一种氮化镓异质结mis栅控功率二极管及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及氮化镓异质结MIS (肖特基金属/绝缘介质/半导体)栅控功率二极管及其制造方法。
【背景技术】
[0002]作为第三代宽禁带半导体的典型代表，氮化镓(GaN)具有很多优良的特性:高临界击穿电场(?3.5X106V/cm)、高电子迀移率(?2000cm2/v *s)、高的二维电子气(2DEG)浓度(?113CnT2)和良好的高温工作能力等。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迀移率晶体管(HEMT)(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET，以下统称为HEMT器件)在半导体领域已经得到应用，尤其是在射频/微波领域已经应用于无线通信、卫星通信等。另外，基于宽禁带GaN材料的该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高、效率高等特性，可以满足电力电子系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积、更低功耗和更恶劣工作环境的要求。
[0003]二极管在半导体领域占有极其重要的地位，如开关和整流器，近年来，由于工艺和材料等的进步，基于氮化镓异质结材料的二极管也已经取得了较大发展。对于高效功率开关应用，开启电压和反向耐压能力是二极管的关键指标。然而，受肖特基金属与GaN半导体之间的金属-半导体接触的限制，传统的GaN异质结肖特基二极管的开启电压较大且反向漏电和耐压不够理想。目前人们已经提出了多种技术来实现出氮化镓异质结二极管的低开启电压和高耐压，在正向开启电压方面有凹槽技术和氟离子注入技术，然而其反向漏电受肖特基接触势皇的限制，耐压仍不甚理想；在反向耐压方面，有结终端结构，但器件正向导通电流受到肖特基接触载流能力的限制，较大的开启电压会增加器件的正向工作损耗，因此开发一种具有低正向开启电压、高反向耐压的GaN基功率二极管对于实际应用具有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的，就是针对上述传统氮化镓异质结功率二极管存在的问题，提出了一种具有高反向耐压、高正向电流、低开启电压、低导通电阻和低功耗的新型氮化镓异质结MIS栅控功率二极管。
[0005]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种氮化镓异质结MIS栅控功率二极管，如图1所示，包括衬底基片1、设置在衬底基片I上表面的外延层2和设置在外延层2上表面的势皇层3，所述外延层2和势皇层3形成异质结；所述势皇层3两端分别设置有第一欧姆接触金属4和第二欧姆接触金属5，所述势皇层3在与第二欧姆接触金属5侧面连接处具有凹槽7，所述凹槽7与第一欧姆接触金属4之间的势皇层3上表面具有钝化层6 ;所述凹槽7底部及与钝化层6相连的侧壁以及钝化层6上表面具有绝缘介质8 ;所述第二欧姆接触金属5的上表面及凹槽7中具有肖特基金属9，所述肖特基金属9在绝缘介质8上表面向第一欧姆接触金属5方向延伸。
[0007]进一步的，所述外延层为GaN层，所述势皇层为AlXN层，所述X为Ga、In和Ga与In的混合物中的一种。
[0008]进一步的，所述绝缘介质8为Si02、Si3N4、Al203、Mg0和11?)2中的一种或多种组合，其厚度为l-100nm。
[0009]进一步的，所述阳极金属9 包括 N1、Au、Ir、Pd、Pt、Mo、Se、Be、W、TiN, Ta、TaN 中的任一种或任意几种组合。
[0010]一种氮化镓异质结MIS功率二极管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0011 ] 第一步:在衬底基片I上层依次外延生长外延层2和势皇层3 ；
[0012]第二步:采用光刻技术，在势皇层3上表面两端器件的阳极和阴极区域淀积欧姆金属，并在纯氮气氛围下进行高温快速热退火，分别形成第一欧姆接触金属4和第二欧姆接触金属5 ；
[0013]第三步:采用离子注入技术或干法刻蚀台面技术，形成器件间隔离:其中离子注入技术是采用高能离子注入有源区外的其他区域，高能离子使这些区域的晶格损坏，异质结被破坏无法形成导电通道从而形成器件隔离；干法刻蚀台面技术是采用电感耦合等离子体刻蚀技术，采用氯气和氯化硼混合等离子体刻蚀有源区外的势皇层3和外延层2，使该区域异质结消失，不能形成导电通道因而形成期间隔离；
[0014]第四步:在第一欧姆接触金属4和第二欧姆接触金属5之间的势皇层3上表面生长钝化层6 ;
[0015]第五步:采用氟基气体刻蚀与第二欧姆接触金属5侧面相连钝化层6，形成凹槽7 ；
[0016]第六步:采用凹槽刻蚀技术刻蚀器件凹槽7中的势皇层3，将凹槽7中势皇层3刻蚀至沟道中二维电子气完全耗尽，凹槽7底部与外延层2之间的势皇层3厚度为I?3nm ;所述凹槽刻蚀技术为干法刻蚀和氧化湿法刻蚀其中的一种或者两者结合；
[0017]第七步:在凹槽7中势皇层3上表面及侧面以及钝化层6上表面淀积绝缘介质8，淀积绝缘介质8后进行高温快速热退火，退火温度400?500摄氏度，退火时间为10?15min ；
[0018]第八步:采用光刻技术，在第二欧姆接触金属5上表面及凹槽7中淀积阳极肖特基金属9，在凹槽7处形成肖特基金属/绝缘介质/半导体的MIS栅控结构。
[0019]本发明通过刻蚀凹槽减薄局部AlXN势皇层的厚度从而耗尽异质结的二维电子气(2DEG)，先后淀积一层绝缘介质和阳极肖特基金属完全覆盖势皇层凹槽，在凹槽处形成肖特基金属/绝缘介质/半导体的MIS栅控结构，通过改变阳极电压实现凹槽处电子的积累和耗尽，从而控制器件的开启和关断；在阳极肖特基金属旁边增加一个欧姆接触使该欧姆接触和肖特基阳极短接，形成了基于MIS栅控结构的氮化镓异质结混合阳极功率二极管。由于正向导通时电流是通过阳极处的欧姆接触与阴极的欧姆流动的而不是传统肖特基势皇二极管(SBD)结构中从阳极肖特基金属到阴极欧姆接触流动，从而增加了正向电流并降低了导通电阻；而反向耐压时是由阳极的MIS结构而不是传统的特基金属与GaN半导体之间的金属-半导体接触承受耐压，所以能够大大降低了器件的反向漏电，提高了耐压。该二极管具有低的正向开启电压，高的正向电流和高的耐压。需要指出的是当AlXN势皇层的厚度、AlXN势皇层Al的组分，或是异质结中插入了 AlN层，或是AlXN势皇层中有掺杂以及掺杂的分布不同时，要实现同样低的正向开启电压所对应的凹槽的深度和绝缘介质8的厚度会有有所不同
[0020]本发明的有益效果为，具有高反向耐压、高导通电流、低开启电压、低导通电阻和低功耗等优点，并且其制造工艺与传统氮化镓异质结HEMT器件兼容，可以实现与传统氮化镓异质结HEMT器件的单片集成。
【附图说明】
[0021]图1为本发明的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的结构示意图；
[0022]图2为本发明的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的制造工艺流程中在衬底上表面生成外延层后结构示意图；
[0023]图3为本发明的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的工艺流程中淀积欧姆接触示意图；
[0024]图4为本发明的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的工艺流程中在异质结上表面生长一层介质层；；
[0025]图5为本发明的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的工艺流程中刻蚀掉凹槽区域上表面的介质层；
[0026]图6为本发明的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的工艺流程中对凹槽区域异质结势皇层进行刻蚀；
[0027]图7为本发明的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的工艺流程中在整个凹槽和异质结上表面生长一层绝缘介质层；
[0028]图8为本发明的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的工艺流程中在凹槽区域淀积阳极肖特基金属；
[0029]图9为传统肖特基势皇二极管SBD结构示意图；
[0030]图10为传统肖特基势皇二极管SBD和本发明的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的正向电流图；
[0031]图11为传统肖特基势皇二极管SBD和本发明的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管的反向电流图；
[0032]图12为传统肖特基势皇二极管SBD在不同阳极与阴极距离下的耐压曲线图；
[0033]图13为本发明的氮化镓异质结MIS栅控功率二极管在不同阳极与阴极距离下的耐压曲线图。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图，详细描述本发明的技术方案:
[0035]本发明提出了一种高性能氮化镓异质结MIS栅控功率二极管，它与传统肖特基势皇二极管SBD不同，本发明的二极管在阳极一侧采用复合阳极结构，即阳极一侧采用中欧姆/肖特基混合阳极设计；与常规的横向场效应整流器相比，本发明中的阳极的肖特基金属淀积在凹槽中而不是直接淀积在异质结表面，并且在阳极的凹槽中完全淀积一层绝缘介质形成肖特基金属/绝缘介质/半导体的MIS栅控结构。本发明通过刻蚀阳极肖特基下方的势皇层来耗尽沟道中的二维电子气(2DEG)，从而实现在阳极无正向电压时器件关断；并且本发明所提供的二极管在阳极采用欧姆/肖特基混合阳极设计，其中阳极处的肖特基/栅介质/半导体MIS栅控结构控制器件的开启/关断，欧姆接触是器件的主要导电通道，当阳极加正压时，肖特基阳极下半导体表面出现电子积累，阳极和阴极之间的欧姆导通，从而大大增加了器件的正向电流。因此，本发明所提出的二极管具有较低的阳极接触电阻，从而整个器件的导通电阻大大降低且导通电流大幅增加。由于传统二极管的耐压能力取决于阳极肖特基金属与GaN半导体之间的金属-半导体接触，而常规的横向场效应整流器由于势皇层的减薄，阳极肖特基金属与GaN半导体之间的金属-半导体接触的势皇更低，因此反向漏电更大，当在阳极一侧引入MIS栅控结构:即在阳极下方的凹槽处完全覆盖一层绝缘介质，该绝缘介质能够有效降低流经肖特基金属的反向漏电，同时在反向工作时，该MIS结构可以进一步耗尽沟道中的电子，从而能够提高器件反向耐压能力。故本发明提供了一种具有低开启电压、低导通电阻、高导通电流、高反向耐压和低功耗等优点的氮化镓异质结功率二极管，与此同时本发明所公布的器件制备