一种亚垂直结构氮化镓肖特基势垒二极管及其制造方法与流程

1.本发明涉及第三代半导体材料和器件技术领域，尤其涉及一种亚垂直结构氮化镓肖特基势垒二极管的结构及其制造方法。


背景技术：

2.肖特基势垒二极管(sbd)是整流电路的关键器件,利用器件的单向导电性能改变电路中电压、电流、频率、导通状态等物理特性，实现电源开关和电力转换等功能，在产业电子化升级过程中，越来越得到重视与应用，是中国工业加工、汽车制造、无线通信、消费电子、电网输变电和新能源等应用领域的核心器件。因而对其正向电流特性、反向耐压特性和高频条件下的工作特性提出了更高的要求。
3.传统技术制造的肖特基势垒二极管存在反向泄漏电流大、反向耐压低且稳定性不够好的技术问题,所以制造反向泄漏电流小、反向耐压高、稳定性好的二极管是市场的迫切要求。
4.为了解决以上问题，提出本发明。


技术实现要素：

5.氮化镓(gan)基材料具有高电子迁移率和高电子饱和速度，宽的禁带宽度、高的击穿场等特点,因此使用半导体gan材料制成的sbd器件，作为可在更加苛刻的工作环境下，能稳定工作的器件，受到广泛的关注。
6.本发明第一方面提供一种亚垂直结构氮化镓肖特基势垒二极管，其包括：
7.衬底1及从所述衬底1上表面由下至上依次设置的缓冲层2、 n
+-gan外延层3a和n-‑
gan外延层3b，所述n-‑
gan外延层3b上表面为肖特基电极设置区域13b，所述n
+-gan外延层3a上表面局部露出，所述露出部分为欧姆电极设置区域13a；
8.第一绝缘保护层6a,所述第一绝缘保护层6a覆盖在所述欧姆电极设置区域13a上和所述肖特基电极设置区域13b上，且第一绝缘保护层6a还覆盖在n
+-gan外延层3a与n-‑
gan外延层3b形成的台阶侧壁面上，所述第一绝缘保护层6a分别在所述欧姆电极设置区域13a 和所述肖特基电极设置区域13b上表面形成有窗口；
9.肖特基电极5，其设置在所述肖特基电极设置区域13b的窗口部，所述肖特基电极5的边缘覆盖在所述第一绝缘保护层6a上构成场板结构；
10.欧姆电极4，所述欧姆电极4设置在所述欧姆电极设置区域13a 的窗口中。
11.其中，所述n-‑
gan外延层3b是作为本发明的亚垂直结构氮化镓肖特基势垒二极管的漂移层，调节n-‑
gan外延层3b的厚度可方便地获得所需的肖特基势垒二极管地反向击穿电压。
12.优选地，所述二极管还包括设置在所述第一绝缘保护层6a、肖特基电极5的部分区域和欧姆电极4的部分区域上的第二绝缘保护层 6b。
13.本发明采用的衬底1是根据其上将要形成外延层(即n-‑
gan外延层3b和n
+-gan外延
层3a)的材料以及制备方法、入手的易难程度和价格进行适当地选择的。本发明考虑到与外延层的晶格及热膨胀系数匹配和成本等因素，优先选择蓝宝石为衬底，此外也可选用其他的衬底，例如碳化硅、硅、锗、氧化物(氧化锌、氧化铝锂、氧化镁、 ligao2等)、元素周期表中
ⅲ‑ⅴ
族化合物(gan、gaas、aln、algan 等)、硼化物(alinn)等。
14.为了获得良好的外延材料，必需考虑衬底1和外延材料之间的晶格及热膨胀系数的匹配，通常采用缓冲层2作为衬底1与外延层之间的过渡层。在选择缓冲层2材料时，既要考虑衬底1和外延材料之间的晶格及热膨胀系数匹配，又要考虑缓冲层2上外延的、作为器件层材料的成分、结构及各层形成的方法。本发明中优选采用低温生长的 gan层作为缓冲层2，此外，也可选用aln等
ⅲ‑ⅴ
族化合物材料。
15.优选地，所述缓冲层2的膜厚在1～30nm之间，1～10nm更好，最好3nm～10nm，缓冲层2位错密度应尽量小，否则会影响后续的成膜质量，优选地，位错密度控制在1
×
10
11
/cm2以下。
16.优选地，所述欧姆电极4从下到上依次包括钛层、铝层、镍层和金层，所述钛层的厚度为10-30nm，所述铝层的厚度为80-150nm，所述镍层的厚度为30-60nm，所述金层的厚度为50-500nm。其中钛层与所述n
+-gan外延层3a构成欧姆接触。
17.优选地，所述肖特基电极5由下至上依次包括氮化镍层和金层，所述氮化镍层的厚度为10-30nm，所述金层的厚度为50-500nm，其中氮化镍层与所述n-‑
gan外延层3b构成肖特基接触。
18.本发明第二方面提供一种本发明第一方面所述的亚垂直结构氮化镓肖特基势垒二极管的制造方法，其包括如下步骤：
19.a.在衬底1上依次生长缓冲层2、n
+-gan外延层3a、n-‑
gan外延层3b；
20.b.在n-‑
gan外延层3b的局部区域用刻蚀的方法将n-‑
gan外延层 3b除去，露出n
+-gan外延层3a的区域构成欧姆电极设置区域13a，未被刻蚀的n-‑
gan外延层3b区域构成肖特基电极设置区域13b；
21.c.在欧姆电极设置区域13a上表面、肖特基电极设置区域13b上表面及n
+-gan外延层3a与n-‑
gan外延层3b形成的台阶侧壁面上沉积第一绝缘保护层6a，所述第一绝缘保护层6a分别在所述欧姆电极设置区域13a和所述肖特基电极设置区域13b上表面形成有窗口；
22.d.在所述肖特基电极设置区域13b上表面窗口部用氮离子辅助注入式电子束蒸发镍的方法沉积氮化镍层，然后利用电子束蒸发法在所述氮化镍层上蒸发沉积金层，形成肖特基电极5，肖特基电极5边缘覆盖在所述第一绝缘保护层6a形成场板结构；
23.e.利用电子束蒸发工艺在所述欧姆电极设置区域13a上表面窗口部形成欧姆电极4。
24.优选地，所述衬底1为蓝宝石，其厚度为430μm，衬底外延生长面的面方位是c面并向m面倾斜0.15度。
25.所述缓冲层2可用金属有机化学气相外延法(mocvd法)或分子束外延法(mbe法)等众所周知的成膜方法形成。
26.优选地，采用金属有机化学气相外延法(mocvd法)，以三甲基镓(tmga)和nh3为原材料，在低温条件下沉积的gan层作为缓冲层2，其厚度为10～30nm。
27.优选地，所述n
+-gan外延层3a和n-‑
gan外延层3b是采用金属有机化学气相外延法
沉积的，n
+-gan外延层3a的厚度在3～5μm， n-‑
gan外延层3b的厚度在1～3μm，其中所述n
+-gan外延层3a和 n-‑
gan外延层3b为n型掺杂氮化镓层，是通过向氮化镓中掺杂了四价元素(例如硅或锗)构成，其载流子为电子；更为优选地，所述 n
+-gan外延层3a和n-‑
gan外延层3b是用sih4为掺杂源，掺杂浓度分别在1
×
10
18
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
和8
×
10
15
cm-3
～5
×
10
17
cm-3
范围内。
28.优选地，采用pecvd法沉积二氧化硅绝缘膜层作为第一绝缘保护层6a；
29.优选地，所述欧姆电极4的形成过程包括在所述欧姆电极设置区域13a的局部区域表面(即欧姆电极设置区域13a上表面窗口部)依次用电子束蒸发工艺沉积钛层、铝层、镍层和金层，经过在500℃
ꢀ‑
950℃下的氮气气氛中热处理10-300秒；其中所述钛层的厚度为 10-30nm，所述铝层的厚度为80-150nm，所述镍层的厚度为30-60nm，所述金层的厚度为50-500nm，钛层与所述n
+-gan外延层3a构成欧姆接触。
30.优选地，所述肖特基电极5的形成过程包括在所述肖特基电极设置区域13b的局部区域表面(即所述肖特基电极设置区域13b上表面窗口部)自下而上依次沉积氮化镍层、金层，所述氮化镍层厚度为 10-30nm，所述金层厚度为50-500nm。其中，所述氮化镍薄膜层与n-‑
gan 外延层形成肖特基势垒接触。
31.优选地，所述二极管还包括第二绝缘保护层6b，所述第二绝缘保护层6b是利用pecvd法沉积在所述第一绝缘保护层6a、肖特基电极5的部分区域和欧姆电极4的部分区域上；利用pecvd法沉积第二绝缘保护层6b，其中优选以sio2绝缘膜层为第二绝缘保护层6b，厚度100～500nm。
32.本发明所述的亚垂直结构是指肖特基电极和欧姆电极既不设置在同一表面，又不设置在器件相对的上下表面上的一种结构，例如：设置有肖特基电极的面与设置有欧姆电极的面形成台阶结构。
33.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
34.1.本发明充分利用gan外延层材料具有宽的禁带宽度、高的电场击穿强度、高的电子迁移率和高的电子饱和速度的特点，在氮化镓材料表面上沉积氮化镍层、金层，形成肖特基电极，在氮化镓材料表面上依次沉积钛/铝/镍/金层，形成欧姆电极，构成了本发明的亚垂直结构的gan肖特基势垒二极管，采用本发明这种亚垂直结构的gan肖特基势垒二极管能够在苛刻的高温环境下使用，同时器件的反向恢复速度高，适宜使用于高频电路，提高微波系统的功率转换效率。
35.2.本发明的亚垂直结构的gan肖特基势垒二极管与传统的平面结构的肖特基势垒二极管相比，增加了正向电流，提高了反向击穿电压。
36.3.本发明利用氮离子辅助注入式电子束蒸发镍的方法制造的高质量氮化镍薄膜层代替传统办法沉积的金属层，氮化镍层与n-‑
gan外延层构成的特性优良的肖特基势垒接触，实现了反向泄漏电流小、性能稳定的肖特基势垒二极管。
37.4.本发明在肖特基电极的边缘采用了场板结构，使肖特基电极边缘区域的电场强度得到缓和，进一步提高了肖特基势垒二极管的反向耐压特性。
38.5.本发明的整个肖特基势垒二极管的上表面，除欧姆电极和肖特基电极外的区域覆盖有绝缘层，防止表面产生漏电流，并保护了肖特基势垒二极管不受外界的影响。
附图说明
39.图1为本发明氮化镓肖特基势垒二极管的结构剖面示意图；
40.图2为本发明其中一种实施方式氮化镓肖特基势垒二极管的欧姆电极设置区域与肖特基电极设置区域的俯视图；
41.图3为本发明其中一种实施方式氮化镓肖特基势垒二极管的欧姆电极设置区域与肖特基电极设置区域的俯视图；
42.图4为本发明其中一种实施方式氮化镓肖特基势垒二极管的欧姆电极设置区域与肖特基电极设置区域的俯视图；
43.附图标记说明：1、衬底，2、缓冲层，3a、n
+-gan外延层，3b、n-‑
gan 外延层，4、欧姆电极，5、肖特基电极，6a、第一绝缘层，6b、第二绝缘层， 13a、欧姆电极设置区域；13b、肖特基电极设置区域。
具体实施方式
44.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种亚垂直结构的氮化镓肖特基势垒二极管做进一步详细的描述。
45.一种亚垂直结构的氮化镓肖特基势垒二极管，其包括：
46.衬底1及从所述衬底1上表面由下至上依次设置的缓冲层2、 n
+-gan外延层3a和n-‑
gan外延层3b，所述n-‑
gan外延层3b上表面为肖特基电极设置区域13b，所述n
+-gan外延层3a上表面局部露出，所述露出部分为欧姆电极设置区域13a；
47.第一绝缘保护层6a,所述第一绝缘保护层6a覆盖在所述欧姆电极设置区域13a上和所述肖特基电极设置区域13b上，且第一绝缘保护层6a还覆盖在n
+-gan外延层3a与n-‑
gan外延层3b形成的台阶侧壁面上，所述第一绝缘保护层6a分别在所述欧姆电极设置区域13a 和所述肖特基电极设置区域13b上表面形成有窗口；
48.肖特基电极5，其设置在所述肖特基电极设置区域13b的窗口部，所述肖特基电极5的边缘覆盖在所述第一绝缘保护层6a上构成场板结构；
49.欧姆电极4，所述欧姆电极4设置在所述欧姆电极设置区域13a 的窗口中。
50.其中，所述n-‑
gan外延层3b是作为本发明的亚垂直结构氮化镓肖特基势垒二极管的漂移层，调节n-‑
gan外延层3b的厚度可方便地获得所需地肖特基势垒二极管地反向击穿电压。
51.优选地，所述二极管还包括设置在所述第一绝缘保护层6a、肖特基电极5的部分区域和欧姆电极4的部分区域上的第二绝缘保护层 6b。
52.所述欧姆电极4从下到上依次包括钛层、铝层、镍层和金层，其中钛层与所述n
+-gan外延层3a构成欧姆接触，钛层与所述n
+-gan 外延层3a接触的区域为欧姆接触区域。
53.所述肖特基电极5由下至上依次包括氮化镍层和金层，其中氮化镍层与所述n-‑
gan外延层3b构成肖特基接触，氮化镍层与所述 n-‑
gan外延层3b接触的区域为肖特基接触区域。
54.下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
55.实施例1
56.本实施例公开的一种以蓝宝石为衬底1的氮化镓肖特基势垒二极管，选用厚度430
μm，向m面倾斜0.15度的c面蓝宝石为衬底，具体制造方法如下：
57.z1：将具有清洁表面的衬底1放置在mocvd反应炉的托盘上，在还原性气氛中高温(1020℃)进行表面再清洁处理，其后降温到550℃，以镓的有机化合物三甲基镓(tmga)和氨气(nh3)为原材料,进行gan 材料的低温生长,形成gan缓冲层2，然后逐渐升温使低温gan材料原子序列晶体化。其中gan缓冲层2的厚度控制在10nm。
58.z2:利用金属有机化学气相外延法外延生长n
+-gan外延层3a和 n-‑
gan外延层3b，向反应炉内通入作为镓源的三甲基镓(tmga)及作为氮源的氨气(nh3)，外延生长条件为：炉内压力760torr，温度 1050℃，
ⅴ
/ⅲ族元素的摩尔比为3600。用掺杂气体sih4为源进行 si掺杂获得n
+-gan外延层3a和n-‑
gan外延层3b，调节掺杂气体sih4的流量可以获得掺杂浓度不同外延层，调节镓的有机化合物(tmga) 的流量可控制其生长的速率，控制生长的时间可获得期望的厚度，本实施例中n
+-gan外延层3a厚度为5μm，掺杂浓度为5
×
10
18
cm-3
。 n-‑
gan外延层3b厚度1.5μm，掺杂浓度为8
×
10
16
cm-3
。
59.z3：在n-‑
gan外延层3b表面上均匀地涂上光刻胶，经过预烘、曝光、显影等工艺，使n-‑
gan外延层3b表面局部区域保留有光刻胶，以此光刻胶为掩模，再采用等离子刻蚀的方法将没有光刻胶区域的 n-‑
gan外延层3b去除，露出n
+-gan外延层3a，露出的n
+-gan外延层3a上表面为欧姆电极设置区域13a，然后去除未被刻蚀的n-‑
gan外延层3b区域(即肖特基电极设置区域13b)上的光刻胶。
60.z4：利用pecvd法在芯片的整个表面上，即欧姆电极设置区域13a、肖特基电极设置区域13b以及n-‑
gan外延层3b和n
+-gan外延层3a形成的台阶侧壁面上，沉积sio2绝缘膜层，厚度为500nm。
61.z5：在sio2绝缘膜层表面上均匀地涂上光刻胶，经过预烘、曝光、显影等工艺，去除欧姆电极设置区域13a上的欲形成欧姆接触区域的光刻胶，保留非欧姆接触区域上的光刻胶，以此光刻胶为掩模，再采用湿法腐蚀的方法，即用bhf腐蚀去除欲形成欧姆接触区域上的 sio2绝缘膜层，露出欲形成欧姆接触区域的n
+-gan外延层3a，接着采用电子束蒸发法依次蒸发钛层、铝层、镍层和金层，各层厚度分别为10nm、100nm、30nm、150nm。然后采用撕金法将非欧姆接触区域的金属层剥离，去掉芯片表面残余的光刻胶后再在氮气气氛中进行热处理，热处理的温度为820℃，热处理的时间为30秒，形成欧姆电极4。
62.z6：在形成欧姆电极4的半成品芯片的表面上均匀地涂上光刻胶，经过预烘、曝光、显影等工艺，去除肖特基电极设置区域13b上的欲形成肖特基接触区域的光刻胶，保留芯片表面非肖特基接触区域的光刻胶，以此光刻胶为掩模，采用湿法腐蚀的方法，即用bhf将欲形成肖特基接触区域上的sio2绝缘膜层去除，露出欲形成肖特基接触区域的n-‑
gan外延层，去掉芯片表面非肖特基接触区域的表面的光刻胶。
63.此后在芯片表面再涂光刻胶，用光刻方法露出欲形成肖特基电极区域，接着采用氮离子辅助注入式电子束蒸发镍的方法沉积厚度为 15nm的氮化镍薄膜，沉积氮化镍薄膜时，欲沉积氮化镍薄膜区域的 n-‑
gan外延层处的氮离子电流密度为0.02μacm-2
，离子到达n-‑
gan 外延层表面时的能量控制在20ev―30ev之间，这种条件下可获得良好的致密的氮化镍薄膜层，再采用电子束蒸发金薄膜，其厚度为500nm。然后采用撕金法将非肖特基电极区域的金属层剥离，使肖特基电极5 的边缘覆盖在所述第一绝缘层6a上，构成场板结构，完成肖特基电极5的制造。并去除芯片表面残余的光刻胶。
64.优选地，还可以按以下步骤在二极管表面设置第二绝缘保护层 6b；
65.利用pecvd法在芯片的整个表面上，沉积sio2绝缘膜层，厚度 300nm。在芯片表面上均匀地涂上光刻胶，经过预烘、曝光、显影等工艺，使芯片表面上对应于部分欧姆电极4的区域和部分肖特基电极5 的区域上方不保留光刻胶，再采用湿法腐蚀的方法，即用bhf将欧姆电极4的区域和肖特基电极5的区域上方的部分sio2绝缘膜层去除，露出欧姆电极4和肖特基电极5的焊盘区域，同时第二绝缘保护层6b 覆盖在第一绝缘保护层6a上，第二绝缘保护层6b一部分边缘覆盖在欧姆电极4的边缘上，一部分边缘覆盖在肖特基电极5的边缘上，再去除芯片表面的光刻胶，完成肖特基二极管的制造。
66.本实施例中，亚垂直结构肖特基势垒二极管的欧姆电极设置区域 13a和肖特基电极设置区域13b的俯视图如图2所示。在方形芯片的表面上，分成两个长方形的区域，即右侧为欧姆电极设置区域13a，左侧为肖特基电极设置区域13b。欧姆电极4和肖特基电极5分别设置在欧姆电极设置区域13a和肖特基电极设置区域13b上。欧姆电极设置区域13a和肖特基电极设置区域13b的面积比在1：(1～1.5) 之间。
67.欧姆电极设置区域与肖特基电极设置区域的形状和位置不局限于上述的描述，还有更多的其他选择，例如：如图3所示，芯片中心的圆形区域为肖特基电极设置区域13b，肖特基电极设置区域13b的之外的区域为欧姆电极设置区域13a。欧姆电极设置区域13a和肖特基电极设置区域13b的面积比在1：(1～1.5)之间。
68.再如图4所示，肖特基电极设置区域13b设置在芯片中心，为不规则的图形区域，欧姆电极设置区域13a包围所述肖特基电极设置区域13b的四周设置，肖特基电极5设置在芯片的中心位置，欧姆电极 4设置在芯片的一个角。
69.欧姆电极4与肖特基电极5之间的间距在2～20微米，最好10微米。对于肖特基电极的场板结构，第一绝缘层6a嵌入肖特基电极5 下为1～10微米，最好5微米。
70.本发明中，肖特基电极5的氮化镍薄膜与n-‑
gan外延层3b形成肖特基接触，成为gan肖特基势垒二极管的最重要的组成部分，完成肖特基势垒二极管的非线性整流特性功能。
71.肖特基电极的氮化镍薄膜是用氮离子辅助注入式电子束蒸发镍的方法沉积的，调节氮离子枪产生的氮离子数和电子束镍蒸发速率的比例及到达肖特基电极沉积表面的氮离子的能量，可以获得nin、ni2n 或ni3n的薄膜或其混合薄膜层。
72.本发明中采用了氮离子辅助注入式电子束蒸发镍的方法形成的氮化镍薄膜层取代传统的金属形成肖特基接触，降低了反向泄漏电流，提高了肖特基势垒二极管的稳定性。
73.本发明中，采用了价格相对低廉的蓝宝石作为衬底，降低了产品的制造成本。本发明改变了以蓝宝石为衬底的肖特基二极管采用传统平面结构的方法，提出亚垂直结构的肖特基二极管，从而提高了肖特基二极管的反向耐压特性，提高了肖特基二极管的正向电流密度。以廉价的衬底获得相对高性能的器件。
74.加之，在本发明的肖特基电极的结构中，明确地采用场板结构，使肖特基电极边缘的电场强度得到缓和，进一步提高了器件的反向击穿电压。综上所述，本发明从器件的结构和器件制造工艺两个方面，全面地提高了肖特基势垒二极管的正反向特性。
75.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另
外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。