垂直型III‑V族氮化物功率器件终端结构及制作方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种垂直型iii-v族氮化物功率器件的终端结构，还有该终端结构的制作方法。

背景技术：

相较于以硅为代表的第一代半导体和以砷化镓为代表的第二代半导体，以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体，因其禁带宽度大、临界击穿场强高、电子饱和速率高等特点，在电力电子应用中具有显著优势。

目前氮化镓器件的主流技术是在硅、碳化硅和蓝宝石等衬底上进行异质外延的平面型器件。然而，基于异质衬底的平面型器件存在外延材料缺陷密度较高、沟道性能易受陷阱效应影响引发动态导通电阻退化等问题，在高压大功率电力电子应用中受到根本性的限制。而通过在单晶氮化镓衬底上同质外延实现的垂直型氮化镓功率器件可以从本质上解决以上问题。

在器件阻断特性方面，尽管高压功率器件的阻断特性最终由漂移区的掺杂浓度和厚度决定，但通常会因结附近电场聚集出现提前击穿，因此终端保护技术对于提升器件耐压和可靠性发挥着至关重要的作用。

在硅和碳化硅体系中，常用的功率器件终端结构包括场限环（flr），结终端延伸（jte）等终端结构，往往涉及到局部p型掺杂。由于局部p型离子注入和激活效率的根本限制，通过热扩散和离子注入实现氮化镓局部p型掺杂极其困难，使得氮化镓高效稳定终端结构的实现颇具挑战。

技术实现要素：

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种垂直型iii-v族氮化物功率器件终端结构制作方法，该方法针对现有垂直型氮化镓的终端技术的难点与不足，适用于氮化镓体系，工艺简单，同时与传统的边缘终端结构可以结合设计。

为此，本发明所述方法采用以下技术方案：

在主结边缘的iii-v族氮化物中引入氟离子、氧离子或其他电负性离子。

其中，氟离子、氧离子或其他电负性离子可以通过离子注入的方式引入。

或者，氟离子、氧离子或其他电负性离子可以通过等离子体工艺或气体氛围或液体氛围的方式引入。

进一步的，氟离子、氧离子或其他电负性离子的来源可以是相应的等离子体。

更进一步的，氟离子、氧离子或其他电负性离子的等离子体由反应离子刻蚀（rie）、感应耦合等离子体-反应离子刻蚀（icp-rie）、等离子体增强原子层沉积（peald）、等离子体增强化学气相沉积法（pecvd）中任一种或多种工艺引入。

更进一步的，气体氛围引入方式为：氟离子、氧离子或其他电负性离子可以是在含相应元素的气体氛围中经退火而引入。

更进一步的，液体氛围引入方式为：氟离子、氧离子或其他电负性离子可以是在含相应元素的液体中经浸泡而引入。

进一步的，在引入负离子之前，可以对目标半导体区域进行刻蚀或不刻蚀处理。

本发明还需要解决的技术问题是提供一种垂直型iii-v族氮化物功率器件终端结构。

该终端结构包括形成于主结边缘的负离子区，所述负离子区通过在iii-v族氮化物中引入氟离子、氧离子或其他电负性离子形成。

进一步的，所述iii-v族氮化物包括pin二极管、肖特基二极管、结势垒肖特基器件（jbs）、mosfet、电流孔径垂直电子晶体管（cavet），所述iii-v族氮化物可以为上述的任何一种或几种。

进一步的，器件的衬底为氮化镓、碳化硅、硅、蓝宝石、绝缘体上硅（soi）、氮化铝、金刚石中任一种。

进一步的，器件的介质层为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化铝、氧化铪、聚合物中任一种或多种介质层组合。

进一步的，负离子区与电极或有源区重叠，不重叠或边缘对齐。

进一步的，负离子区深度与主结深度相同，或者与主结深度不同，可随设计值在一定范围内变化。

进一步的，所述负离子区可以首先对目标半导体区域进行刻蚀或不刻蚀处理，再引入负离子的方式形成。

进一步的，负离子区可以单独作为终端，也可以结合场板或沟槽结构。

更进一步的，所述沟槽有一个或多个，沟槽的形状可以是：倒梯形、u型、v型、方形或阶梯型中任一种。

进一步的，所述的氟离子、氧离子或其他电负性离子，以界面电荷衡量在1e11~1e16cm^-2，以体电荷衡量在1e14~1e20cm^-3。

优选的，所述的氟离子、氧离子或其他电负性离子，以界面电荷衡量在1e12~1e15cm^-2，以体电荷衡量在1e16~1e18cm^-3。

更优选的，所述的氟离子、氧离子或其他电负性离子，以界面电荷衡量在1e12cm^-2~1e14cm^-2，以体电荷衡量在1e16cm^-3~5e17cm^-3。

进一步的，所述的引入氟离子、氧离子或其他电负性离子的区域，深度在0.1~3μm。

进一步的，所述的引入氟离子、氧离子或其他电负性离子从主结向外包含多个区域，多个区域深度相同或不同,多个区域浓度相同或不同，多个区域间距相同或不同。

根据以上所述，所述的氟离子、氧离子或其他电负性离子可以通过多种来源应用多种工艺引入器件终端。以氟离子为例，来源可以是含氟等离子体，如cf4，chf3等等离子体；来源可以是含氟的气体；来源可以是含氟的液体；可以通过任何其他含氟的氛围引入。以氟离子为例，工艺可以是反应离子刻蚀（rie）、感应耦合等离子体-反应离子刻蚀（icp-rie）、等离子体增强原子层沉积（peald）、等离子体增强化学气相沉积法（pecvd）等包含等离子体的工艺；工艺可以是在相应的气体氛围中经退火或其他工艺而引入的；工艺可以是在相应的液体环境中经浸泡或其他工艺而引入的；可以引入电负性离子的工艺均可能成为本发明使用的工艺。

本发明的有益效果为通过引入适用于氮化镓体系的氟离子、氧离子或其他电负性离子，提供了一种垂直型氮化镓的终端结构，工艺简单，能够与其他终端结构结合使用，适用于各种垂直型氮化镓器件，使得器件的静态雪崩击穿能力和阻断电压得到提高。

具体的，在半导体漂移层表面的pn结或肖特基结边沿形成包含氟离子、氧离子或其他电负性离子的区域和结构，在高压阻断时能够通过负离子电荷补偿效应将结边沿电场向终端区域扩展，从而有效缓解结边沿电场聚集。本发明的技术方案可以大幅度降低主结边沿的电场聚集效应，提高器件的耐压和可靠性。本发明尤其适用于垂直型氮化镓基功率二极管和晶体管器件。

附图说明

图1是本发明的一种实施结构示意图，在传统的肖特基二极管结构中，增加含负离子固定电荷的终端结构，其中电极与终端结构有重叠。

图2是本发明的一种实施结构示意图，在传统的肖特基二极管结构中，增加含负离子固定电荷的终端结构，其中电极与终端结构没有重叠。

图3是本发明的一种实施结构示意图，在传统的肖特基二极管结构中，增加含负离子固定电荷的终端结构，其中电极与终端结构边缘对齐。

图4是本发明的一种实施结构示意图，在传统的肖特基二极管结构中，通过刻蚀并引入负离子，增加含负离子固定电荷的终端结构。

图5是本发明的一种实施结构示意图，在传统的含有场板终端的肖特基二极管结构中，增加含负离子固定电荷的终端结构。

图6是本发明的一种实施结构示意图，在传统的含有场板终端的肖特基二极管结构中，通过刻蚀并引入负离子，增加含负离子固定电荷的终端结构。

图7是本发明的一种实施结构示意图，在传统的肖特基二极管结构中，增加多个浮空的含负离子区域。

图8是本发明的一种实施结构示意图，在传统的肖特基二极管结构中，增加多个浮空的含负离子区域与浮空场板结构。

图9是本发明的一种实施结构示意图，在传统的pin二极管结构中，增加含负离子固定电荷的终端结构，其中电极与终端结构有重叠。

图10是本发明的一种实施结构示意图，在传统的pin二极管结构中，增加含负离子固定电荷的终端结构，其中电极与终端结构没有重叠。

图11是本发明的一种实施结构示意图，在传统的pin二极管结构中，增加含负离子固定电荷的终端结构，含负离子的终端区域可以与主结深度不同。

图12是本发明的一种实施结构示意图，在传统的pin二极管结构中，增加多个相邻的引入负离子的终端区，从有源区向外，负离子浓度逐渐降低；从有源区向外，引入负离子的终端区可以深度不同。

图13是本发明的一种实施结构示意图，在传统的含有场板终端的pin二极管结构中，增加含负离子固定电荷的终端结构。

图14是本发明的一种实施结构示意图，在mosfet中通过增加含负离子固定电荷的终端结构，提高器件耐压水平。

图15是本发明的一种实施结构示意图，在mosfet中通过增加含负离子固定电荷的终端结构，并结合场板结构延伸至p型半导体上的介质层上，提高器件耐压水平。

图16是本发明的一种实施结构示意图，在mosfet中通过增加含负离子固定电荷的终端结构，并结合场板结构延伸至负离子终端区上的介质层上，提高器件耐压水平。

图17是无终端结构肖特基二极管结构通过数值仿真获得的承受反向高压vr下的电场分布图，供本发明结构的数值仿真对比。

图18是无终端结构肖特基二极管结构通过数值仿真获得的承受反向高压vr下的电势线分布图，其中相邻等势线相差δvr，仿真结构参数与图17相同，供本发明结构的数值仿真对比。

图19是在无终端结构肖特基二极管中增加负离子终端区域，通过数值仿真获得的承受反向高压vr下的电场分布图。

图20是在无终端结构肖特基二极管中增加负离子终端区域，通过数值仿真获得的承受反向高压vr下的电势线分布图，其中相邻等势线相差δvr，仿真结构参数与图19相同。

图21是无终端结构pin二极管经过刻蚀后的结构，通过数值仿真获得的承受反向高压vr下的电场分布图，供本发明结构的数值仿真对比。

图22是无终端结构pin二极管经过刻蚀后的结构，通过数值仿真获得的承受反向高压vr下的电势线分布图，其中相邻等势线相差δvr，仿真结构参数与图21相同，供本发明结构的数值仿真对比。

图23是在无终端结构经过台面刻蚀的pin二极管中增加负离子终端区域，通过数值仿真获得的承受反向高压vr下的电场分布图，其中负离子浓度为本发明所述离子浓度范围内的较低值。

图24是在无终端结构经过台面刻蚀的pin二极管中增加负离子终端区域，通过数值仿真获得的承受反向高压vr下的电势线分布图，其中负离子浓度为本发明所述离子浓度范围内的较低值，相邻等势线相差δvr，仿真结构参数与图23相同。

图25是在无终端结构经过台面刻蚀的pin二极管中增加负离子终端区域，通过数值仿真获得的承受反向高压vr下的电场分布图，其中负离子浓度为本发明所述离子浓度范围内的较高值。

图26是在无终端结构经过台面刻蚀的pin二极管中增加负离子终端区域，通过数值仿真获得的承受反向高压vr下的电势线分布图，其中负离子浓度为本发明所述离子浓度范围内的较高值，相邻等势线相差δvr，仿真结构参数与图25相同。

图27是在无终端结构经过台面刻蚀的pin二极管中增加负离子终端区域，通过数值仿真获得的承受反向高压vr下的电场分布图，其中负离子浓度为调节耐压最高的最优值。

图28是在无终端结构经过台面刻蚀的pin二极管中增加负离子终端区域，通过数值仿真获得的承受反向高压vr下的电势线分布图，其中负离子浓度为调节耐压最高的最优值，相邻等势线相差δvr，仿真结构参数与图27相同。

图29为无终端二极管与含不同浓度负离子的有终端器件在主结与终端下沿横向切线所得的电场强度随横向位置的变化对比图，浓度值均在本发明所述的范围内，其中n1<n2<n3，n2为最优值。

图中：1阳极，2阴极，3p型氮化镓区域，4n型氮化镓漂移区，5n型氮化镓衬底，6引入负离子的终端区域，7非故意掺杂区，8介质层，9门极，10源极，11漏极，12n型高掺杂氮化镓区域，13场板金属。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的实施例如下：

实施例1：

本公开实例提供了一种氮化镓肖特基二极管的终端结构，如图1，2，3所示，除n型氮化镓漂移区4、阳极1、阴极2之外的区域还包括引入负离子的结终端区6，隔离器件的非故意掺杂区7。

所述的终端结构，或者与电极有重叠区域，如图1所示，或者与电极没有重叠区域，如图2所示，或者与电极边缘对齐，如图3所示。

具体的，所述的终端结构，或者单独使用，或者结合场板、jte等其他终端结构。

具体的，所述的终端结构，适用于pin二极管，肖特基二极管，结势垒肖特基器件（jbs），mosfet，电流孔径垂直电子晶体管（cavet）等所有垂直型氮化镓器件。

其中：

在实施实例中，所述的引入负离子的终端区域，可以与电极有重叠区域（如图1），可以与电极无重叠区域（如图2），也可以边缘与电极边缘对齐（如图3）；

在实施实例中，所述的n型氮化镓漂移区4通过外延生长得到；

在实施实例中，引入负离子形成负离子终端区6。

在实施实例中，所述的非故意掺杂区7在负离子终端区6外侧，起到隔离器件的作用。

在实施实例中，所述的n型氮化镓区4掺杂约为5e14~3e16cm^-3，厚度为5~40μm。

在实施实例中，所述的负离子注入形成固定电荷后，其含量以界面电荷衡量在1e11~1e16cm^-2，以体电荷衡量在1e14~1e20cm^-3。

在实施实例中，所述的含负离子的结终端区域起到耐压保护的作用。在承受反向高压时，所述的含负离子的结终端区使得阳极边缘的电场尖峰减小，结终端外侧区域的电场增大，电势线向外推移，起到保护结边缘的作用。

如图17所示为无终端肖特基二极管的电场分布图；如图19所示为引入负离子终端区的肖特基二极管的电场分布图。上述数值仿真结果可以较好地说明引入负离子终端区，可以将电场尖峰从有源区边缘向终端边缘转移的特点。

如图18所示为无终端肖特基二极管的电势线分布图；如图20所示为引入负离子终端区的肖特基二极管的电势线分布图。上述数值仿真结果可以较好地说明引入负离子终端区，可以将电势线向外推移的特点。

实施例2：

本公开实例提供了一种氮化镓肖特基二极管的终端结构，如图6所示，除n型氮化镓漂移区4、阳极1、阴极2之外的区域还包括注入了负离子的结终端区6，隔离器件的非故意掺杂区7，阳极电极同时作为场板金属13，其中：

在实施实例中，所述的n型氮化镓漂移区4通过外延生长得到；

在实施实例中，外延结构经过icp等刻蚀工艺刻出台面；

在实施实例中，所述的刻蚀台面形成后，在刻蚀槽底部及台面边缘引入负离子形成负离子终端区6，通过刻蚀间接使得负离子区域在更深的位置。

在实施实例中，所述的阳极1与含负离子的结终端区6有重叠。

在实施实例中，所述的非故意掺杂区7在负离子终端区6外侧，起到隔离器件的作用。

在实施实例中，所述的场板在介质层上延伸至负离子终端区域之上。

在实施实例中，所述的n型氮化镓区4掺杂约为5e14~3e16cm^-3，厚度为5~40μm。

在实施实例中，所述的负离子注入形成固定电荷后，其含量以界面电荷衡量在1e12~1e15cm^-2，以体电荷衡量在1e16~1e18cm^-3。

在实施实例中，所述的引入负离子的终端区域与场板结构均起到耐压保护的作用。在承受反向高压时，所述的含负离子的结终端区使得阳极边缘的电场尖峰减小，结终端外侧区域的电场增大，电势线向外推移，起到保护结边缘的作用。

另外地，所述的引入负离子的终端区域可以仅与刻蚀台面结合，间接使得负离子区域在更深的位置，增强引入负离子的终端区域的保护效果，如图4所示；可以仅与场板结合，与场板同时起到耐压保护作用，如图5所示；也可以同时与刻蚀台面和场板结合，同时达到上述两种效果。

实施例3：

本公开实例提供了一种氮化镓肖特基二极管的终端结构，如图8所示，除n型氮化镓漂移区4、阳极1、阴极2之外的区域还包括引入了负离子的多区域的结终端区6，场板金属13，阳极电极同时作为最中心的场板金属13，其中：

在实施实例中，所述的n型氮化镓漂移区4通过外延生长得到；

在实施实例中，在阳极边缘向外有引入负离子的终端区域，此终端区域含多个分隔的区域，由阳极边缘向外，相隔等间距和不等间距，以等宽度和不等宽度排布，实现将电势线多级向外推移的作用。

在实施实例中，所述的引入了负离子的多区域的结终端区，除了阳极边缘的终端区域外，具有浮空的场板与之连接，以达到更好的耐压效果。

在实施实例中，所述的阳极1与含负离子的结终端区6有重叠。

在实施实例中，所述的场板在介质层上延伸至负离子终端区域之上。

在实施实例中，所述的n型氮化镓区4掺杂约为5e14~3e16cm^-3，厚度为5~40μm。

在实施实例中，所述的负离子注入形成固定电荷后，其含量以界面电荷衡量在1e12~1e14cm^-2，以体电荷衡量在1e16~1e18cm^-3。

在实施实例中，所述的引入负离子的多区域终端与浮空场板结构均起到耐压保护的作用。在承受反向高压时，所述的含负离子的结终端区使得阳极边缘的电场尖峰减小，结终端外侧区域的电场增大，电势线向外推移，起到保护结边缘的作用。

另外地，所述的氮化镓肖特基二极管的终端结构可以仅有引入负离子的多区域的终端区，如图7所示，实现将电势线多级向外推移的作用。

实施例4：

本公开实例提供了一种氮化镓pin二极管的终端结构，如图9所示，除器件p型氮化镓区3、n型氮化镓漂移区4、阳极1、阴极2之外的区域还包括含负离子的结终端区6，隔离器件的非故意掺杂区7，其中：

在实施实例中，所述的p型氮化镓区3、n型氮化镓漂移区4通过外延生长得到；

在实施实例中，所述的负离子注入的结终端区6，通过负离子注入等方式引入负离子，使得含负离子的结终端区为含有负离子的固定电荷区域。

在实施实例中，所述的阳极1与含负离子的结终端区6有重叠。

在实施实例中，所述的非故意掺杂区7在终端外侧，起到隔离器件的作用。

在实施实例中，所述的p型氮化镓区3掺杂约为1e17~1e20cm^-3，激活率为1%~20%，厚度为0.1~3µm。

在实施实例中，所述的n型氮化镓漂移区4掺杂约为5e14~3e16cm^-3，厚度为5~40µm。

在实施实例中，所述的负离子注入形成固定电荷后，其含量以界面电荷衡量在1e12~1e14cm^-2，以体电荷衡量在1e16~1e18cm^-3，厚度与主结p型氮化镓区3相同。

在实施实例中，在承受反向高压时，所述的含负离子的结终端区使得阳极边缘的电场尖峰减小，结终端外侧区域的电场增大，如图27所示。同时使得电势线向外推移，如图28所示，起到耐压保护的作用。结终端扩展区域的负离子含量以使得阳极边缘的电场以及结终端外侧的电场接近为较佳，如图29所示，浓度值均在本发明所述的范围内，其中n1<n2<n3，n2为最优值。

如图23所示为引入浓度为本发明所述离子浓度范围的最低值1e11cm^-2的负离子终端区的pin二极管的电场分布图，如图25所示为引入浓度为本发明所述离子浓度范围的最高值1e16cm^-2的负离子终端区的pin二极管的电场分布图；如图24所示为引入浓度为本发明所述离子浓度范围的最低值1e11cm^-2的负离子终端区的pin二极管的电势线分布图，如图26所示为引入浓度为本发明所述离子浓度范围的最高值1e16cm^-2的负离子终端区的pin二极管的电势线分布图。上述数值仿真结果可以较好地说明引入负离子终端区的耐压保护作用。上述数值仿真结果可以较好地说明引入负离子终端区，可以随着负离子浓度增大而使得电场尖峰从有源区边缘向终端边缘转移的特点，进而存在使得两处电场相同的负离子浓度，为设计耐压的较优值；引入负离子终端区，可以随着负离子浓度增大而逐步将电势线向外推移。

另外地，所述的氮化镓pin二极管的终端结构，可以使得阳极1与含负离子的结终端区6没有重叠，如图10所示。

另外地，所述的氮化镓pin二极管的终端结构，含负离子的结终端区6可以与主结p型氮化镓区3厚度不相同，如图11所示。

另外地，所述的氮化镓pin二极管的终端结构，可以增加一个或多个相邻的含负离子固定电荷的终端结构，从有源区向外，负离子浓度逐渐降低，实现将电势线多级向外推移的作用，如图12所示。

另外地，所述的氮化镓pin二极管的终端结构，可以与场板结合，与场板共同实现耐压保护的作用，如图13所示。

另外地，所述的氮化镓pin二极管的终端结构，可以与刻蚀台面结合，如图21是无终端结构pin二极管经过刻蚀后的器件的电场分布图；如图22是无终端结构pin二极管经过刻蚀后的器件的电势线分布图。上述仿真结果作为参照，供本发明所述的数值仿真做对比。仿真结果可以较好地说明，在pin的刻蚀结构中，引入含负离子区域终端可以较好地起到耐压保护的作用。

实施例5：

本公开实例提供了一种氮化镓沟槽型mosfet的终端结构，如图14所示，包括p型氮化镓区域3，n型氮化镓漂移区4，n型氮化镓衬底5，引入负离子的终端区域6，隔离器件的非故意掺杂区7，介质层8，门极9，源极10，漏极11，n型高掺杂氮化镓区域12，场板金属13，其中：

在实施实例中，所述的p型氮化镓区3、n型氮化镓漂移区4、n型高掺杂氮化镓区域12通过外延生长得到；

在实施实例中，所述的负离子注入的结终端区6，通过负离子注入等方式引入负离子，使得含负离子的结终端区为含有负离子的固定电荷区域。

在实施实例中，所述的p型氮化镓区3掺杂约为1e17~1e20cm^-3，激活率为1%~20%，厚度为0.1~3μm。

在实施实例中，所述的n型氮化镓漂移区4掺杂约为5e14~3e16cm^-3，厚度为5~40μm。

在实施实例中，所述的负离子注入形成固定电荷后，其含量以界面电荷衡量在1e12~1e14cm^-2，以体电荷衡量在1e16~1e18cm^-3。

在实施实例中，在承受反向高压时，所述的含负离子的结终端区使得电场尖峰减小，结终端外侧区域的电场增大，同时使得电势线向外推移，起到耐压保护的作用。

另外地，所述的氮化镓沟槽型mosfet的终端结构，可以与场板结合，场板可以从源极10延伸至p型氮化镓区域3上的介质层8之上，如图15所示。

另外地，所述的氮化镓沟槽型mosfet的终端结构，可以与场板结合，场板可以从源极10延伸至引入负离子的终端区域6上的介质层8之上，如图16所示。

以上所述，为本发明内容的较佳实施例，并非对本发明内容作任何限制，凡根据本发明内容技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均属于本发明内容技术方案的保护范围内。