具有高K场板的氮化镓肖特基势垒二极管及其制作方法

具有高k场板的氮化镓肖特基势垒二极管及其制作方法
技术领域
1.本发明属于微电子技术领域，特别是涉及一种氮化镓肖特基势垒二极管，可用于制作各种高功率电子设备。


背景技术：

2.氮化镓作为第三代超宽禁带半导体的代表，具有超宽的禁带宽度，高电子迁移率，高击穿场强的特性，它的禁带宽度是传统半导体材料硅禁带宽度的3倍，理论临界击穿场强甚至高达硅材料的10倍。基于氮化镓材料制备的电子器件能够适用于高压高频的工作环境，且性能稳定、可靠，因此在电力电子器件和功率器件领域中大有替代传统硅材料之势。
3.目前，一些氮化镓电子产品已经实现商业化，对氮化镓肖特基势垒二极管的需求越来越大。随着氮化镓肖特基势垒二极管的发展，对器件的各项性能指标的要求越来越严格，氮化镓肖特基势垒二极管与简单的pn结二极管相比，导通电压低，且反向击穿电压很高，能够适应现阶段高频高压的工作环境，提高产品效率，因此有巨大的研究价值。
4.现有的纵向氮化镓肖特基势垒二极管结构如图1所示，其自下而上包括欧姆阴极金属层1、n
+
氮化镓衬底层2和n
‑
氮化镓外延层3，该n
‑
氮化镓外延层3上设有肖特基阳极金属层4。这种肖特基势垒二极管虽说结构简单，且击穿场强与pn结二极管相比已经有很大的提升。但由于没有终端结构保护，实际击穿场强与理论值仍有较大差距。另外，现有结构的器件在反向工作时，漏电流较大，不利于功耗的理想化。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种具有高k场板的氮化镓肖特基势垒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。
6.本发明的技术方案是这样实现的：
7.1.一种具有高k场板的氮化镓肖特基势垒二极管，其自下而上包括欧姆阴极金属层1、n
+
氮化镓衬底层2、n
‑
氮化镓外延层3及肖特基阳极金属层4，其特征在于：肖特基阳极金属层4的右上方设有金属场板层5，以使器件在反向工作时，将峰值电场转移，降低肖特基阳极金属层的电场，提高器件的耐压能力；金属场板层5与n
‑
氮化镓外延层3之间设有高k介质层6，以增强介电能力，使二极管在减小漏电密度的同时提高反向击穿电压；肖特基阳极金属层4、金属场板层5及高k介质层6的上方均设有钝化介质层7，以在保护电极金属的同时减小漏电电流。
8.进一步，所述金属场板层5，采用ti、al、ni、au、w和pt金属材料的一种形成单层或多种材料组成多层，其厚度为50nm～500nm。
9.进一步，所述高k介质层6采用si3n4、al2o3、hfo2、zro2等高介电材料中的任意一种，且厚度为50nm～500nm。
10.进一步，所述钝化介质层7采用si3n4介质材料，厚度为50nm～500nm。
11.进一步，所述n
‑
氮化镓外延层3的厚度为3um～10um，载流子浓度为1e15cm
‑3～1e16cm
‑3；所述n
+
氮化镓衬底层2的厚度为3um～10um，载流子浓度为1e17cm
‑3～1e18cm
‑3。
12.进一步，所述欧姆阴极金属层1，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，厚度为50nm～500nm；所述肖特基阳极金属层4，采用ni、au和w金属中的一种材料形成单层或多种材料组成多层，厚度为50nm～500nm。
13.2.一种具有高k场板的氮化镓肖特基势垒二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
14.1)选用自下而上依次包括n
+
氮化镓衬底层2、n
‑
氮化镓外延层3的外延片；
15.2)在n
+
氮化镓衬底层2的下表面进行第一次光刻形成图案，再采用电子束蒸发工艺在该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1；
16.3)在n
‑
氮化镓外延层3的右上端进行第二次光刻形成图案，并采用等离子体增强型化学气相淀积工艺或溅射工艺，在该图案区域生长厚为50nm～500nm的si3n4或al2o3或hfo2或zro2，形成高k介质层6；
17.4)在高k介质层6的左侧进行第三次光刻形成图案，并采用电子束蒸发工艺在该图案区域生长肖特基阳极金属层4和金属场板层5；
18.5)采用等离子体增强型化学气相淀积工艺在整个样片的上表面淀积厚50nm～500nm的si3n4钝化介质层7，完成器件制作；
19.本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：
20.第一，由于本发明在肖特基阳极金属层的右上方增设有金属场板层，因而当器件在反向工作时，能够将峰值电场转移，降低肖特基阳极金属层的电场，提高了器件的耐压能力；
21.第二，由于本发明在肖特基阳极金属层右侧增设有高k介质层，其介电能力的增强，使得二极管在能够减小漏电密度的同时提高反向击穿电压，进一步提升器件性能；
22.第三，由于本发明在整个样品的上表面增设有钝化介质层，因而能够在保护电极金属的同时减小漏电电流。
附图说明
23.图1为现有氮化镓肖特基势垒二极管横截面示意图；
24.图2为本发明二极管的横截面示意图；
25.图3为本发明制作图2二极管的流程示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明的实施做进一步详细描述：
27.参照图2，本发明的高k介质场板技术氮化镓肖特基势垒二极管，包括欧姆阴极金属层1、n
+
氮化镓衬底层2、n
‑
氮化镓外延层3、肖特基阳极金属层4、金属场板层5、高k介质层6和钝化介质层7，其中：欧姆阴极金属层1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，其厚度为50nm～500nm；n
+
氮化镓衬底层2位于欧姆阴极金属层1的上部，其载流子浓度为1e17cm
‑3～1e18cm
‑3，厚度为3um～10um；n
‑
氮化镓外延层3位于n
+
氮化镓衬底层2的上部，其厚度为3um～10um，载流子浓度为1e15cm
‑3～1e16cm
‑3；肖特基阳极金属
层4位于n
‑
氮化镓外延层3的左上部，其采用ni、au和w金属中的一种材料形成单层或多种材料组成多层，厚度为50nm～500nm；金属场板层5位于肖特基阳极金属层4的右上方，其与肖特基阳极金属层4采用同种材料和厚度制成；高k介质层6位于肖特基阳极金属层4的右侧，其采用si3n4、al2o3、hfo2、zro2中的任意一种介质材料，厚度为50nm～500nm；钝化介质层7位于肖特基阳极金属层4、金属场板层5及高k介质层6的上方，厚度为50nm～500nm。
28.参照图3，本发明制备上述氮化镓肖特基势垒二极管的方法，给出以下三种实施例：
29.实施例1：制作金属场板层为ni/au，高k介质层材料为si3n4，钝化介质层厚度为50nm的肖特基二极管。
30.步骤1：清洗外延片，如图3(a)所示。
31.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；
32.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。
33.步骤2：淀积欧姆阴极金属层，如图3(b)所示。
34.2.1)在外延片n
+
氮化镓衬底层的下表面进行第一次光刻形成图案，将形成图案后的样片放入电子束蒸发台，在功率为150w，真空为5e
‑
4pa的条件下，以0.1nm/s的速率在上述表面蒸发厚度为60nm/120nm的ti/au，作为欧姆阴极金属；
35.2.2)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。
36.步骤3：淀积高k介质层，如图3(c)所示。
37.3.1)在n
‑
氮化镓外延层上进行第二次光刻形成图案，再将其放入等离子体增强化学气相沉积设备，在功率为20w，反应室压强为2000mtorr，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250nm的si3n4高k介质层；
38.3.2)采用剥离工艺去除样片表面多余金属，并将上述淀积高k介质层的外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮气枪将样片吹干。
39.步骤4：淀积肖特基阳极金属层和金属场板层，如图3(d)所示。
40.4.1)在n
‑
氮化镓外延层和高k介质层上进行第三次光刻形成图案，再将该形成图案后的样片放入电子束蒸发台，在功率为30w，真空为5e
‑
4pa的条件下，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和金属场板层；
41.4.2)采用剥离工艺去除整个样片表面上的多余金属，并将上述外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮气枪将样片吹干。
42.步骤5：淀积钝化介质层，如图3(e)所示。
43.5.1)采用等离子体增强化学气相淀积工艺，将样片放入等离子体增强化学气相淀积设备，设定功率为20w，反应室压强为2000mtorr，腔体温度为220℃，反应室气体sih4：n2o：n2流速比为40sccm：710sccm：180sccm，在整个样片的上表面淀积厚度为50nm的si3n4钝化介质层。
44.5.2)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
将样片吹干，完成整个二极管的制作。
45.实施例2：制作金属场板层为w，高k介质层材料为hfo2，钝化介质层厚度为200nm的肖特基二极管。
46.步骤a：清洗外延片，如图3(a)所示。
47.本实施例的步骤a与实施例1中的步骤1相同。
48.步骤b：淀积欧姆阴极金属层，如图3(b)所示。
49.在外延片n
+
氮化镓衬底层的下表面进行第一次光刻形成图案，将形成图案后的样片放入电子束蒸发台，在功率为180w，真空为5e
‑
4pa的条件下，以0.1nm/s的速率在上述表面蒸发厚度为20/145/50/45nm的ti/al/ni/au金属；
50.再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；并将上述外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮气枪将样片吹干。
51.步骤c：淀积高k介质层，如图3(c)所示。
52.在n
‑
氮化镓外延层上进行第二次光刻形成图案，再采用直流磁控溅射工艺，以hfo2陶瓷为靶材，且靶基距为5cm，设定真空室基压和工作气压分别为2e
‑
3pa和6e
‑
1pa，靶功率为200w，室温下，在图案区域淀积hfo2高k介质层，其厚度为250nm；
53.再采用剥离工艺去除样片表面多余金属，并将上述外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮气枪将样片吹干。
54.步骤d：淀积肖特基阳极金属层和金属场板层，如图3(d)所示。
55.在n
‑
氮化镓外延层和高k介质层上进行第三次光刻形成图案，再将形成图案后的样片放入电子束蒸发台，在功率为35w，真空为5e
‑
4pa的条件下，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和金属场板层；
56.再采用剥离工艺去除整个样片表面上的多余金属，并将上述外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮气枪将样片吹干。
57.步骤e：淀积钝化介质层，如图3(e)所示。
58.采用等离子体增强化学气相淀积工艺，将样片放入等离子体增强化学气相淀积设备，设定功率为25w，反应室压强为2000mtorr，腔体温度为300℃，反应室气体sih4：n2o：n2流速比为40sccm：710sccm：180sccm，在整个样片的上表面淀积厚度为200nm的si3n4钝化介质层；
59.再将上述外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮气枪将样片吹干，完成整个二极管的制作。
60.实施例3：制作金属场板层为au，高k介质层的材料为al2o3，钝化介质层厚度500nm的肖特基二极管。
61.步骤一：清洗外延片，如图3(a)所示。
62.本实施例的步骤一与实施例1中的步骤1相同。
63.步骤二：淀积欧姆阴极金属层，如图3(b)所示。
64.先在外延片n
+
氮化镓衬底层的下表面进行第一次光刻形成图案，将形成图案后的样片放入电子束蒸发台，在功率为200w，真空为5e
‑
4pa的条件下，以0.1nm/s的速率在上述表面蒸发厚度为20/145/45nm的ti/al/au金属；再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；并将上述外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮气枪将样片吹干。
65.步骤三：淀积高k介质层，如图3(c)所示。
66.在n
‑
氮化镓外延层上进行第二次光刻形成图案，将形成图案后的样片放入等离子体增强化学气相淀积设备，设置功率为30w，反应室压强为2000mtorr，腔体温度为380℃，反应室气体流速ar：n2o：tma的比例为700sccm：800sccm：100sccm的工艺条件，在图案区域淀积厚度为200nm的al2o3高k介质层；再采用剥离工艺去除样片表面多余金属，并将上述外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮气枪将样片吹干。
67.步骤四：淀积肖特基阳极金属层和金属场板层，如图3(d)所示。
68.在n
‑
氮化镓外延层和高k介质层上进行第三次光刻形成图案，并将样片放入电子束蒸发台，在功率为40w，真空为5e
‑
4pa的条件下，以0.1nm/s的速率在该图案区域蒸发厚度为150nm的au作为肖特基阳极金属层和金属场板层；再采用剥离工艺去除整个样片表面上的多余金属，并将上述外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮气枪将样片吹干。
69.步骤五：淀积钝化介质层，如图3(e)所示。
70.采用等离子体增强化学气相淀积工艺，将经过步骤四后样片放入等离子体增强化学气相淀积设备，设定功率为30w，反应室压强为2000mtorr，腔体温度为380℃，反应室气体sih4：n2o：n2流速比为40sccm：710sccm：180sccm，在整个样片的上表面淀积厚度为500nm的si3n4钝化介质层；再将该外延片依次在丙酮、乙醇、等离子水中各超声清洗5min，最后用氮气枪将样片吹干，完成整个二极管的制作。
71.上述实例仅为本发明的三个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，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；以及高k介质材料的选取并不限于实施例所给出的介质材料，还包括zro2，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。