一種氮化鎵異質(zhì)結(jié)mis柵控功率二極管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS (肖特基金屬/絕緣介質(zhì)/半導(dǎo)體)柵控功率二極管及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的典型代表，氮化鎵(GaN)具有很多優(yōu)良的特性:高臨界擊穿電場(?3.5X106V/cm)、高電子迀移率(?2000cm2/v *s)、高的二維電子氣(2DEG)濃度(?113CnT2)和良好的高溫工作能力等?；贏lGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的高電子迀移率晶體管(HEMT)(或異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管HFET，調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管MODFET，以下統(tǒng)稱為HEMT器件)在半導(dǎo)體領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用，尤其是在射頻/微波領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用于無線通信、衛(wèi)星通信等。另外，基于寬禁帶GaN材料的該類器件具有反向阻斷電壓高、正向?qū)娮璧?、工作頻率高、效率高等特性，可以滿足電力電子系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體器件更大功率、更高頻率、更小體積、更低功耗和更惡劣工作環(huán)境的要求。
[0003]二極管在半導(dǎo)體領(lǐng)域占有極其重要的地位，如開關(guān)和整流器，近年來，由于工藝和材料等的進(jìn)步，基于氮化鎵異質(zhì)結(jié)材料的二極管也已經(jīng)取得了較大發(fā)展。對(duì)于高效功率開關(guān)應(yīng)用，開啟電壓和反向耐壓能力是二極管的關(guān)鍵指標(biāo)。然而，受肖特基金屬與GaN半導(dǎo)體之間的金屬-半導(dǎo)體接觸的限制，傳統(tǒng)的GaN異質(zhì)結(jié)肖特基二極管的開啟電壓較大且反向漏電和耐壓不夠理想。目前人們已經(jīng)提出了多種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)出氮化鎵異質(zhì)結(jié)二極管的低開啟電壓和高耐壓，在正向開啟電壓方面有凹槽技術(shù)和氟離子注入技術(shù)，然而其反向漏電受肖特基接觸勢皇的限制，耐壓仍不甚理想；在反向耐壓方面，有結(jié)終端結(jié)構(gòu)，但器件正向?qū)娏魇艿叫ぬ鼗佑|載流能力的限制，較大的開啟電壓會(huì)增加器件的正向工作損耗，因此開發(fā)一種具有低正向開啟電壓、高反向耐壓的GaN基功率二極管對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的，就是針對(duì)上述傳統(tǒng)氮化鎵異質(zhì)結(jié)功率二極管存在的問題，提出了一種具有高反向耐壓、高正向電流、低開啟電壓、低導(dǎo)通電阻和低功耗的新型氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管，如圖1所示，包括襯底基片1、設(shè)置在襯底基片I上表面的外延層2和設(shè)置在外延層2上表面的勢皇層3，所述外延層2和勢皇層3形成異質(zhì)結(jié)；所述勢皇層3兩端分別設(shè)置有第一歐姆接觸金屬4和第二歐姆接觸金屬5，所述勢皇層3在與第二歐姆接觸金屬5側(cè)面連接處具有凹槽7，所述凹槽7與第一歐姆接觸金屬4之間的勢皇層3上表面具有鈍化層6 ;所述凹槽7底部及與鈍化層6相連的側(cè)壁以及鈍化層6上表面具有絕緣介質(zhì)8 ;所述第二歐姆接觸金屬5的上表面及凹槽7中具有肖特基金屬9，所述肖特基金屬9在絕緣介質(zhì)8上表面向第一歐姆接觸金屬5方向延伸。
[0007]進(jìn)一步的，所述外延層為GaN層，所述勢皇層為AlXN層，所述X為Ga、In和Ga與In的混合物中的一種。
[0008]進(jìn)一步的，所述絕緣介質(zhì)8為Si02、Si3N4、Al203、Mg0和11?)2中的一種或多種組合，其厚度為l-100nm。
[0009]進(jìn)一步的，所述陽極金屬9 包括 N1、Au、Ir、Pd、Pt、Mo、Se、Be、W、TiN, Ta、TaN 中的任一種或任意幾種組合。
[0010]一種氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS功率二極管的制造方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011 ] 第一步:在襯底基片I上層依次外延生長外延層2和勢皇層3 ；
[0012]第二步:采用光刻技術(shù)，在勢皇層3上表面兩端器件的陽極和陰極區(qū)域淀積歐姆金屬，并在純氮?dú)夥諊逻M(jìn)行高溫快速熱退火，分別形成第一歐姆接觸金屬4和第二歐姆接觸金屬5 ；
[0013]第三步:采用離子注入技術(shù)或干法刻蝕臺(tái)面技術(shù)，形成器件間隔離:其中離子注入技術(shù)是采用高能離子注入有源區(qū)外的其他區(qū)域，高能離子使這些區(qū)域的晶格損壞，異質(zhì)結(jié)被破壞無法形成導(dǎo)電通道從而形成器件隔離；干法刻蝕臺(tái)面技術(shù)是采用電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)，采用氯氣和氯化硼混合等離子體刻蝕有源區(qū)外的勢皇層3和外延層2，使該區(qū)域異質(zhì)結(jié)消失，不能形成導(dǎo)電通道因而形成期間隔離；
[0014]第四步:在第一歐姆接觸金屬4和第二歐姆接觸金屬5之間的勢皇層3上表面生長鈍化層6 ;
[0015]第五步:采用氟基氣體刻蝕與第二歐姆接觸金屬5側(cè)面相連鈍化層6，形成凹槽7 ；
[0016]第六步:采用凹槽刻蝕技術(shù)刻蝕器件凹槽7中的勢皇層3，將凹槽7中勢皇層3刻蝕至溝道中二維電子氣完全耗盡，凹槽7底部與外延層2之間的勢皇層3厚度為I?3nm ;所述凹槽刻蝕技術(shù)為干法刻蝕和氧化濕法刻蝕其中的一種或者兩者結(jié)合；
[0017]第七步:在凹槽7中勢皇層3上表面及側(cè)面以及鈍化層6上表面淀積絕緣介質(zhì)8，淀積絕緣介質(zhì)8后進(jìn)行高溫快速熱退火，退火溫度400?500攝氏度，退火時(shí)間為10?15min ；
[0018]第八步:采用光刻技術(shù)，在第二歐姆接觸金屬5上表面及凹槽7中淀積陽極肖特基金屬9，在凹槽7處形成肖特基金屬/絕緣介質(zhì)/半導(dǎo)體的MIS柵控結(jié)構(gòu)。
[0019]本發(fā)明通過刻蝕凹槽減薄局部AlXN勢皇層的厚度從而耗盡異質(zhì)結(jié)的二維電子氣(2DEG)，先后淀積一層絕緣介質(zhì)和陽極肖特基金屬完全覆蓋勢皇層凹槽，在凹槽處形成肖特基金屬/絕緣介質(zhì)/半導(dǎo)體的MIS柵控結(jié)構(gòu)，通過改變陽極電壓實(shí)現(xiàn)凹槽處電子的積累和耗盡，從而控制器件的開啟和關(guān)斷；在陽極肖特基金屬旁邊增加一個(gè)歐姆接觸使該歐姆接觸和肖特基陽極短接，形成了基于MIS柵控結(jié)構(gòu)的氮化鎵異質(zhì)結(jié)混合陽極功率二極管。由于正向?qū)〞r(shí)電流是通過陽極處的歐姆接觸與陰極的歐姆流動(dòng)的而不是傳統(tǒng)肖特基勢皇二極管(SBD)結(jié)構(gòu)中從陽極肖特基金屬到陰極歐姆接觸流動(dòng)，從而增加了正向電流并降低了導(dǎo)通電阻；而反向耐壓時(shí)是由陽極的MIS結(jié)構(gòu)而不是傳統(tǒng)的特基金屬與GaN半導(dǎo)體之間的金屬-半導(dǎo)體接觸承受耐壓，所以能夠大大降低了器件的反向漏電，提高了耐壓。該二極管具有低的正向開啟電壓，高的正向電流和高的耐壓。需要指出的是當(dāng)AlXN勢皇層的厚度、AlXN勢皇層Al的組分，或是異質(zhì)結(jié)中插入了 AlN層，或是AlXN勢皇層中有摻雜以及摻雜的分布不同時(shí)，要實(shí)現(xiàn)同樣低的正向開啟電壓所對(duì)應(yīng)的凹槽的深度和絕緣介質(zhì)8的厚度會(huì)有有所不同
[0020]本發(fā)明的有益效果為，具有高反向耐壓、高導(dǎo)通電流、低開啟電壓、低導(dǎo)通電阻和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，并且其制造工藝與傳統(tǒng)氮化鎵異質(zhì)結(jié)HEMT器件兼容，可以實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)氮化鎵異質(zhì)結(jié)HEMT器件的單片集成。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明的氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明的氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管的制造工藝流程中在襯底上表面生成外延層后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明的氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管的工藝流程中淀積歐姆接觸示意圖；
[0024]圖4為本發(fā)明的氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管的工藝流程中在異質(zhì)結(jié)上表面生長一層介質(zhì)層；；
[0025]圖5為本發(fā)明的氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管的工藝流程中刻蝕掉凹槽區(qū)域上表面的介質(zhì)層；
[0026]圖6為本發(fā)明的氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管的工藝流程中對(duì)凹槽區(qū)域異質(zhì)結(jié)勢皇層進(jìn)行刻蝕；
[0027]圖7為本發(fā)明的氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管的工藝流程中在整個(gè)凹槽和異質(zhì)結(jié)上表面生長一層絕緣介質(zhì)層；
[0028]圖8為本發(fā)明的氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管的工藝流程中在凹槽區(qū)域淀積陽極肖特基金屬；
[0029]圖9為傳統(tǒng)肖特基勢皇二極管SBD結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖10為傳統(tǒng)肖特基勢皇二極管SBD和本發(fā)明的氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管的正向電流圖；
[0031]圖11為傳統(tǒng)肖特基勢皇二極管SBD和本發(fā)明的氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管的反向電流圖；
[0032]圖12為傳統(tǒng)肖特基勢皇二極管SBD在不同陽極與陰極距離下的耐壓曲線圖；
[0033]圖13為本發(fā)明的氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管在不同陽極與陰極距離下的耐壓曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0035]本發(fā)明提出了一種高性能氮化鎵異質(zhì)結(jié)MIS柵控功率二極管，它與傳統(tǒng)肖特基勢皇二極管SBD不同，本發(fā)明的二極管在陽極一側(cè)采用復(fù)合陽極結(jié)構(gòu)，即陽極一側(cè)采用中歐姆/肖特基混合陽極設(shè)計(jì)；與常規(guī)的橫向場效應(yīng)整流器相比，本發(fā)明中的陽極的肖特基金屬淀積在凹槽中而不是直接淀積在異質(zhì)結(jié)表面，并且在陽極的凹槽中完全淀積一層絕緣介質(zhì)形成肖特基金屬/絕緣介質(zhì)/半導(dǎo)體的MIS柵控結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過刻蝕陽極肖特基下方的勢皇層來耗盡溝道中的二維電子氣(2DEG)，從而實(shí)現(xiàn)在陽極無正向電壓時(shí)器件關(guān)斷；并且本發(fā)明所提供的二極管在陽極采用歐姆/肖特基混合陽極設(shè)計(jì)，其中陽極處的肖特基/柵介質(zhì)/半導(dǎo)體MIS柵控結(jié)構(gòu)控制器件的開啟/關(guān)斷，歐姆接觸是器件的主要導(dǎo)電通道，當(dāng)陽極加正壓時(shí)，肖特基陽極下半導(dǎo)體表面出現(xiàn)電子積累，陽極和陰極之間的歐姆導(dǎo)通，從而大大增加了器件的正向電流。因此，本發(fā)明所提出的二極管具有較低的陽極接觸電阻，從而整個(gè)器件的導(dǎo)通電阻大大降低且導(dǎo)通電流大幅增加。由于傳統(tǒng)二極管的耐壓能力取決于陽極肖特基金屬與GaN半導(dǎo)體之間的金屬-半導(dǎo)體接觸，而常規(guī)的橫向場效應(yīng)整流器由于勢皇層的減薄，陽極肖特基金屬與GaN半導(dǎo)體之間的金屬-半導(dǎo)體接觸的勢皇更低，因此反向漏電更大，當(dāng)在陽極一側(cè)引入MIS柵控結(jié)構(gòu):即在陽極下方的凹槽處完全覆蓋一層絕緣介質(zhì)，該絕緣介質(zhì)能夠有效降低流經(jīng)肖特基金屬的反向漏電，同時(shí)在反向工作時(shí)，該MIS結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步耗盡溝道中的電子，從而能夠提高器件反向耐壓能力。故本發(fā)明提供了一種具有低開啟電壓、低導(dǎo)通電阻、高導(dǎo)通電流、高反向耐壓和低功耗等優(yōu)點(diǎn)的氮化鎵異質(zhì)結(jié)功率二極管，與此同時(shí)本發(fā)明所公布的器件制備