的表面，形成金属接触孔；
通过溅射、沉积或电子束蒸发方法在表面形成一层钛、一层铝合金；
通过金属掩模进行金属浸蚀，形成源区金属垫层、漏区金属垫层、栅极金属垫层、GaN二极管的阳极金属垫层和阴极金属垫层、连线及终端区场板。
为实现上述目的，本发明提供的氮化镓基异质结集成器件结构，包括，HEMT晶体管和GaN二极管，其特征在于，所述HEMT晶体管的漏极与所述GaN二极管的阳极连接，所述HEMT晶体管的源极与所述GaN二极管的阴极连接。
进一步地，包括无掺杂势垒层和氮化镓沟道层，所述包括无掺杂势垒层和氮化镓沟道层之间形成I型异质结，二维电子气位于I型异质结界面的氮化镓沟道层一侧；
所述HEMT晶体管的栅极为平面型栅极或沟槽型栅极,源极和栅极之上有场板。
进一步地，所述无掺杂势垒层厚度为10nm至50nm；所述氮化镓沟道层厚度为0.1um至0.5um。
进一步地，所述HEMT晶体管为栅极材料是pGaN的增强型晶体管。
更进一步地，还包括氮化镓基的肖特基二极管，所述氮化镓基的肖特基二极管由在无掺杂势垒层和氮化镓沟道层表面上的肖特基接触的阳极和欧姆接触的阴极组成。
本发明的氮化镓基异质结集成器件结构，本发明所用的基本器件原理是在原有的器件上集成一氮化镓基的pn结二极管，集成器件中的HEMT晶体管可以和其中的GaN二极管用金属连线连在一起,如HEMT晶体管的漏极与GaN二极管的阳极连在一起，HEMT晶体管的源极与GaN二极管的阴极连在一起如图3所示。这二极管的击穿电压比原有的氮化镓基功率器件小但比应用时电路所需的电压为大，使用时若发生击穿，集成在器件上的氮化镓基二极管会先发生击穿，并把电位钳位于小于原有的氮化镓基异质结场效应晶体管的击穿电压，从而起到保护原有器件的作用，原有器件可以是D-mode的氮化镓基异质结场效应晶体管，也可以里E-mode的氮化镓基异质结场效应晶体管，也可以是氮化镓基肖特基二极管，也可以是氮化镓基异质结场效应晶体管集成了一个氮化镓基肖特基二极管。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制：
图1为现有氮化镓基异质结场效应晶体管件版图的俯视图；
图2为图1相对应的AlGaN/GaNHEMT器件结构的横切面示意图；
图3为本发明的氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法流程图；
图4为本发明的实施例在完成所有外延层后的横切面示意图；
图5、图6为本发明实施例在pGaN层上进行离子注入的横切面示意图；
图7、图8为本发明实施例在完成退火激活后将p型GaN变为n型GaN的横切面示意图；
图9、图10为本发明实施例在表面采用感应耦合等离子体刻蚀完成后的横切面示意图；
图11、图12为本发明实施例在表面完成源区金属和漏区金属的横切面示意图；
图13、图14为本发明实施例在表面完成栅极金属场板的横切面示意图；
图15、图16为本发明实施例在表面完成各电极金属垫层的横切面示意图；
图17为本发明的用金属线连接了集成器件结构中各电极的横切面示意图。
图中，1为P型区域，2为GaN缓冲层，3为氮化镓沟道层(GaN Channel)，4为无掺杂势垒层(AlGaN)，5为pGaN层，6为源区金属，7为漏区金属，8为介质层，9为栅极金属场板，10为介质层，11为GaN二极管的阳极金属垫层，12为GaN二极管的阴极金属垫层，13为源极金属垫层，14为栅极金属垫层，15为漏区金属垫层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，氮化镓(GaN)基异质结材料是延续了GaN材料的高击穿电场、高电子饱和漂移速度等优点。A1GaN/GaN是GaN基异质结材料中的主要结构代表，其中A1GaN为宽禁带材料，GaN为窄带材料，两者形成I型异质结，二维电子气(2DEG)位于异质结界面的GaN一侧，从而形成高电子迁移率晶体管(HEMT晶体管)器件。图1为现有氮化镓基异质结场效应晶体管件版图的俯视图，图2为图1相对应的AlGaN/GaNHEMT器件结构的横切面示意图，如图1和图2所示，与其它半导体材料(如AlGaAs/GaAs)相比，AlGaN/GaN材料制造出的HEMT器件有更好的电学性能，因为用于制造器件的纤锌矿结构GaN为Ⅲ族氮化物的六方晶体结构，是一种带隙宽并具有强压电、铁电性的半导体材料，这种晶体结构缺少反演对称性，呈现很强的极化效应，包括自发极化和压电极化，压电系数比其它Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族半导体材料大1个数量级以上，自发极化强度也很大，由于Ⅲ族氮化物材料能隙相差悬殊，异质结构界面导带存在巨大能带偏移，形成深量子阱。基于强极化诱导作用和巨大能带偏移，Ⅲ族氮化物异质结构界面可形成一强量子局域化的高浓度二维电子气系统。如典型的AlGaN/GaN异质结构，其AlGaN势垒层中压电极化强度为传统AlGaAs/GaAs异质结构中的5倍之多，高性能二维电子气具有极其重要的技术应用价值。AlGaN/GaN体系作为一典型的GaN基异质结构，在微波功率、高温电子器件和军事领域等具有极为重要的应用价值。
功率器件一般可以承受高的反偏置电压和大的正向导通电流，不同的功率器件有不同的规格，其所能承受的反偏置电压和正向电流是不同的。纵向功率器件在区域结构上可分为有源区和终端区，终端区一般是在外围紧接着有源区的边缘。氮化镓基异质结场效应晶体管是横向功率器件如图2所示，横向功率器件没有终端区，只有有源区，有源区为电流从高电压电极流至低电压电极的流动区域，所以，当横向器件处于反偏置时，有源区(即从高电压电极至低电压电极之间的区域)需要用来承受从高电压电极至低电压电极之间的反偏置电压，有顾及此，横向器件在设计上除了减少导通电阻，减少寄生电容等等，还要兼顾击穿电压的要求。在反偏置时，从高电压电极至低电压电极之间需要形成耗尽区来承受反偏置的电压，要承受相当的反偏置电压便要相当宽度的耗尽区，在耗尽区域中，半导体材料间的电荷要平衡，在耗尽时要求几乎没有净电荷残留，否则耗尽区便无法扩展开来承受施加其上的反偏置的电压。在反偏置击穿时，器件内会产生大量的电子空穴对，器件的电极需要有效迅速地接走击穿时产生的大量空穴和电子，否则器件可能会受到损毁。
本发明实施例可用于各种各样的Ⅲ氮异质结的HEMT结构中，下面将以横向场效应晶体管功率器件作为实施例介绍本发明的一种氮化镓基异质结集成器件结构及制造方法，至于表面钝化层、金属引线和晶圆片的磨薄等步骤从略。
实施例1
图3为本发明的氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法流程图，下面将参考图3，对本发明的氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法进行详细描述。
首先，在步骤301，在硅片表面方向上依次生长AIN成核层、GaN缓冲层2、氮化镓沟道层(GaN Channel)3、无掺杂势垒层4和pGaN层5。
图4为本发明实施例在完成所有外延层后的横切面示意图，如图4所示，本发明实施例中，用MOCVD方法在硅片1表面方向上外延生长依次得到200nmAIN成核层、4um非故意掺杂的GaN缓冲层2、300nm的氮化镓沟道层(GaNChannel)3、25nm AlGaN无掺杂势垒层4[Al(0.25)Ga(0.75)N]和80nm的pGaN层5，pGaN层5的P型掺杂浓度为1e16/cm3-2e18/cm3。其中，Al(0.25)Ga(0.75)N表示Al与Ga的成分比例为0.25：0.75。
在步骤302，在pGaN层5表面积淀光刻涂层20，利用掩模版暴露出部分pGaN层5的表面，然后对pGaN层5表面用离子注入法注入硅离子。
本发明的实施例中，在pGaN层5表面积淀光刻涂层20，利用掩模版暴露出部分pGaN层5的表面，然后对pGaN层5表面用离子注入法注入硅离子。掩模版的开孔大小宽度为5um至30um，开孔形状可为各种几何图案如正方形、圆形、椭圆形和长方形等，注入硅离子，一般剂量范围为1e12/cm3至1e16/cm3，注入能量为20KeV至200KeV。
图5、图6为本发明实施例在pGaN层上进行离子注入的横切面示意图，如图5和6所示，在pGaN层5表面积淀光刻涂层20，利用掩模版暴露出部分pGaN层5的表面，然后对暴露出的pGaN层5表面用离子注入法注入硅离子。
在步骤303，进行退火激活，将部分pGaN层5变为n型GaN区域51。
本发明实施例中，对注入的硅离子进行退火激活，将部分pGaN区域变为n型的GaN区域，典型的退火条件是在温度范围为800℃至1000℃，退火30秒至100分钟。图7、图8为本发明实施例在完成退火激活后将p型GaN变为n型GaN的横切面示意图，如图7和图8所示，将部分原为pGaN区域的pGaN层5变为n型的GaN区域51。
在步骤304，在pGaN层5表面积淀光刻涂层，利用掩模版对暴露出部分pGaN层5的表面进行刻蚀，暴露出pGaN层5底下的无掺杂势垒层4。
本发明实施例中，在pGaN层5表面积淀光刻涂层，利用掩模版暴露出部分pGaN层5的表面，然后对暴露出的pGaN层5采用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)技术的干法刻蚀，刻蚀气体为C12/BCl3，直至暴露出pGaN层5底下的AlGaN层(无掺杂势垒层4)，然后去掉光刻涂层。图9、图10为本发明实施例在表面采用感应耦合等离子体刻蚀完成后的横切面示意图，如图9和图10所示，pGaN层5作为栅极pGaN，n型GaN区域51作为GaN二极管的n型区域(即阴极区域)，pGaN层5变为p型GaN区域52作为二极管的p型区域(即阳极区域)。
在步骤305，在接触孔中形成源区金属和漏区金属。
本发明实施例中，在无掺杂势垒层4表面积淀光刻涂层，利用接触孔掩模版暴露出部分无掺杂势垒层4的表面，然后通过电子束蒸发方法，将四层金属：
组成的欧姆接触金属蒸发至无掺杂势垒层4表面，然后采用剥离工艺把不需要的金属去掉，只在接触孔留下金属，接着经850℃、30秒的快速热退火处理，从而使接触孔中的金属形成良好的欧姆接触电极。图11、图12为本发明实施例在表面完成源区金属和漏区金属的横切面示意图，如图11和图12所示，区域6是源区金属，区域7是漏区金属。
在步骤306，在栅极开孔中形成栅极金属的场板。
本发明实施例中，在材料结构表面(露出的无掺杂势垒层4、栅极pGaN、源区金属6、漏区金属7、n型的GaN区域51和p型GaN区域52表面)淀积介质层，利用栅极开孔掩模版暴露出部分栅极pGaN的表面,形成栅极开孔，然后通过电子束蒸发将两层金属
和
组成的肖特基接触金属蒸发至材料结构表面(露出的无掺杂势垒层4、栅极开孔、源区金属6、漏区金属7、n型的GaN区域51和p型GaN区域52表面)，然后采用剥离工艺将不需要的金属去掉，只在栅极开孔中留下金属作为栅极金属的场板，接着在氮气环境中经500℃、5分钟的退火处理。
图13、图14为本发明实施例在表面完成栅极金属场板的横切面示意图，如图13和图14所示，在结构表面淀积厚度为50nm-300nm的介质层8，利用栅极开孔掩模版暴露出部分栅极pGaN的表面,然后通过电子束蒸发将两层金属
和/>
组成的肖特基接触金属蒸发至材料结构表面，然后藉著剥离工艺把不需要的金属去掉,只在栅极开孔中留下金属作为栅极金属的场板9。
在步骤307，形成源区金属垫层、漏区金属垫层、栅极金属垫层、GaN二极管的阳极金属垫层和阴极金属垫层、连线及终端区场板。
本发明实施例中，在结构表面积淀厚度为0.1um-2um的介质层，利用金属接触孔掩模版暴露出部分金属的表面，形成金属接触孔，然后通过溅射或沉积方法或电子束蒸发方法在表面形成一层钛、一层铝合金；通过金属掩模进行金属浸蚀，形成源区金属垫层、漏区金属垫层、栅极金属垫层、GaN二极管的阳极金属垫层和阴极金属垫层、连线及终端区场板。
图15、图16为本发明实施例在表面完成各电极金属垫层的横切面示意图，如图15和图16所示，10为在结构表面积淀的介质层，13为形成的源区金属垫层、14为形成的栅极金属垫层、15为形成的漏区金属垫层，11和12分别为形成的GaN二极管的阳极金属垫层和阴极金属垫层。
实施例2
图17为本发明用金属线连接了集成器件结构中各电极的横切面示意图，如图17所示，其中，G为晶体管栅极，S为晶体管源极，D晶体管漏极，A为氮化镓基pn结二极管阳极，C为氮化镓基pn结二极管阴极。
本发明的氮化镓基异质结场效应晶体管结构，是在原有的器件上集成一氮化镓基pn结二极管(GaN二极管)，集成器件中的HEMT晶体管可以和其中的氮化镓基pn结二极管用金属连线连在一起，如HEMT晶体管的漏极D与氮化镓基pn结二极管的阳极A连在一起，HEMT晶体管的源极S与氮化镓基pn结二极管的阴极C连在一起。这样，氮化镓基pn结二极管的击穿电压比原有的氮化镓基功率器件小但比应用时电路所需的电压大，使用时若发生击穿，集成在器件上的氮化镓基pn结二极管会先发生击穿，并把电位钳位于小于原有的氮化镓基异质结场效应晶体管的击穿电压，从而起到保护原有器件的作用，原有器件可以是D-mode的氮化镓基异质结场效应晶体管、E-mode的氮化镓基异质结场效应晶体管、氮化镓基肖特基二极管或氮化镓基异质结场效应晶体管集成了一个氮化镓基pn结二极管。
众所周知，对外延的氮化镓来说，到现时为止，生产上是无法有效地用离子注入法在氮化镓外延层上形成p型区域的，生产上氮化镓外延层上的p型区域都是透过MOCVD外延生长的。本方案集成的氮化镓基pn结二极管是利用MOCVD外延生长出来的p型外延层(pGaN层)做成的。本方案的氮化镓基pn结二极管的p区域是原来的p型外延层，n区域是通过离子注入而成。注入的离子主要是氢离子和硅离子，然后退火激活使原来的p型区域变成n型区域，氮化镓基pn结二极管之下是宽禁带势垒层AlGaN(AlGaN层4，厚度为10nm至50nm)和窄禁带材料GaN(GaN层2，厚度为1um至5um)，AlGaN层4和GaN层2之间形成I型异质结并有二维电子，二维电子气(2DEG)位于异质结界面的GaN一侧。二维电子气会被转化为接近绝缘体或半绝缘体，转化方法可以透过氩离子或氧离子注入至AlGaN层4和GaN层2之间然后退火处理。
pn结所占面积下的AlGaN层4和pGaN层5结构会影响pn结的击穿电压和导通特性，所以，这方案需要用离子注入法在pn结所占面积区域下注入氩，然后退火，使之变为高阻值的材料，这样，pn结在电学特性上便好像与其它器件隔离了。氮化镓基pn结二极管在击穿时能承受大电流密度流过而不被烧毁失效，其击穿电压比氮化镓基异质结场效应晶体管(HEMT晶体管)的击穿电压为低至少3伏，在应用时，击穿若发生会先发生在氮化镓基pn结二极管上，从而保护了HEMT晶体管。
本发明的氮化镓基异质结场效应晶体管结构，其中至少有部分外延层AlGaN/GaN表面上有以肖特基接触为主的阳极和以欧姆接触为主的阴极组成氮化镓基的肖特基二极管，氮化镓基的肖特基二极管由在无掺杂势垒层和GaN(包括缓冲层和氮化镓沟道层)层表面上的肖特基接触的阳极和欧姆接触的阴极组成。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，本发明可用于涉及制造各种Ⅲ氮异质结的HEMT器件(例如，异质结场效应晶体管(HEMT FET)或肖特基二极管)，本发明可用于制备100V至2000V的半导体功率分立器件,本发明的实施例是以N型沟道器件作出说明，本发明亦可用于P型沟道器件，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述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，但是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。
Claims (14)
1.一种氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法，包括以下步骤：
1）在硅片表面依次生长AIN成核层、GaN缓冲层、氮化镓沟道层、无掺杂势垒层和pGaN层；
2）在所述pGaN层表面积淀光刻涂层，利用掩模版暴露出部分pGaN层表面并用注入硅离子；
3）对注入的硅离子进行退火激活，将注入硅离子的pGaN层变为n型的GaN区域；
4）积淀光刻涂层，利用掩模版对暴露出的pGaN 层进行刻蚀，暴露出无掺杂势垒层，并形成接触孔；
5）在所述接触孔中形成欧姆接触电极；
6）形成栅极开孔，并在栅极开孔中形成栅极金属场板；
7）在结构表面，形成源区金属垫层、漏区金属垫层、栅极金属垫层、GaN二极管的阳极金属垫层和阴极金属垫层、连线及终端区场板。
2.根据权利要求1所述的氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法，其特征在于，
所述步骤1）中，所述AIN成核层厚度为200nm；所述GaN缓冲层厚度为4um；所述氮化镓沟道层厚度为300nm；所述无掺杂势垒层厚度为25nm；所述pGaN层厚度为80nm。
3.根据权利要求1所述的氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法，其特征在于，
所述步骤2）中，所述掩模版的开孔宽度为5um至30um、开孔形状为正方形、圆形、椭圆形和长方形；硅离子注入剂量范围为1e12 /cm3至1e16/cm3，注入能量为20KeV至200KeV。
4.根据权利要求1所述的氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法，其特征在于，
所述步骤3）中，所述对注入的硅离子进行退火的条件为：温度范围为800℃至1000℃，时间范围为30秒至100分钟。
5.根据权利要求1所述的氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法，其特征在于，
所述步骤4）进一步包括：
在所述pGaN层表面积淀光刻涂层，利用掩模版暴露出部分pGaN层的表面；
对暴露出的pGaN层采用感应耦合等离子体刻蚀技术进行干法刻蚀，刻蚀气体为C12／BCl3，直至暴露出无掺杂势垒层；
去掉光刻涂层，形成栅极pGaN、GaN二极管的阴极和阳极。
6.根据权利要求1所述的氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法，其特征在于，
所述步骤5）进一步包括：
在所述无掺杂势垒层表面积淀光刻涂层，利用接触孔掩模版暴露出部分无掺杂势垒层表面；
通过电子束蒸发方法，将欧姆接触金属蒸发至暴露出的部分无掺杂势垒层表面；
采用剥离工艺把不需要的金属去掉，只在接触孔留下金属；
经850℃、30秒的快速热退火处理，使接触孔中的金属形成欧姆接触电极。
7.根据权利要求6所述的氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法，其特征在于，
所述欧姆接触金属，由Ti、Al、Ni、Au四层金属组成。
8.根据权利要求1所述的氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法，其特征在于，
所述步骤6）进一步包括：
在结构表面淀积厚度为50nm-300nm的介质层，利用栅极开孔掩模版暴露出部分栅极pGaN的表面，形成栅极开孔；
通过电子束蒸发将肖特基接触金属蒸发至材料结构表面；
采用剥离工艺将不需要的金属去掉, 只在栅极开孔中留下金属作为栅极金属场板。
9.根据权利要求8所述的氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法，其特征在于，
所述肖特基接触金属，由Ni、Au两层金属组成。
10.根据权利要求1所述的氮化镓基异质结集成器件结构的制造方法，其特征在于，
所述步骤7）进一步包括：
在结构表面积淀厚度为0.1um-2um的介质层，利用金属接触孔掩模版暴露出部分金属的表面，形成金属接触孔；
通过溅射、沉积或电子束蒸发方法在表面形成一层钛、一层铝合金；
通过金属掩模进行金属浸蚀，形成源区金属垫层、漏区金属垫层、栅极金属垫层、GaN二极管的阳极金属垫层和阴极金属垫层、连线及终端区场板。
11.一种氮化镓基异质结集成器件结构，包括，HEMT晶体管和GaN二极管，其特征在于，所述HEMT晶体管的漏极与所述GaN二极管的阳极连接，所述HEMT晶体管的源极与所述GaN二极管的阴极连接；
包括无掺杂势垒层和氮化镓沟道层，所述无掺杂势垒层和氮化镓沟道层之间形成 I型异质结，二维电子气位于I 型异质结界面的氮化镓沟道层一侧；
所述HEMT晶体管的栅极为平面型栅极或沟槽型栅极, 源极和栅极之上有场板。
12.根据权利要求11所述的氮化镓基异质结集成器件结构，其特征在于，所述无掺杂势垒层厚度为10nm至50nm；所述氮化镓沟道层厚度为0.1um至0.5um。
13.根据权利要求11所述的氮化镓基异质结集成器件结构，其特征在于，所述HEMT晶体管为栅极材料是pGaN的增强型晶体管。
14.根据权利要求11所述的氮化镓基异质结集成器件结构，其特征在于，还包括氮化镓基的肖特基二极管，所述氮化镓基的肖特基二极管由在无掺杂势垒层和氮化镓沟道层表面上的肖特基接触的阳极和欧姆接触的阴极组成。
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| CN111211176A (zh) | 2020-05-29 |
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