带有斜场板的氮化镓结势垒肖特基二极管及其制作方法

摘要

本发明公开了一种带有斜场板的氮化镓结势垒肖特基二极管及其制作方法，主要解决现有技术击穿电压低、可靠性差的问题。其自下而上包括欧姆阴极金属层(4)、N+氮化镓衬底层(1)、N‑氮化镓外延层(2)、P型结层(3)及肖特基阳极金属层(5)，该肖特基阳极金属层(5)两端的上方设有第一钝化介质层(6)；该肖特基阳极金属层(5)和第一钝化介质层(6)的上方设有第一金属场板层(7)；该第一金属场板层(7)两端的上方设有第二钝化介质层(8)；该第一金属场板层(7)和第二钝化介质层(8)的上方设有第二金属场板层(9)。本发明增高了氮化镓结势垒肖特基二极管的反向击穿电压，降低其反向漏电，可用于高频高功率电子设备。

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别是涉及一种氮化镓结势垒肖特基二极管，可用于制作各种高功率电子设备。

背景技术

氮化镓功率器件因其具有高击穿，高迁移率，高频高效等特性，吸引着其在功率器件应用领域的快速发展。采用氮化镓材料制备而成的肖特基二极管较传统材料相比具有高的可靠性和稳定性，因此在高功率、高温等恶劣工作条件下也能较好的发挥其器件性能。传统的垂直型氮化镓肖特基二极管的正反向工作原理为金属、半导体接触时产生势垒高度的变化，但其反向耐压特性并不突出，因此实际击穿电压与理论值有一定偏差。为增高其击穿电压，减小反向漏电效应，结势垒肖特基二极管结构应用而生。

随着集成电路行业的发展，现阶段对高功率、高频器件的需求越来越大，功率器件的性能直接决定了产品的质量与效率。以二极管为例，在该种工作环境下要求器件有快速导通和关闭的能力、耐压耐高温的优越性能，二极管的正反向特性显得尤为重要。另外，反向漏电的减小在对产品效率提升的同时更是达到了节能少耗的目标。

现有的结势垒肖特基二极管结构如图1所示，其自下而上包括欧姆阴极金属层4、N+氮化镓衬底层1、N-氮化镓外延层2，在N-氮化镓外延层2内设有P型结层3，N-氮化镓外延层上2设有肖特基阳极金属层5。目前关于氮化镓结势垒肖特基二极管的研究报道相对较少，因此氮化镓基结势垒肖特基二极管具有巨大的研究价值。但现有的这种结势垒肖特基二极管结构由于没有终端结构的保护，器件反向性能不够突出。另外，由于现有结构的P型结选用同质材料，因而在器件反向工作时，耗尽程度不高，导致漏电流较大。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出带有斜场板的氮化镓结势垒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：

1.一种带有斜场板的氮化镓结势垒肖特基二极管，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、P型结层及肖特基阳极金属层，其特征在于：肖特基阳极金属层两端的上方设有第一钝化介质层；肖特基阳极金属层和第一钝化介质层的上方设有第一金属场板层；第一金属场板层两端的上方设有第二钝化介质层；在第一金属场板层和第二钝化介质层的上方设有第二金属场板层。

进一步，所述N-氮化镓外延层的厚度为3um～10um，载流子浓度为1E15cm-3～1E16cm-3，N+氮化镓衬底层载流子浓度为1E17cm-3～1E18cm-3。

进一步，所述P型结层(3)采用P型氧化镍材料，且结深为300nm～500nm。

进一步，所述第一钝化介质层和第二钝化介质层的材料为SiO2、Al2O3、Si3N4中的一种，厚度为50nm～200nm；所述第一金属场板层和第二金属场板的材料为Ti/Au，其厚度为50nm～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。

2.一种氮化镓结势垒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、N-氮化镓外延层的外延片上，采用一次光刻在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欧姆阴极金属并进行热退火处理，形成欧姆阴极金属层；

2)采用二次光刻在N-氮化镓外延层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，将整个样片向下刻蚀300nm～500nm，形成若干插指状沟槽；

3)采用溅射工艺在N-氮化镓外延层上生长厚为300nm～500nm的P型氧化镍，形成P型结层；

4)采用三次光刻在N-氮化镓外延层上形成图案，再采用电子束蒸发工艺在图案区域生长肖特基阳极金属层并进行热退火处理；

5)采用四次光刻在肖特基阳极金属层的两端形成图案，再采用缓冲氧化物刻蚀工艺将图案区域刻蚀至N-氮化镓外延层表面向下30～150nm处，刻蚀壁面为倾斜壁面；

6)采用化学气相淀积工艺在整个样片上淀积厚度为50nm～200nm的第一钝化介质层；

7)采用五次光刻在第一钝化介质层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在图案区域开设深度为50～200nm的孔；

8)采用电子束蒸发工艺，在整个样片上表面生长厚度为50～200nm的第一金属场板层；

9)采用等离子体增强型化学气相淀积工艺在第一金属场板层上淀积厚度为50～200nm的第二钝化介质层；

10)采用六次光刻在第二钝化介质层上形成图案，再采用刻蚀工艺在图案区域开设深度为50～200nm的孔；

11)采用电子束蒸发工艺，在整个样片上表面生长厚度为50～200nm的第二金属场板层，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，由于本发明的P型结层采用P型氧化镍材料，因而当器件在反向工作时，形成的耗尽区更宽，耗尽效果更强，因而可以降低反向漏电电流；

第二，由于本发明在肖特基阳极金属上增设有双层斜场板结构，因而器件的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为现有氮化镓结势垒肖特基二极管横截面示意图；

图2为本发明带斜场板的氮化镓结势垒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，本发明的带斜场板氮化镓肖特基二极管，包括欧姆阴极金属4，N+氮化镓衬底层1，N-氮化镓外延层2，P型结层3，欧姆阴极金属层4，肖特基阳极金属5，第一钝化介质层6，第一金属场板层7，第二钝化介质层8和第二金属场板层9。其中：欧姆阴极金属层4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1的载流子浓度为10E17cm-3～10E18cm-3，其位于欧姆阴极金属层4的上部；N-氮化镓外延层2的厚度为3um～10um，载流子浓度为10E15cm-3～10E16cm-3，其位于N+氮化镓衬底层2的上部；P型结层3集成于N-氮化镓外延层2的内部，结深为300nm～500nm；肖特基阳极金属层5位于N-氮化镓外延层2的上方，其生长可采用W、Ni/Au中的一种，且两端有凹槽，凹槽深30～150nm；第一钝化介质层6采用的介质材料为SiO2、Al2O3、SiN中的任意一种，其厚度为50nm～200nm，且位于肖特基阳极金属层5的上方；第一金属场板层7采用斜面场板结构，其厚度为50～200nm，位于第一钝化介质层6上方；第二钝化介质层8的材料和厚度与第一钝化介质层6相同，位于第一金属场板层7的上方；第二金属场板层9与第一金属场板层7的材料与厚度相同，位于第二钝化介质层8的上方。

参照图3，本发明制作上述带斜场板的氮化镓肖特基二极管方法，给出以下三种实施例：

实施例1：制作P型结深为300nm，欧姆阴极金属为Ti/Au，肖特基阳极金属为Ni/Au，SiN为第一与第二钝化介质层，第一与第二金属场板层厚度为50nm的肖特基二极管。

步骤1：外延片清洗，如图3(a)所示。

本实例使用的外延片为自下而上包括N+氮化镓衬底层和N-氮化镓外延层，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；

将上述外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮气枪将外延片吹干。

步骤2：欧姆阴极金属层淀积，如图3(b)所示。

采用一次光刻在外延片N+氮化镓衬底层的下表面形成图案，再将外延片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在N+氮化镓衬底层表面蒸发厚度分别为20/45nm的Ti/Au作为欧姆阴极金属；

采用剥离工艺去除样片表面多余金属，并在860℃条件下退火处理30s，形成欧姆阴极金属层。

步骤3：P型结层淀积，如图3(c)所示。

采用二次光刻在N-氮化镓外延层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为150W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3流速比例为75sccm:30sccm的条件下，将整个样片向下刻蚀300nm；

采用磁控溅射工艺，在刻蚀后的样片上表面溅射P型氧化镍层，其厚度为300nm，再采用剥离工艺去除样片表面的多余金属，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。

步骤4：肖特基阳极金属淀积，如图3(d)所示。

采用三次光刻在N-氮化镓外延层上形成图案，再将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120nm的W作为肖特基阳极金属；

采用剥离工艺去除整个样片表面上的多余金属，并在450℃条件下退火处理5min，形成肖特基阳极金属层。

步骤5：淀积第一钝化介质层，如图3(e)所示。

采用四次光刻在肖特基阳极金属层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为150W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3的流速为75sccm：30sccm的条件下，对整个样片进行刻蚀，并形成的凹槽，凹槽深至N-氮化镓外延层表面下80nm处；

将样片放入等离子体增强化学气相沉积设备，在腔体淀积温度为220℃，在反应室气体SiH4：N2O：N2流速比为40sccm：710sccm：180sccm的条件下，淀积厚度为100nm的Si3N4第一钝化介质层。

步骤6：第一钝化介质层开孔,如图3(f)。

采用五次光刻在第一钝化介质层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为150W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3流速比例为75sccm：30sccm的条件下，将整个样片向下刻蚀100nm；

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7：制作第一金属场板层，如图3(g)所示。

采用电子束蒸发工艺，将完成上述步骤的外延片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在第一钝化介质层及肖特基阳极金属层上蒸发厚度分别为25/25nm的Ti/Au金属，形成第一金属场板层。

步骤8：制作第二钝化介质层，如图3(h)所示。

将样片放入等离子体增强化学气相沉积设备，在腔体温度为220℃，反应室气体SiH4：N2O：N2流速比为40sccm：710sccm：180sccm的条件下，淀积厚度为100nm的Si3N4第二钝化介质层。

步骤9：第二钝化介质层开孔，如图3(i)。

采用第六次光刻在第二钝化介质层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为150W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3流速比例为75sccm：30sccm的条件下，将整个样片向下刻蚀100nm；

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10：制作第二金属场板层，如图3(j)所示。

采用电子束蒸发工艺，将完成上述步骤的样片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在第二钝化介质层及肖特基阳极金属层上蒸发厚度分别为25/25nm的Ti/Au金属，形成第二金属场板层，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型结深为400nm，欧姆阴极金属为Ti/Al/Ni/Au，肖特基阳极金属为Ni/Au，SiO2为第一与第二钝化介质层，第一与第二金属场板层厚度为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1中的步骤1相同。

步骤B：欧姆阴极金属层淀积，如图3(b)所示。

B1)采用第一次光刻在外延片N+氮化镓衬底层的下表面形成图案，再将外延片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在N+氮化镓衬底层表面蒸发厚度分别为20/145/50/45nm的Ti/Al/Ni/Au作为欧姆阴极金属；

B2)采用剥离工艺去除样片表面多余金属，并在860℃条件下退火处理30s，形成欧姆阴极金属层。

步骤C：P型结层淀积，如图3(c)所示。

C1)采用第二次光刻在N-氮化镓外延层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为150W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3流速比例为75sccm：30sccm的条件下，将整个样片向下刻蚀400nm；

C2)采用磁控溅射工艺，在刻蚀后的样片上表面溅射P型氧化镍层，其厚度为400nm，再采用剥离工艺去除样片表面的多余金属，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。

步骤D：肖特基阳极金属淀积，如图3(d)所示。

D1)采用第三次光刻在N-氮化镓外延层上形成图案，再将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；

D2)采用剥离工艺去除整个样片表面上的多余金属，并在450℃条件下退火处理5min，形成肖特基阳极金属层。

步骤E：淀积第一钝化介质层，如图3(e)所示。

E1)采用第四次光刻在肖特基阳极金属层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为150W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3的流速为75sccm：30sccm的条件下，对整个样片进行刻蚀，并形成的凹槽，凹槽深至N-氮化镓外延层表面下80nm处；

E2)将样片放入等离子体增强化学气相沉积设备，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，淀积厚度为200nm的SiO2第一钝化介质层。

步骤F：第一钝化介质层开孔，如图3(f)。

F1)采用第五次光刻在第一钝化介质层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为150W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3流速比例为75sccm：30sccm的条件下，将整个样片向下刻蚀200nm；

F2)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：制作第一金属场板层，如图3(g)所示。

采用电子束蒸发工艺，将完成上述步骤的外延片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在第一钝化介质层及肖特基阳极金属层上蒸发厚度分别为50/50nm的Ti/Au金属，形成第一金属场板层。

步骤H：制作第二钝化介质层，如图3(h)所示。

将制作完第一金属场板层的样片放入等离子体增强化学气相沉积设备，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，淀积厚度为200nm的SiO2第二钝化介质层。

步骤I：第二钝化介质层开孔，如图3(i)。

I1)采用第六次光刻在第二钝化介质层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为150W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3流速比例为75sccm:30sccm的条件下，将整个样片向下刻蚀200nm；

I2)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J：制作第二金属场板层，如图3(j)所示。

采用电子束蒸发工艺，将完成上述步骤的样片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在第二钝化介质层及肖特基阳极金属层上蒸发厚度分别为50/50nm的Ti/Au金属，形成第二金属场板层，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型结深为500nm，欧姆阴极金属为Ti/Al/Au，肖特基阳极金属为W，Al2O3为第一与第二钝化介质层，第一金属场板层与第二金属场板层厚度均为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：欧姆阴极金属层淀积，如图3(b)所示。

首先，采用第一次光刻在外延片N+氮化镓衬底层的下表面形成图案，再将外延片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在N+氮化镓衬底层表面蒸发厚度分别为20/145/45nm的Ti/Al/Au作为欧姆阴极金属；

接着，采用剥离工艺去除样片表面多余金属，并在860℃条件下退火处理30s，形成欧姆阴极金属层。

步骤三：P型结层淀积，如图3(c)所示。

首先，采用第二次光刻在N-氮化镓外延层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为150W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3流速比例为75sccm：30sccm的条件下，将整个样片向下刻蚀500nm；

接着，采用磁控溅射工艺，在刻蚀后的样片上表面溅射P型氧化镍层，其厚度为500nm，再采用剥离工艺去除样片表面的多余金属，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。

步骤四：肖特基阳极金属淀积，如图3(d)所示。

首先，采用第三次光刻在N-氮化镓外延层上形成图案，再将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W作为肖特基阳极金属；

接着，采用剥离工艺去除整个样片表面上的多余金属，并在450℃条件下退火处理5min，形成肖特基阳极金属层。

步骤五：第一钝化介质层的淀积，如图3(e)所示。

首先，采用第四次光刻在肖特基阳极金属层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为150W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3的流速为75sccm：30sccm的条件下，对整个样片进行刻蚀，并形成的凹槽，凹槽深至N-氮化镓外延层表面下80nm处；

接着，将样片放入等离子体增强化学气相沉积设备，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，在整个样片上淀积厚度为150nm的Al2O3第一钝化介质层。

步骤六：第一钝化介质层开孔,如图3(f)。

首先，采用第五次光刻在第一钝化介质层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为150W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3流速比例为75sccm：30sccm的条件下，将整个样片向下刻蚀150nm；

接着，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。

步骤七：制作第一金属场板层，如图3(g)所示。

采用电子束蒸发工艺，将完成上述步骤的外延片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在第一钝化介质层及肖特基阳极金属层上蒸发厚度分别为100/100nm的Ti/Au金属，形成第一金属场板层。

步骤八：制作第二钝化介质层，如图3(h)所示。

将完成第一金属场板层制作的样片放入等离子体增强化学气相沉积设备，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，在整个样片上淀积厚度为150nm的Al2O3第二钝化介质层。

步骤九：第二钝化介质层开孔,如图3(i)。

首先，采用第六次光刻在第二钝化介质层上形成图案，再采用反应离子刻蚀工艺，在功率为150W，压力为5mTorr，气体Cl2与BCl3流速比例为75sccm：30sccm的条件下，将整个样片向下刻蚀150nm；

接着，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。

步骤十：制作第二金属场板层，如图3(j)所示。

采用电子束蒸发工艺，将完成上述步骤的样片放入电子束蒸发台，以0.1nm/s的速率在第二钝化介质层及肖特基阳极金属层上蒸发厚度分别为100/100nm的Ti/Au金属，形成第二金属场板层，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。