CN112186034A - 一种带有斜场板结构的氮化镓肖特基二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带斜场板结构的氮化镓肖特基二极管及其制作方法，主要解决现有技术击穿电压偏低、可靠性差的问题。其自下而上，包括欧姆阴极金属层(1)、N+氮化镓衬底层(2)、N‑氮化镓外延层(3)及肖特基阳极金属层(5)，该N‑氮化镓外延层与肖特基阳极金属层之间增设有P型氧化镍层(4)；该N‑氮化镓外延层两端的上方及P型氧化镍层两端的上方设有钝化介质层(6)；该肖特基阳极金属层与钝化介质层上方设有金属场板层(7)，该金属场板层采用厚度为50～200nm的斜面场板结构。本发明增高了垂直型氮化镓肖特基势垒二极管的反向击穿电压，降低了反向漏电流，可用于汽车电子和开关电源。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别是涉及氮化镓肖特基二极管，可用于各种高功率电子部件。
背景技术
自20世纪以来，人们对于电气的依赖和需求越来越大，使得电力电子技术得到巨大发展。功率器件作为电力电子技术发展的基础，其性能决定了电力系统的功率和效率。如今，硅功率器件的发展已渐逼材料的物理极限，以氮化镓为代表的第三代半导体是硅材料的良好替代品。氮化镓具有禁带宽度大、击穿场强高、电子迁移率高、饱和速度高等优势，采用此材料制作出的肖特基二极管具有反向击穿电压大，正向导通电流大，耐受性好的特性，在高温、高压、高频的功率器件领域中具有不可替代的位置，具有巨大的应用前景。
结合国内外的发展，目前氮化镓肖特基二极管仍存在一些问题。自身异质结材料具有一定位错密度是一直以来背后研究人员关注的问题，除此之外，由于一些寄生效应的影响，氮化镓肖特基二极管的反向击穿电压与漏电流这两个关键指标严重偏离理想值。研究人员提出方案，大多通过改进制作工艺和器件结构这两个方面解决上述问题，以使氮化镓肖特基二极管能够充分发挥其性能优势。
现有的氮化镓二极管结构如图1所示，其自下而上，包括欧姆阴极金属层、N+氮化镓衬底层、N-氮化镓外延层和肖特基阳极金属层。这种氮化镓二极管结构由于反向耗尽不够彻底，使得器件的漏电流增大，偏离理想值，同时由于未增加终端保护结构，易在器件的肖特基结边缘处发生击穿，造成反向击穿电压大幅下降，不能很好发挥氮化镓材料的优势，器件性能较差。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种带有斜场板结构的氮化镓肖特基二极管及其制作方法，以有效增大氮化镓二极管的反向击穿电压、降低漏电流，提升器件性能。
本发明的技术方案是这样实现的：
1.一种带有斜场板结构的氮化镓肖特基二极管，其自下而上包括欧姆阴极金属层、N+氮化镓衬底层、N-氮化镓外延层及肖特基阳极金属层，其特征在于：在N-氮化镓外延层与肖特基阳极金属层之间增设有P型氧化镍层；在N-氮化镓外延层两端的上方及P型氧化镍层两端的上方设有钝化介质层；在肖特基阳极金属层与钝化介质层上方设有金属场板层，该金属场板层采用厚度为50～200nm的斜面场板结构。
进一步，所述P型氧化镍层的厚度为50～200nm。
进一步，所述欧姆阴极金属层，采用Ti、Al、Ni、Au和Pt金属中的一种材料形成单层或多种材料组成多层；所述肖特基阳极金属层，采用Ni、Au和W金属中的一种材料形成单层或多种多层材料组成多层。
进一步，所述钝化介质层采用的介质材料为SiO2、Al2O3、SiN中的任意一种，其厚度为50nm～200nm。
进一步，所述N+氮化镓衬底层的载流子浓度为10E17cm-3～10E18cm-3；氮化镓外延层的厚度为3um～10um，载流子浓度应为10E15cm-3～10E16cm-3。
2.一种氮化镓肖特基二极管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在自下而上依次包括N+氮化镓衬底层和N-氮化镓外延层的外延片上，采用溅射工艺生长一层50nm～200nm的P型氧化镍层；
2)采用一次光刻在P型氧化镍层两端形成图案，再采用缓冲氧化物刻蚀工艺，将P型氧化镍层的两端倾斜刻蚀，刻至N-氮化镓外延层表面向下的30～150nm处，形成P型氧化镍台面；
3)采用二次光刻在N+氮化镓衬底层的下表面形成图案，再采用电子束蒸发工艺在图案区域生长厚度为200nm～300nm欧姆阴极金属层，并进行热退火处理，使其形成欧姆接触；
4)采用三次光刻在P型氧化镍层表面形成图案，再采用电子束蒸发工艺在P型氧化镍层的图案区域生长厚度为140nm～220nm肖特基阳极金属层，并进行热退火处理，使其形成肖特基接触；
5)采用化学气相淀积工艺在经过上述步骤处理后的样片上表面淀积一层厚度为50nm～200nm钝化介质层；
6)采用四次光刻在钝化介质层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在图案上开设深度为50nm～200nm的孔，下至肖特基阳极金属层；
7)采用电子束蒸发工艺，在钝化介质层和肖特基阳极金属层上生长一层厚度为50～200nm金属场板层，完成整个器件的制作。
本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：
第一，由于本发明在N-氮化镓外延层与肖特基阳极金属层之间增设有P型氧化镍层，因而当器件在反向工作时，能够形成更宽的势垒区，使器件的击穿电压增高，漏电流减小；
第二，本发明由于在肖特基阳极金属层与钝化介质层上方增设有金属场板层，使得肖特基阳极金属边缘的强电场向金属场板转移，降低了肖特基阳极金属边缘的场强，进一步增高击穿电压，提升了器件性能。
附图说明
图1为现有氮化镓肖特基二极管横截面示意图；
图2为本发明中带有斜场板的氮化镓肖特基二极管横截面示意图；
图3为本发明制作图2肖特基二极管的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施做进一步详细描述：
参照图2，本发明带有斜场板的氮化镓肖特基二极管，包括欧姆阴极金属层1，N+氮化镓衬底层2，N-氮化镓外延层3，P型氧化镍层4，肖特基阳极金属层5，钝化介质层6，金属场板层7。其中：欧姆阴极金属层1采用Ti、Al、Ni、Au和Pt金属中的一种材料形成单层或多种材料组成多层；N+氮化镓衬底层2的载流子浓度为10E17cm-3～10E18cm-3，其位于欧姆阴极金属层1的上部；N-氮化镓外延层3的厚度为3um～10um，载流子浓度为10E15cm-3～10E16cm-3，其位于N+氮化镓层2的上部；P型氧化镍层4位于N-氮化镓外延层3的上部且两端有凹槽，该P型氧化镍层4厚度为50～200nm；肖特基阳极金属层5采用Ni、Au和W金属中的一种材料形成单层或多种多层材料组成多层，其位于P型氧化镍层4的上方；钝化介质层6采用的介质材料为SiO2、Al2O3、SiN中的任意一种，其厚度为50nm～200nm，位于P型氧化镍层4两端的上方；金属场板层7采用斜面场板结构，其厚度为50～200nm，位于肖特基阳极金属层5及钝化介质层6的上方。
参照图3，本发明制备带有斜场板的氮化镓肖特基二极管的方法，给出以下三种实施例：
实施例1：制作P型氧化镍层厚度为50nm，欧姆阴极金属为Ti/Au，肖特基阳极金属为Ni/Au，SiN为钝化介质层厚度为50nm，金属场板厚度为50nm的肖特基二极管。
步骤1：外延片清洗，如图3(a)所示。
本实例使用自下而上包括N+氮化镓衬底层，N-氮化镓外延层的外延片，其中N+氮化镓衬底层的厚度为3um，N-氮化镓外延层的厚度为5um；
将上述外延片先使用丙酮超声清洗5min，再使用乙醇超声清洗5min，再使用等离子水超声清洗5min，最后用氮气枪将外延片吹干。
步骤2：氧化镍台面刻蚀，如图3(b)所示。
采用磁控溅射工艺，在N-氮化镓外延层上溅射厚度为50nm的P型氧化镍层；
采用一次光刻，在P型氧化镍层两端形成图案；
采用缓冲氧化物刻蚀工艺，在P型氧化镍层两端刻蚀并形成凹槽，深至N-氮化镓外延层向下80nm处，刻蚀条件为：刻蚀功率250W，压力5mTorr,气体流速比Ar：CF4为80sccm：25sccm。
步骤3：制作欧姆阴极金属层，如图3(c)所示。
采用二次光刻在N+氮化镓衬底层的下表面形成图案，将光刻后的样片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在N+氮化镓衬底层的下表面依次蒸发厚度分别为20/45nm的Ti/Au欧姆阴极金属层；
采用剥离工艺去除多余金属，并按照丙酮超声清洗3min，乙醇超声清洗3min，等离子水超声清洗3min的顺序清洗样片，最后用氮气枪将样片吹干；
将样片放入退火炉，在860℃条件下快速热退火30s，形成欧姆阴极金属层。
步骤4：制作肖特基阳极金属层，如图3(d)所示。
采用三次光刻在P型氧化镍金属台面上形成肖特基阳极金属的图案；
将形成图案后的样片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在上述表面蒸发厚度为60nm/120nm的Ni/Au，作为肖特基阳极金属；
采用剥离工艺去除表面多余金属，并使用丙酮超声清洗3min，再使用乙醇超声清洗3min，再使用等离子水超声清洗3min，最后用氮气枪将样片吹干；
将吹干后的样片放入退火炉，在450℃条件下快速热退火5min，形成肖特基阳极金属层。
步骤5：淀积钝化介质层，如图3(e)所示。
将样片放入等离子体增强化学气相淀积设备，设定腔体温度为220℃，反应室气体SiH4：N2O：N2流速比为40sccm：710sccm：180sccm，在整个样片的上表面淀积厚度为50nm的SiN钝化介质层。
步骤6：钝化介质层开孔，如图3(f)所示。
采用四次光刻在钝化介质层上形成图案；
将样片放入反应离子刻蚀设备中进行刻蚀，刻蚀条件为：气体流速比BCl3：Cl2为30sccm：75sccm，功率250W，压力5mTorr，刻蚀深度为50nm；
按照丙酮超声清洗5min，乙醇超声清洗5min，等离子水超声清洗5min的顺序清洗样片，最后用氮气枪吹干。
步骤7：淀积金属场板层，如图3(g)所示。
采用电子束蒸发工艺，将样片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在钝化介质层及肖特基阳极金属层表面上蒸发厚度分别为25/25nm的Ti/Au金属，形成金属场板层，完成带斜场板的氮化镓肖特基二极管制作。
实施例2：制作P型氧化镍层厚度为100nm，欧姆阴极金属为Ti/Al/Ni/Au，肖特基阳极金属为W，SiO2钝化介质层厚度为100nm的，金属场板厚为100nm的肖特基二极管。
步骤A：外延片清洗，如图3(a)所示。
本实施例的步骤A与实施例中的步骤1相同。
步骤B：氧化镍台面刻蚀，如图3(b)所示。
B1)采用磁控溅射工艺，在N-氮化镓外延层上溅射P型氧化镍层，其厚度为100nm；再采用一次光刻，在P型氧化镍层两端形成图案；
B2)在压力为5mTorr，Ar与CF4气体流速比为80sccm：25sccm，功率为250W的条件下，采用缓冲氧化物刻蚀工艺，在P型氧化镍层两端刻蚀并形成凹槽，深至N-氮化镓外延层向下80nm处。
步骤C：制作欧姆阴极金属层，如图3(c)所示。
C1)采用二次光刻在N+氮化镓衬底层的下表面形成图案，将光刻后的样片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在N+氮化镓衬底层的下表面蒸发厚度分别为20/145/50/45nm的Ti/Al/Ni/Au欧姆阴极金属层；
C2)采用剥离工艺去除多余金属，并依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗3min，最后用氮气枪将样片吹干；
C3)将吹干的样片放入退火炉，在860℃条件下快速热退火30s，形成欧姆阴极金属层。
步骤D：制作肖特基阳极金属层，如图3(d)所示所示。
D1)采用三次光刻在P型氧化镍金属台面上形成肖特基阳极金属的图案；
D2)将形成图案后的样片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在整个样片上表面蒸发厚度为150nm的W，作为肖特基阳极金属；
D3)采用剥离工艺去除样片表面多余金属，并依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗3min，最后用氮气枪将样片吹干；
D4)将吹干后的样片放入退火炉，在450℃条件下快速热退火5min，形成肖特基阳极金属层。
步骤E：淀积钝化介质层，如图3(e)所示。
将样片放入等离子体增强化学气相淀积设备，在腔体温度为220℃，反应室SiH4与O2的气体流速比例为40sccm：710sccm的条件下，在整个样片的上表面淀积一层厚度为100nm的SiO2钝化介质层。
步骤F：钝化介质层开孔，如图3(f)所示。
F1)采用四次光刻在钝化介质层上形成图案；
F2)将形成图案的样片放入反应离子刻蚀设备中进行刻蚀，在气体流速比BCl3：Cl2为30sccm：75sccm，功率250W，压力5mTorr的刻蚀条件下，刻蚀深度为100nm；
F3)将刻蚀后的样片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗3min，并用氮气枪吹干。
步骤G：淀积金属场板层，如图3(g)所示。
采用电子束蒸发工艺，将样片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在钝化介质层及肖特基阳极金属层表面上依次蒸发厚度分别为50/50nm的Ti/Au金属，形成金属场板层，完成带斜场板的氮化镓肖特基二极管制作。
实施例3：制作P型氧化镍层厚度为200nm，欧姆阴极金属为Ti/Al/Au，肖特基阳极金属为Au，Al2O3为钝化介质层厚度为200nm的，金属场板厚为200nm的肖特基二极管。
步骤一：外延片清洗，如图3(a)所示。
本实施例的步骤一与实施例1中的步骤1相同。
步骤二：氧化镍台面刻蚀，如图3(b)所示。
首先，采用磁控溅射工艺，在N-氮化镓外延层上溅射P型氧化镍层，其厚度为200nm；再采用一次光刻，在P型氧化镍层两端形成图案；
接着，采用缓冲氧化物刻蚀工艺，在刻蚀功率250W，压力5mTorr，气体流速比Ar：CF4为80sccm：25sccm的条件下，将P型氧化镍层两端刻蚀并形成凹槽，深至N-氮化镓外延层向下80nm处。
步骤三：制作欧姆阴极金属层，如图3(c)所示。
首先，采用二次光刻在N+氮化镓衬底层的下表面形成图案，将光刻后的样片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在N+氮化镓衬底层的下表面蒸发厚度分别为20/145/45nm的Ti/Al/Au欧姆阴极金属层；再采用剥离工艺去除多余金属，并在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗3min，最后用氮气枪将样片吹干；
接着，将吹干后的样片放入退火炉，在860℃条件下快速热退火30s，形成欧姆阴极金属层。
步骤四：制作肖特基阳极金属层，如图3(d)所示所示。
首先，采用三次光刻在P型氧化镍金属台面上形成肖特基阳极金属的图案；并将形成图
案后的样片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在上述表面蒸发厚度为150nm的Au，作为肖特基阳极金属；
接着，采用剥离工艺去除表面多余金属，并依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗3min，最后用氮气枪将样片吹干，并将吹干后的样片放入退火炉，在450℃条件下快速热退火5min，形成肖特基阳极金属层。
步骤五：淀积钝化介质层，如图3(e)所示。
将样片放入等离子体增强化学气相淀积设备，在腔体温度为220℃，反应室气体流速Ar：N2O：TMA的比例为700sccm：800sccm：100sccm的条件下，在整个样片上表面淀积厚度为200nm的Al2O3钝化介质层。
步骤六：钝化介质层开孔，如图3(f)所示。
首先，采用四次光刻在钝化介质层上形成图案，并将样片放入反应离子刻蚀设备中，在气体流速BCl3：Cl2的比例为30sccm：75sccm，功率为250W，压力为5mTorr的条件下，将整个样片向下刻蚀200nm；再将刻蚀后的样片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮气枪吹干。
步骤七：淀积金属场板层，如图3(g)所示。
采用电子束蒸发工艺，将样片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在钝化介质层及肖特基阳极金属层表面上依次蒸发厚度分别为100/100nm的Ti/Au金属，形成金属场板层，完成带斜场板的氮化镓肖特基二极管制作。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围，例如对于阴阳极金属的选取并不限于实施例所给出的金属材料，还包括Mo和Pt，但是凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种带有斜场板结构的氮化镓肖特基二极管，其自下而上包括欧姆阴极金属层(1)、N+氮化镓衬底层(2)、N-氮化镓外延层(3)及肖特基阳极金属层(5)，其特征在于：在N-氮化镓外延层(3)与肖特基阳极金属层(5)之间增设有P型氧化镍层(4)；在N-氮化镓外延层(3)两端的上方及P型氧化镍层(4)两端的上方设有钝化介质层(6)；在肖特基阳极金属层(5)与钝化介质层(6)上方设有金属场板层(7)，该金属场板层采用厚度为50～200nm的斜面场板结构。
2.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于所述P型氧化镍层(4)的厚度为50～200nm。
3.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：
所述欧姆阴极金属层(1)，采用Ti、Al、Ni、Au和Pt金属中的一种材料形成单层或多种材料组成多层；
所述肖特基阳极金属层(5)，采用Ni、Au和W金属中的一种材料形成单层或多种多层材料组成多层。
4.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于，所述钝化介质层(6)采用的介质材料为SiO2、Al2O3、SiN中的任意一种，其厚度为50nm～200nm。
5.根据权利要求1所述的二极管，其特征在于：
N+氮化镓衬底层(2)的载流子浓度为10E17cm-3～10E18cm-3；
N-氮化镓外延层(3)的厚度为3um～10um，载流子浓度应为10E15cm-3～10E16cm-3。
6.一种带有斜场板结构的氮化镓肖特基二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
§1)在自下而上依次包括N+氮化镓衬底层(2)和N-氮化镓外延层(3)的外延片上，采用溅射工艺生长一层50nm～200nm的P型氧化镍层(4)；
§2)采用一次光刻在P型氧化镍层(4)两端形成图案，再采用缓冲氧化物刻蚀工艺，将P型氧化镍层(4)的两端倾斜刻蚀，刻至N-氮化镓外延层(3)表面向下的30～150nm处，形成P型氧化镍台面；
§3)采用二次光刻在N+氮化镓衬底层(2)的下表面形成图案，再采用电子束蒸发工艺在图案区域生长厚度为200nm～300nm欧姆阴极金属层(1)，并进行热退火处理，使其形成欧姆接触；
§4)采用三次光刻在P型氧化镍层(4)表面形成图案，再采用电子束蒸发工艺在P型氧化镍层(4)的图案区域生长厚度为140nm～220nm肖特基阳极金属层(5)，并进行热退火处理，使其形成肖特基接触；
§5)采用化学气相淀积工艺在经过上述步骤处理后的样片上表面淀积一层厚度为50nm～200nm钝化介质层(6)；
§6)采用四次光刻在钝化介质层(6)上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在图案上开设深度为50nm～200nm的孔，下至肖特基阳极金属层(5)；
§7)采用电子束蒸发工艺，在钝化介质层(6)和肖特基阳极金属层(5)上生长一层厚度为50～200nm金属场板层(7)，完成整个器件的制作。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，步骤§2)采用的缓冲氧化物刻蚀工艺条件如下：
反应室压强：5mtorr
反应室气体：Ar和CF4
反应室气体流速比例：Ar：CF4＝80sccm：25sccm
RF射频源：250W。
8.根据权利要求6所述，其中，步骤§5)采用的等离子增强型化学气相淀积工艺条件如下：
反应室压强：2000mtorr
反应室气体：SiH4、N2O、N2这三种气体
反应室气体流速比例：SiH4：N2O：N2＝40sccm：710sccm：180sccm
反应室温度：320℃～370℃
RF射频源：20W。
9.根据权利要求6所述，其中，步骤§6)采用的反应离子刻蚀工艺条件如下：
反应室压强：5mTorr
反应室气体：BCl3和Cl2
反应室气体流速比例：BCl3：Cl2＝30sccm:：75sccm
刻蚀功率：250W。
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