氮化镓肖特基二极管及其制造方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种新型结构的氮化镓肖特基二极管及其制造方法。

背景技术：
随着半导体工业的发展,以单晶硅为基底的高功率半导体器件性能已经很难满足各行业的应用要求。硅在高功率领域的性能极限推动了近年来以氮化镓(GaN，GalliumNitride)为基底的高功率半导体器件的大规模发展。以氮化镓为代表的第三代半导体材料有着优异的特性，如：禁带宽度大、击穿电场强度高、最大电流密度高、化学性能稳定、热稳定性系数高、热膨胀系数小等等，正在逐渐取代硅在高功率半导体器件上的应用。同时,氮化镓器件比硅器件在工作中的能量自身消耗损失小，功效高，可以大大降低消耗，节约能源。以第三代半导体材料为基底的高功率器件近年来正在被广泛的应用在风力发电、太阳能、电动力汽车和高铁等领域。传统肖特基二极管(Schottkydiode)是通过让金属与半导体层接触形成肖特基势垒来形成的一种半导体二极管，金属与半导体之间的肖特基势垒起到一个整流结的作用，相对于完全在半导体中形成的PN结二极管而言，此种二极管的开关性能得到了改善，开启电压更低，开关速度也更快。在实际应用中，如开关电源中，当开关损耗占能量消耗的绝大部分时，使用肖特基二极管就是理想的选择。图1所示是传统的GaN肖特基二极管MESA结构，衬底上依次沉积重掺杂n型GaN和轻掺杂n型GaN，局部台面刻蚀掉轻掺杂n型GaN，阴极的金属与重掺杂n型GaN形成了欧姆接触(Ohmiccontact)，阳极的金属与轻掺 杂n型GaN形成了肖特基接触(Schottkycontact)，这种传统GaN肖特基二极管有着开关性能好和负载电压高的优点，但是不足之处在于反向漏电比较大，反向的耐压和功率比较低，正向可通过电流密度因为受到单极电荷的限制也比较低；同时，平面结构会占用更多的晶圆面积。近几年，氮化镓高能半导体器件工艺发展迅速，但同时也存在众多难点，p型材料的制作则是难点中的难点。LED工艺中，可实现100～150nm的p型材料整片外延生长，但无法生成选择性p型重度离子掺杂区(ptypelocateddopingregion)，而Mg离子注入可以实现器件中要求的p型重度离子掺杂区，但高浓度离子注入会摧毁GaN材料晶格，需要超高温退火进行激活与修复(大于1400度)。GaN/Si结构最高退火温度受Si衬底所限为1400度，不能达到更高的温度，因此离子注入后的激活也受到限制。此外即使不受衬底所限，GaN中注入的Mg离子也非常难被激活，超高温退火会影响GaN材料的质量，使Ga与N分解，造成材料严重缺损。具有p型重度离子掺杂GaN区的肖特基二极管在正向电压下由于PN结的存在，可以通过更大的电流，但这个特性要求在p型重度离子掺杂GaN区域上形成低接触电阻的欧姆接触。众所周知，在p型GaN材料上，非常难形成低电阻率的欧姆接触，因此很难保证器件的性能。

技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型结构的GaN肖特基二极管及其工艺简单的制造方法，在保留与传统肖特基二极管相近的开启电压的同时，正向可通过更大电流，反向漏电流更小，并且反向可承受更大的电压和功率。在半导体工业中，硅和锗材料的制备工艺已经相当成熟，硅和锗可以用CVD的方法进行沉积，同时可以引入p型离子进行掺杂(in-situdopedCVDdeposition)。而且多晶硅和锗的工艺相当简单，在p型硅和锗上的欧姆接触工艺也相对比较成熟。因此，在保留GaN肖特基二极管优势的基础上，用p型重 掺杂硅和锗代替p型重掺杂GaN区域可以简化器件工艺并降低器件工艺的制作难度。为实现上述目的，本发明提供了一种GaN肖特基二极管的制造方法，包括下述步骤：提供一衬底，在所述衬底上沉积成核层和/或缓冲层；在所述成核层和/或缓冲层上沉积重掺杂n型GaN层；在所述重掺杂n型GaN层上沉积轻掺杂n型GaN层；在所述轻掺杂n型GaN层表面上沉积第一隔离层，保护阳极区域；在所述第一隔离层及下方的轻掺杂n型GaN层中刻蚀凹槽；在所述凹槽中沉积p型重掺杂的硅或锗；去掉第一隔离层；沉积第二隔离层；退火形成多晶的p型重掺杂的硅或锗区域；制备阳极，阳极由两部分组成，先在多晶的p型重掺杂的硅或锗区域沉积金属并退火形成欧姆接触，再在轻掺杂n型GaN层沉积金属并退火形成肖特基接触，轻掺杂n型GaN层表面沉积绝缘层；在所述衬底上定义有阴极区域，在阴极区域刻蚀开孔；在所述开孔的阴极区域中沉积与所述重掺杂n型GaN层相接触的阴极金属，退火形成欧姆接触的阴极。优选的，当阴极金属的退火温度高于阳极金属的退火温度时，先阴极区域形成欧姆电极再制备阳极。优选的，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、SOI、氮化镓和氮化铝中的一种。优选的，在所述衬底上的阴极区域刻蚀开孔前，对衬底进行了减薄。优选的，当衬底为氮化镓时，阴极区域不需要开孔，衬底不需要进行减薄。优选的，所述轻掺杂n型GaN层中凹槽的深度为200nm～600nm。优选的，所述阳极下方的p型重掺杂的硅或锗区域间隔处处相等。优选的，所述阳极下方的p型重掺杂的硅或锗区域的俯视形状为没有尖锐角度的长条形、六边形或者圆形。优选的，所述阳极边缘存在多个呈环形分布的p型重掺杂的硅或锗边缘保护区。优选的，所述阳极的边缘保护区可以使用He和/或Ar和/或In离子注入的方式来破坏材料晶格获得。优选的，所述阳极具有场板结构。优选的，所述阳极由金、铂、镍、钯、钴、铜、银、钨、钛和钨化钛中的一种或两种以上材料形成。优选的，所述绝缘层为SiN、SiO2、SiAlN、GaON、Al2O3、AlON、SiCN、SiON和HfO2中的一种或两种以上的组合，所述绝缘层的生长方式为ALD、CVD、PVD、MBE、PECVD和LPCVD中的一种或两种以上的组合。优选的，所述阴极具有场板结构。根据上述方法制备的具有垂直结构的GaN肖特基二极管，包括：衬底；沉积在所述衬底上的成核层和/或缓冲层；沉积在所述成核层和/或缓冲层上的重掺杂n型GaN层；沉积在所述重掺杂n型GaN层上的轻掺杂n型GaN层；所述轻掺杂n型GaN层的表面定义有阳极区域，阳极区域下方存在有多个p型重掺杂的硅或锗区域；阳极，由两部分组成，一部分是与p型重掺杂的硅或锗区域相接触的金属形成的欧姆接触，另一部分是与轻掺杂n型GaN层相接触的金属形成的肖特基接触，轻掺杂n型GaN层表面沉积有绝缘层；所述衬底开孔后沉积在开孔中并且与所述重掺杂n型GaN层相接触的金属形成的欧姆接触的阴极。优选的，所述阳极下方的p型重掺杂的硅或锗区域间隔处处相等。优选的，所述阳极下方的p型重掺杂的硅或锗区域的俯视形状为没有尖锐角度的长条形、六边形或者圆形。优选的，所述阳极边缘存在多个呈环形分布的p型重掺杂的硅或锗边缘保护区。优选的，所述阳极具有场板结构。优选的，所述阳极由金、铂、镍、钯、钴、铜、银、钨、钛和钨化钛中的一种或两种以上材料形成。优选的，所述绝缘层为SiN、SiO2、SiAlN、GaON、Al2O3、AlON、SiCN、SiON和HfO2中的一种或两种以上的组合。优选的，所述阴极具有场板结构。优选的，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、SOI、氮化镓和氮化铝中的一种。本发明的GaN肖特基二极管，当正向加低电压时，轻掺杂n型GaN与肖特基金属接触形成的肖特基结导电电流起主导作用，这样就保留了传统肖特基二极管低开启电压的特性；p型重掺杂的硅或锗区域与轻掺杂n型GaN形成了PN结，当正向电压增大，PN结开启后，器件的正向电流由PN结电流占主导，PN结载流子的注入使得本发明的GaN肖特基二极管可以通过更大的电流强度；在器件上加反向电压时，PN结就产生了空间电荷区，阳极下会布满空间电荷区，在空间电荷区的作用下，器件的反向漏电会大幅度降低。综上所述，本发明的GaN肖特基二极管融合了传统肖特基二极管和PN结二极管的优点，正向开启电压小，正向可以通过更大电流，反向漏电流小，反向可承受更大的电压和功率，器件工艺简单，制作难度较低。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技 术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是传统的GaN肖特基二极管MESA结构示意图；图2是本发明的GaN肖特基二极管肖特基电极的设计示意图；图3a～图3k是本发明的GaN肖特基二极管的制造流程示意图；图4是本发明制造的GaN肖特基二极管剖面结构示意图；图5是本发明的GaN肖特基二极管肖特基电极下p型重掺杂的硅或锗区域俯视示意图，其中：(a)为长条形，(b)为六边形，(c)为圆形；图6是本发明的GaN肖特基二极管正向加低电压时的原理示意图；图7是本发明的GaN肖特基二极管正向电压增大到PN结的开启电压时的原理示意图；图8是本发明的GaN肖特基二极管加反向电压时的原理示意图；图9是本发明的GaN肖特基二极管的边缘保护结构设计示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。图1所示是传统的GaN肖特基二极管MESA结构，衬底1上依次沉积重掺杂n型GaN2和轻掺杂n型GaN3，局部台面刻蚀掉轻掺杂n型GaN3，阴极的金属与重掺杂n型GaN2形成了欧姆接触4，阳极的金属与轻掺杂n型GaN3形成了肖特基接触5，这种传统GaN肖特基二极管有着开关性能好和负载电压高的优点，但是不足之处在于反向漏电比较大，反向的耐压和功率比较低，正向可通过电流密度因为受到单极电荷的限制也比较低。图2为本发明的GaN肖特基二极管肖特基电极的设计示意图，衬底1上依次沉积重掺杂n型GaN2和轻掺杂n型GaN3，在与肖特基电极相接触的轻掺杂n型GaN3中引入了p型重掺杂的硅或锗区域4，阳极的金属与轻掺杂n型GaN3形成了肖特基接触5。下面，对本发明的GaN肖特基二极管的制造方法做详细说明。参见图3a～图3k，本发明的GaN肖特基二极管的制造流程图，该GaN肖特基二极管的制造方法包括以下步骤：1、提供一衬底1，衬底1为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、SOI、氮化镓和氮化铝中的一种，或本领域的技术人员共知的任何其他适合生长氮化镓材料的衬底，衬底1的沉积方法包括CVD、VPE、MOCVD、LPCVD、脉冲激光沉积(PLD)、原子层外延、MBE，溅射、蒸发等。在衬底1上沉积成核层和/或缓冲层2，参见图3a；本发明也可以不形成成核层2，而直接在衬底1上形成半导体层；2、在成核层和/或缓冲层2上沉积可选的重掺杂n型GaN层3，参见图3b，本发明也可以不形成重掺杂n型GaN层3；3、在重掺杂n型GaN层3上沉积n型轻掺杂或未掺杂的GaN层4，参见图3c；4、在轻掺杂n型GaN层4表面上沉积第一隔离层51，保护阳极区域，参见图3d；5、在第一隔离层51及下方的轻掺杂n型GaN层4中刻蚀凹槽，凹槽的深度在200nm与600nm之间，也可以根据器件设计要求而变化，参见图3e；6、在凹槽中沉积p型重掺杂的硅或锗区域6，参见图3f；p型重掺杂的硅或锗区域6间隔处处相等，范围可以根据器件的性能要求来确定，也 可以根据掺杂浓度的变化而变化；p型重掺杂的硅或锗区域的俯视图形状为没有尖锐角度的图形，例如长条形、六边形或者圆形；7、去掉第一隔离层51，参见图3f；8、沉积第二隔离层52，参见图3g；9、退火形成多晶的p型重掺杂的硅或锗区域6，参见图3g；10、制备阳极，阳极由两部分组成，分两步制备，首先在多晶的p型重掺杂的硅或锗区域6沉积金属并退火形成欧姆接触71，参见图3h；之后是制作肖特基接触72，在轻掺杂n型GaN层4沉积金属并退火形成肖特基接触72，表面沉积有绝缘层53，绝缘层53为SiN、SiO2、GaON、SiAlN、Al2O3、AlON、SiCN、SiON、HfO2中的一种或多种的组合，该绝缘层53的生长方式为ALD、CVD、MBE、PECVD、溅射、蒸发或LPCVD中的一种或几种方法组合，参见图3i；阳极具有可选的场板结构，阳极至少由金、铂、镍、钯、钴、铜、银、钨、钛和钨化钛中的一种材料形成；11、在衬底1上定义有阴极区域，在阴极区域刻蚀开孔，参见图3j；12、在开孔的阴极区域中沉积与重掺杂n型GaN层3相接触的金属，之后退火形成欧姆接触的阴极8，阴极8具有可选的场板结构，为了形成欧姆接触，必要时需进行退火处理，参见图3k。当阴极金属的退火温度高于阳极金属的退火温度时，步骤10可以和步骤11、12互换，即把步骤10放在步骤11和12之后。当衬底1为碳化硅时，阴极区域刻蚀开孔前，需要先对碳化硅衬底进行减薄；当衬底1为氮化镓时，阴极区域不需要开孔，衬底不需要进行减薄。本实施例中阳极的边缘存在多个p型重掺杂的硅或锗区域6，且该区域呈环形分布，另外，阳极的边缘保护可以使用He和/或Ar和/或In离子注入的方式来破坏材料晶格获得高电阻区域。图4是本发明的方法制造的GaN肖特基二极管的剖面结构示意图，如图4所示，该GaN肖特基二极管具有垂直结构，包括：衬底1，为蓝宝石、碳化硅、硅、铌酸锂、SOI、氮化镓和氮化铝中的一种；沉积在衬底1上的成核层和/或缓冲层2；沉积在成核层和/或缓冲层2上的重掺杂n型GaN层3；沉积在重掺杂n型GaN层3上的轻掺杂n型GaN层4；轻掺杂n型GaN层4的表面定义有阳极区域，阳极区域下方存在有多个p型重掺杂的硅或锗区域6；阳极，由两部分组成，一部分是与p型重掺杂的硅或锗区域6相接触的金属形成的欧姆接触71，另一部分是与轻掺杂n型GaN层4相接触的金属形成的肖特基接触72，阳极具有场板结构，阳极至少由金、铂、镍、钯、钴、铜、银、钨、钛和钨化钛中的一种材料形成；阴极8，衬底1开孔后沉积在开孔中并且与重掺杂n型GaN层3相接触的金属形成的欧姆接触的阴极8，阴极8具有场板结构；沉积在轻掺杂n型GaN层4表面上并且具有开口的绝缘层53，为SiN、SiO2、SiAlN、Al2O3、AlON、SiCN、SiON、HfO2中的一种或多种的组合。阳极下方的p型重掺杂的硅或锗区域6和非p型重掺杂的硅或锗区域的间隔相等，阳极下方的p型重掺杂的硅或锗区域6的俯视图形状为没有尖锐角度的图形，如图5所示，例如长条形(a)、六边形(b)或者圆形(c)；如图6所示，当正向加低电压时，轻掺杂n型GaN3与肖特基金属接触形成的肖特基结导电电流起主导作用，这样就保留了传统肖特基二极管低开启电压的特性；如图7所示，p型重掺杂的硅或锗区域4与轻掺杂n型GaN3形成了PN结，当正向电压增大到PN结的开启电压时，器件的正向电流由PN结电流占主导，这样就使得本发明的肖特基二极管可以通过更大的电流强度； 如图8所示，在器件上加反向电压时，PN结就产生了空间电荷区6，阳极下会布满空间电荷区6，在空间电荷区6的作用下，器件的反向漏电会大幅度降低。阳极的边缘和所述绝缘层的下方存在的多个p型重掺杂的硅或锗区域呈环形，如图9为本发明的肖特基二极管的边缘保护结构设计示意图所示，使用了p型重掺杂的硅或锗多重边缘保护环6，该p型重掺杂的硅或锗多重边缘保护环6可以与肖特基电极下的p型重掺杂的硅或锗区域同时通过形成p型重掺杂的硅或锗边缘保护区来实现。p型多重边缘保护环6可以有效的分散器件边缘的电场，减小电场强度，特别是器件在高工作电压下，多重边缘保护环可最有效的保护器件。p多重边缘保护环6的数量、区域宽度、间隔距离等参数需要根据器件最高工作电压来确定。上述肖特基二极管融合了传统肖特基二极管和PN结二极管的优点，正向开启电压小，正向可以通过更大电流，反向漏电流小，反向可承受更大的电压和功率，器件工艺简单，器件工艺制作难度较低。综上所述，本发明的GaN肖特基二极管融合了传统肖特基二极管和PN结二极管的优点，正向开启电压小，正向可以通过更大电流，反向漏电流小，反向可承受更大的电压和功率，器件工艺简单，制作难度较低。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起 见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。