热电优化设计的沟槽MOS型氧化镓功率二极管及制作方法

热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管及制作方法
技术领域
1.本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管及制作方法。


背景技术：

2.近年来，β-ga2o3已成为下一代电力电子器件的主要候选材料。ga2o3的超宽带隙(4.6～4.9ev)可转化为大的临界电场(8mv/cm)，比宽带隙材料氮化镓(gan)和碳化硅(sic)高2倍以上。与其他超宽带隙半导体(氮化铝、金刚石等)和宽带隙半导体材料相比，ga2o3材料的另一个优点是，目前市场上已可以提供高质量的熔融生长衬底。
3.随着外延技术进步带来ga2o3外延浓度的进一步下降和外延质量的进一步提高，传统的平面型ga2o3二极管的金半接触的界面电场进一步增大，这会导致非常大的漏电流，且随着高压大功率器件应用温度的逐渐升高，漏电流进一步增大。与此同时，不可忽视的另一个问题：β-ga2o3材料的低各向异性热导率(300k时为11～27w/m k)会带来同样功率密度下严重的器件过热问题。
4.以上问题耦合成为了制约β-ga2o3材料功率器件技术走向成熟的主要障碍。除非通过热电协同设计技术来克服这一热挑战，否则新兴的β-ga2o3器件技术将无法实现巴利加优值(baliga’s figure of merit，简称bfom)建议的优越电气性能。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管及其制作方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.第一方面，本发明实施例提供了一种热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管，包括：
7.β-ga2o3衬底；
8.β-ga2o3漂移层，位于所述β-ga2o3衬底的上表面；
9.凹槽阵列，包括若干凹槽，间隔分布于所述β-ga2o3漂移层上；所述凹槽阵列中每一凹槽宽度相同、彼此平行、间隔相同；所述凹槽阵列与所述β-ga2o3漂移层面内的[100]晶向分别呈一定角度布局；
[0010]
绝缘层，填充于所述凹槽阵列中每一凹槽内，覆盖每一凹槽顶部侧边缘处的部分所述β-ga2o3漂移层的上表面；
[0011]
场板终端，位于沟槽阵列有源区四周的所述β-ga2o3漂移层上表面，且所述场板终端为自内而外呈一定斜坡角度或呈台阶状分布的斜场板结构；
[0012]
阳极，位于所述绝缘层、所述β-ga2o3漂移层，以及部分所述场板终端的上表面；
[0013]
阴极，位于所述β-ga2o3衬底的下表面。
[0014]
在本发明的一个实施例中，所述凹槽阵列中每一凹槽宽度为1μm～2μm、深度为500nm～1000nm；相邻凹槽之间的间距为1μm～6μm。
[0015]
在本发明的一个实施例中，所述凹槽阵列与所述β-ga2o3漂移层面内的[100]晶向分别呈0
°
～90
°
布局。
[0016]
在本发明的一个实施例中，所述场板终端的高度为100nm～2000nm。
[0017]
在本发明的一个实施例中，所述场板终端的形状为方形或圆形。
[0018]
在本发明的一个实施例中，所述斜场板结构是角度为8.5
°
～10
°
的倾斜斜面或阶梯状台面。
[0019]
第二方面，本发明实施例提供了一种热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管的制作方法，包括：
[0020]
选取β-ga2o3衬底；
[0021]
在所述β-ga2o3衬底的下表面形成阴极；
[0022]
在所述β-ga2o3衬底的上表面生长β-ga2o3漂移层；
[0023]
利用掩膜刻蚀工艺在所述β-ga2o3漂移层的上表面形成与所述β-ga2o3漂移层面内[100]晶向呈一定角度布局的凹槽阵列；
[0024]
在所述凹槽阵列中每一凹槽内，以及每一所述凹槽顶部侧边缘处的所述部分β-ga2o3漂移层的上表面生长绝缘层；在所述凹槽阵列中每一凹槽内填充第一层阳极金属；
[0025]
在所述β-ga2o3漂移层、所述绝缘层和所述第一层阳极金属的上表面生长场板终端介质；
[0026]
以不同环型光刻胶为掩膜，刻蚀对应环形中间的场板终端介质，直至刻蚀到所述绝缘层和所述第一层阳极金属为止，形成自内而外呈一定斜坡角度或呈台阶状分布的场板终端；
[0027]
在所述第一层阳极金属、所述绝缘层，以及部分所述场板终端的上表面继续生长第二层阳极金属形成最终的阳极。
[0028]
在本发明的一个实施例中，所述凹槽阵列中每一凹槽宽度相同、彼此平行、间隔相同，且所述凹槽阵列与所述β-ga2o3漂移层面内的[100]晶向分别呈0
°
～90
°
布局。
[0029]
在本发明的一个实施例中，所述场板终端的一定斜坡角度范围为8.5
°
～10
°
。
[0030]
在本发明的一个实施例中，所述场板终端的形状为方形或圆形。
[0031]
本发明的有益效果：
[0032]
本发明提出的热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管，充分从优化器件结构设计和版图布局角度出发：一方面采用了优化的呈一定斜坡角度或呈台阶状分布的斜场板终端技术和沟槽结构，极大缓解了肖特基结部分的电场集边效应、器件常温和高温下的反向漏电，使器件在兼顾低开启电压v
on
和高瞬时电流if的同时，有效的提升了击穿电压能力，使器件具有高耐压特性，实验表明本发明设计的mosβ-ga2o3二极管的耐压值可以达到1700v；另一方面综合考虑了mosβ-ga2o3二极管的鳍栅(fin)宽度、沟槽宽度、沟槽数量、电流密度以及其在不同晶相热特性(热导率不同)的多沟槽设计技术和版图布局的设计权衡，最大程度的从器件结构设计和版图布局角度综合优化了大电流mosβ-ga2o3二极管热电特性，区别于双面封装散热等非器件级热管理技术，提出了该类热敏感器件热电协同设计技术的新型实用思路。
[0033]
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
[0034]
图1是本发明实施例提供的一种热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管的结构示意图；
[0035]
图2(a)～图2(c)是本发明实施例提供的热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管中凹槽阵列在不同角度的版图布局示意图；
[0036]
图3(a)～图3(c)是本发明实施例提供的热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管中凹槽阵列在不同角度的版图布局示意图；
[0037]
图4是本发明实施例提供的另一种热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管的结构示意图；
[0038]
图5是本发明实施例提供的一种热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管制作方法的流程示意图；
[0039]
图6(a)～图6(j)是本发明实施例提供的一种热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管制作方法对应的结构示意图。
[0040]
附图标记说明：
[0041]
1-β-ga2o3衬底；2-β-ga2o3漂移层；3-阴极；4-绝缘层；5-阳极；6-场板终端；501-第一层阳极金属；502-第二层阳极金属。
具体实施方式
[0042]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0043]
第一方面，经发明人研究发现，在热电优化设计中，凹槽结构与场板终端结构的协同布局尤为重要，即使凹槽结构和场板终端结构这个概念应用较多，但在本发明实施例中并非任意的凹槽结构、场板终端结构和版图布局都可以设计得到高耐压热电优化设计的mos型氧化镓功率二极管，具体设计需要在充分兼顾mosβ-ga2o3二极管热电特性的前提下，同时考虑mosβ-ga2o3二极管的鳍栅(fin)宽度、沟槽宽度、沟槽深度、介质厚度、场板终端的结构设计和不同面内晶相的热导率差异对应的版图布局综合权衡考虑来决定，只有兼顾以上因素，设计出合理的结构和版图布局，才可以实现高耐压热电优化设计的mos型氧化镓功率二极管。请参见图1，本发明实施例提供了一种热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管，包括：
[0044]
β-ga2o3衬底1；
[0045]
β-ga2o3漂移层2，位于β-ga2o3衬底1的上表面；
[0046]
凹槽阵列，包括若干凹槽，间隔分布于所述β-ga2o3漂移层上；凹槽阵列中每一凹槽的宽度相同、彼此平行、间隔相同，且所述凹槽阵列与β-ga2o3漂移层2面内的[100]晶向呈一定角度布局；
[0047]
绝缘层4，填充于凹槽阵列的每一凹槽内，并覆盖于每一凹槽顶部边缘处的部分β-ga2o3漂移层2的上表面；
[0048]
场板终端6，位于沟槽阵列有源区四周的β-ga2o3漂移层2的上表面，且场板终端为自内而外呈一定斜坡角度或呈台阶状分布的斜场板结构；
[0049]
阳极5，位于绝缘层4、β-ga2o3漂移层2，以及部分场板终端6的上表面；
[0050]
阴极3，位于β-ga2o3衬底1的下表面。
[0051]
本发明实施例中，β-ga2o3衬底1为si或sn重掺杂，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
。
[0052]
本发明实施例中，β-ga2o3漂移层2为si或cl轻掺杂，厚度为6μm～10μm、掺杂浓度为5
×
10
15
cm-3
～5
×
10
16
cm-3
。
[0053]
本发明实施例中，阴极3材料为叠层的ti/au，金属叠层厚度优选分别为20nm/200nm。
[0054]
本发明实施例中，阳极5材料为叠层的ni/au；在场板终端6上方的阳极5的金属叠层优选厚度为45nm/400nm。阳极5处形成肖特基接触。
[0055]
本发明实施例中，凹槽阵列中每一凹槽的宽度相同、彼此平行、间隔相同，且凹槽阵列与β-ga2o3漂移层2面内的[100]晶相需要呈一定角度布局，这里凹槽阵列与β-ga2o3漂移层面内的[100]晶向分别呈0
°
～90
°
布局，经发明人研究发现，凹槽阵列与β-ga2o3漂移层2面内的[100]晶向分别呈60
°
～90
°
的布局可以获得更好的散热效果。
[0056]
优选地，凹槽阵列中每一凹槽宽度为1μm～2μm、深度为500nm～1000nm；相邻凹槽之间的间距为1μm～6μm。
[0057]
本发明实施例中，绝缘层4为al2o3或其他高介电常数的材料如hfo2，绝缘层4厚度为20nm～100nm。绝缘层4的使用可以减小漏电。
[0058]
本发明实施例中，场板终端6优选为如图2(a)～图2(c)所示方形或如图3(a)～图3(c)所示圆形结构的sio2氧化物、高介电常数的氧化物如nio氧化物，场板终端6的高度为100nm～2000nm。场板终端6为斜场板结构，优选斜场板结构为自内而外角度为8.5
°
～10
°
的斜面，还可以优选斜场板结构为呈台阶状的斜面。场板终端6为斜场板设计考虑可以更大程度的缓减终端的电场集边效应。其中，图2(a)为常规基于方形场板终端6的凹槽阵列与β-ga2o3漂移层2面内[100]晶向的布局示意图，在本发明实施例要求凹槽阵列与β-ga2o3漂移层2面内晶向分别呈0
°
～90
°
布局，图2(b)为基于方形场板终端6的凹槽阵列与β-ga2o3漂移层2的面内[100]晶向呈60
°
的布局示意图，图2(c)为基于方形场板终端6的凹槽阵列与β-ga2o3漂移层2的面内[100]晶向呈90
°
的布局示意图；同理，图3(a)为常规基于圆形场板终端6的凹槽阵列与β-ga2o3漂移层2的面内[100]晶向的布局示意图，在本发明实施例同样要求每一凹槽阵列与β-ga2o3漂移层2面内[100]晶向分别呈0
°
～90
°
布局，图3(b)为基于圆形场板终端6的凹槽阵列与β-ga2o3漂移层2的面内[100]晶向呈60
°
的布局示意图，图3(c)为基于圆形场板终端6的凹槽阵列与β-ga2o3漂移层2的面内[100]晶向呈90
°
的布局示意图。
[0059]
本发明实施例另一种热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管如图4所示，与图1不同的是，图4中场板终端6为自内而外呈台阶状分布的斜场板结构。
[0060]
综上所述，本发明实施例提出的热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管，充分从优化器件结构设计和版图布局角度出发：一方面采用了优化的呈一定斜坡角度或呈台阶状分布的斜场板终端技术和沟槽结构，极大缓解了肖特基结部分的电场集边效应、器件常温和高温下的反向漏电，使器件在兼顾低开启电压v
on
和高瞬时电流if的同时，有效提升击穿电压能力，具有高耐压特性，实验表明本发明设计的mosβ-ga2o3二极管的耐压值可以达到1700v；另一方面综合考虑了mosβ-ga2o3二极管的鳍栅(fin)宽度、沟槽宽度、沟槽数量、电流密度以及其在不同晶相热特性(热导率不同)的沟槽阵列设计技术和版图布局的设计权
衡，最大程度的从器件结构本身和版图布局角度优化了大电流mosβ-ga2o3二极管热电特性，提出了该类热敏感器件热电协同设计技术的新型实用思路。
[0061]
第二方面，请参见图5，本发明实施例提供了一种热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管制作方法，包括以下步骤：
[0062]
s501、选取β-ga2o3衬底1。
[0063]
本发明实施例中，选择si或sn重掺杂的β-ga2o3衬底1，掺杂浓度为1
×
10
18
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
。
[0064]
s502、在β-ga2o3衬底1的上表面生长β-ga2o3漂移层2。
[0065]
本发明实施例中，采用氢化物气相外延生长法(hydride vapor phase epitaxy，简称hvpe)在β-ga2o3衬底1上生长一层si或cl轻掺杂的β-ga2o3漂移层2，且厚度为6μm～10μm、掺杂浓度为5
×
10
15
cm-3
～5
×
10
16
cm-3
，如图6(a)所示。
[0066]
s503、在β-ga2o3衬底1的下表面形成阴极3。
[0067]
本发明实施例中，采用真空蒸发或者电子束蒸发的方法在β-ga2o3衬底1的下表面蒸发厚度为20nm/200nm的ti/au金属形成阴极3，如图6(b)所示。
[0068]
s504、利用掩膜刻蚀工艺在β-ga2o3漂移层2的上表面形成与β-ga2o3漂移层2的[100]晶向呈一定角度布局的凹槽阵列，如图6(c)所示。
[0069]
本发明实施例中，在β-ga2o3漂移层2的上表面涂抹光刻胶作为掩膜，并通过剥离工艺形成掩膜版图图案，该掩膜版图图案根据热电优化设计的需要，具体设计在充分兼顾mosβ-ga2o3二极管热电特性的前提下，综合考虑mosβ-ga2o3二极管的鳍栅(fin)宽度、沟槽宽度、电流密度及其在不同晶相的热导率差异这些因素在版图布局上综合较优的设计权衡决定，最终使得凹槽阵列与β-ga2o3漂移层2的面内[100]晶向分别呈0
°
～90
°
的夹角，如图2(a)～图2(c)、图3(a)～图3(c)所示。最后，采用电感耦合等离子体(inductively coupled plasma，简称icp)刻蚀工艺根据掩膜版图图案刻蚀出凹槽阵列，凹槽阵列中每一凹槽宽度为1μm～2μm、深度为500nm～1000nm；相邻凹槽之间的间距为1μm～6μm。最后，刻蚀掉凹槽阵列外的光刻胶掩膜。
[0070]
s505、在凹槽阵列中每一凹槽内，以及每一凹槽的侧顶部边缘处的部分β-ga2o3漂移层2的上表面生长绝缘层4。
[0071]
本发明实施例中，采用原子层沉积工艺在凹槽阵列中每一凹槽内，以及每一凹槽的侧顶部边缘处的部分β-ga2o3漂移层2上表面沉积厚度为20nm～100nm的al2o3或其他高介电常数的材料，如图6(d)所示。
[0072]
s506、在凹槽阵列中每一凹槽内填充第一层阳极金属501。
[0073]
本发明实施例中，采用真空蒸发或者电子束蒸发的方法在凹槽阵列中每一凹槽内沉积金属为ni/au的第一层阳极金属501，如图6(e)所示。
[0074]
s507、在β-ga2o3漂移层2、绝缘层和第一层阳极金属501的上表面生长场板终端介质。
[0075]
本发明实施例中，采用原子层沉积工艺在β-ga2o3漂移层2、绝缘层和第一层阳极金属501的上表面生长厚度为100nm～2000nm的如sio2等氧化物的场板终端介质，如图6(f)所示。
[0076]
s508、以不同环型光刻胶为掩膜，刻蚀对应环形中间的介质，刻蚀到绝缘层4和第
一层阳极金属501为止，形成自内而外呈一定斜坡角度或呈台阶状分布的场板终端。
[0077]
本发明实施例依次以不同环型光刻胶为掩膜，比如较大直径、中等直径和较小直径的光刻胶为掩膜，干法或湿法刻蚀对应环形(较大直径、中等直径和较小直径)中间的场板终端介质，刻蚀到绝缘层4和第一层阳极金属501为止，依次形成自内而外呈一定斜坡角度或呈台阶状分布的场板终端，如图6(g)～6(i)所示。
[0078]
这里，只是示意了台阶状分布的场板终端6的形成，对于呈一定斜坡角度，比如8.5
°
～10
°
的斜场板结构制备过程类似，在此不再赘述。
[0079]
s509在第一层阳极金属501、绝缘层4，以及部分场板终端6的上表面继续生长第二层阳极金属502形成最终的阳极5。
[0080]
本发明实施例中，在第一场板终端6的上表面旋涂光刻胶作为掩膜，采用真空蒸发或者电子束蒸发的方法在在第一层阳极金属501、绝缘层4，以及部分场板终端6的上表面继续沉积金属为ni/au的第二阳极金属502，由第一层阳极金属501和第二阳极金属502共同形成本发明实施例最终的阳极5。如图6(j)所示。
[0081]
需要说明的是，整个工艺过程中，并未明确重复生长一定斜坡角度或呈台阶状分布的场板终端的厚度参数，具体根据实际情况设计。
[0082]
对于第二方面的方法实施例而言，由于其基本相近于第一方面的结构实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见第一方面的结构实施例的部分说明即可。
[0083]
本发明实施例提出的热电优化设计的沟槽mos型氧化镓功率二极管制作方法，充分从优化器件结构设计和版图布局角度出发：一方面采用了优化的呈一定斜坡角度或呈台阶状分布的斜场板终端技术和沟槽结构，极大缓解了肖特基结部分的电场集边效应、器件常温和高温下的反向漏电，使器件在兼顾低开启电压v
on
和高瞬时电流if的同时，有效的提升击穿电压能力，实验表明本发明设计的mosβ-ga2o3二极管的耐压值可以达到1700v；另一方面综合考虑了mosβ-ga2o3二极管的鳍栅(fin)宽度、沟槽宽度、沟槽数量、电流密度及其在不同晶相热特性(热导率不同)的多沟槽设计技术和版图布局的设计权衡，最大程度的从器件结构本身和版图布局角度优化了大电流mosβ-ga2o3二极管热电特性，提出了该类热敏感器件热电协同设计技术的新型实用思路；本发明实施例重点关注于器件结构本身的优化设计，与现有器件生产工艺兼容，不存在工艺实现上的技术阻碍，且不会像前述热管理策略一样衍生其他异质集成和先进封装的过高成本，保证了基于氧化镓材料的高压大功率器件低成本的潜在优势。
[0084]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0085]
尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看说明书及其附图，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在说明书中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的实施例中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
[0086]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定
本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。