具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构的制作方法

1.本发明涉及半导体功率集成电路技术的领域，更具体的说是涉及具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构。


背景技术：

2.氮化镓是第三代宽禁带半导体的代表之一，正受到人们的广泛关注，其优越的性能主要表现在：高的临界击穿电场、高电子迁移率、高的二维电子气浓度、高的高温工作能力。gan材料的禁带宽度高达3.4ev，3倍于si材料的禁带宽度，2.5倍于gaas材料，半导体材料的本征载流子浓度随禁带宽度和温度的增加而呈指数增长，因此，在一定的温度范围内，其半导体材料禁带宽度越大，便拥有越小的本征载流子浓度，这可以使器件具有非常低的泄漏电流。另外，氮化镓材料化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势。
3.基于algan/gan异质结的氮化镓功率半导体器件由于其低导通电阻、高击穿电压和高开关速度已经成为高效功率转换开关应用领域中的有力候选者。其中横向氮化镓肖特基势垒二极管(gan sbds)因其制造工艺流程能够与横向增强型氮化镓高电子迁移率晶体管的工艺流程相兼容而获得了广泛关注。理想的横向肖特基势垒二极管应当拥有低的开启电压，低的导通电阻，高的击穿电压以及低的反向泄露电流。
4.常规氮化镓横向肖特基势垒二极管由于肖特基接触从而具有较低的正向导通压降，即较低的正向开启电压，但同时也会带来较大的反向泄露电流和较低的反向击穿电压的问题。因此如何在保证氮化镓横向肖特基势垒二极管保持低开启电压和低导通电阻的同时，又改善其反向特性是现在业界所需要解决的问题之一。


技术实现要素：

5.本发明为了解决技术背景中提出的问题，提供具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构。该结构不仅具有肖特基势垒二极管的低开启电压和低导通电阻的优势，同时能够提高反向击穿电压，降低反向泄漏电流。
6.本发明通过如下技术方案实现：提供具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构，基于gan-on-si外延片，gan-on-si外延片具有gan沟道层和钝化层，且钝化层位于gan沟道层的上方，其特征在于，在钝化层的顶部设有高k介质层，在gan-on-si外延片的顶部一侧设有阳极肖特基金属电极，另一侧设有阴极欧姆金属电极，所述的阳极肖特基金属电极底部延伸至gan沟道层中，所述的阳极肖特基金属电极向所述的阴极欧姆金属电极所在方向延伸构成金属场板，所述的金属场板与所述的高k介质层和sin钝化层共同构成混合高k介质场板。
7.优选的，所述的gan-on-si外延片还包括algan势垒层，所述的势垒层位于gan沟道层和钝化层之间的部位。
8.优选的，所述的gan-on-si外延片从下到上还依次包含p型si衬底、aln成核层、gan
缓冲层、gan沟道层，且所述的gan沟道层位于gan缓冲层的顶部。
9.优选的，所述高k介质层采用高介电材料制成。
10.优选的，所述高介电材料为al2o3、hfo2、zro2或batio3中的任意一种。
11.优选的，所述高k介质层的厚度为10nm~50nm。
12.优选的，所述钝化层采用si3n4材料制成。
13.优选的，所述钝化层的厚度为50nm~100nm。
14.提供一种上述具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构的制造工艺，包括如下步骤；s1：选用结构从下至上依次包含p型si衬底1、aln成核层2、gan缓冲层3、gan沟道层4、algan势垒层5以及sin钝化层6的gan-on-si外延片；s2：在gan-on-si外延片上刻蚀阴极欧姆电极区域，具体的，algan势垒层5与gan沟道层4之间具有异质结，在sf6+chf3或cl2+bcl3的环境中对异质结到sin钝化层6的部位刻蚀，刻蚀深度为500nm；s3：在刻蚀的阴极欧姆电极区域上依次淀积阴极欧姆金属层ti/al/ni/au，并迅速在n2环境中进行高温热退火形成欧姆接触。
15.s4：在sin钝化层6的顶部通过pelad淀积hfo2高k介质层7；s5：在gan-on-si外延片的阳极区域刻蚀进行，具体的，在sf6+chf3或cl2+bcl3的环境中刻蚀，并去除sin钝化层6和阴极上方的hfo2介质层，在刻蚀的阳极欧姆电极区域上，依次淀积ni/au金属层形成阳极肖特基接触和电极焊盘。
16.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明相对于传统横向氮化镓肖特基势垒二极管，设置的混合高k介质场板能有效屏蔽阳极肖特基接触处的电场，降低此处的电场峰值强度，而阳极肖特基接触处的电场峰值极大地影响了横向氮化镓肖特基势垒二极管反向耐压时产生的泄漏电流大小以及器件最终的反向击穿电压，同时采用高k介质也能有效降低器件表面电场强度，因此本发明能在保证低的开启电压、低的导通电阻的同时有效提高反向击穿电压以及降低反向泄漏电流。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
18.图1为本发明的非限制性结构示意图；图2为传统横向氮化镓肖特基势垒二极管结构示意图；图3为本发明的制造工艺流程示意图。
19.附图标记说明：1、p型si衬底，2、aln成核层，3、gan缓冲层，4、gan沟道层，5、algan势垒层，6、钝化层，7、高k介质层，8、阴极欧姆金属电极，9、阳极肖特基金属电极，10、金属场板。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本
发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
21.实施例1：如图1所示的具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构，基于gan-on-si外延片，gan-on-si外延片具有gan沟道层4和钝化层6，且钝化层6位于gan沟道层4的上方，在钝化层6的顶部设有高k介质层7，在gan-on-si外延片的顶部一侧设有阳极肖特基金属电极9，另一侧设有阴极欧姆金属电极8，所述的阳极肖特基金属电极9底部延伸至gan沟道层4中，所述的阳极肖特基金属电极9向所述的阴极欧姆金属电极8所在方向延伸构成金属场板10，所述的金属场板10与所述的高k介质层7和sin钝化层6共同构成混合高k介质场板；如图2所示的传统横向氮化镓肖特基二极管，在反向耐压时电场峰值集中在阳极肖特基势垒边缘，而此处的高电场强度会导致高的反向泄漏电流，影响器件可靠性乃至失效，本发明中的金属场板10和高k介质层7、钝化层6共同构成混合高k介质场板，能够屏蔽阳极肖特基势垒边缘的电场峰值，并且基于高斯定理，在同样的耐压下采用更高介电常数的介质材料能够有效减小产生的电场强度，进而能够承受更高的电压，因此具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管相较于传统氮化镓肖特基二极管在不损失正向导通特性的同时有效增加了反向耐压、降低了反向漏电。
22.优选的，所述的gan-on-si外延片还包括algan势垒层5，所述的势垒层5位于gan沟道层4和钝化层6之间的部位。
23.优选的，所述的gan-on-si外延片从下到上还依次包含p型si衬底1、aln成核层2、gan缓冲层3、gan沟道层4，且所述的gan沟道层4位于gan缓冲层3的顶部。
24.优选的，所述高k介质层采用高介电材料制成，且厚度为10nm~50nm，高介电材料为al2o3、hfo2、zro2或batio3中的任意一种。
25.优选的，所述钝化层6采用si3n4材料制成，且厚度为50nm~100nm。
26.具体的，传统横向肖特基二极管的耐压仅为150v左右，反向泄露电流高达1ma/mm；具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管的反向耐压可达到600v以上，为传统结构的4倍以上，反向泄露电流下降到1μa/mm以下，与传统结构相比至少减少了3个量级，与传统横向肖特基二极管相比性能提升。
27.实施例2：在实施例1的基础上，公开具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构的制造工艺，包括如下步骤；s1：选用结构从下至上依次包含p型si衬底1、aln成核层2、gan缓冲层3、gan沟道层4、algan势垒层5以及sin钝化层6的gan-on-si外延片；s2：在gan-on-si外延片上刻蚀阴极欧姆电极区域，具体的，algan势垒层5与gan沟道层4之间具有异质结，在sf6+chf3或cl2+bcl3的环境中对异质结到sin钝化层6的部位刻蚀，刻蚀深度为500nm；s3：在刻蚀的阴极欧姆电极区域上依次淀积阴极欧姆金属层ti/al/ni/au，并迅速在n2环境中进行高温热退火形成欧姆接触。
28.s4：在sin钝化层6的顶部通过pelad淀积hfo2高k介质层7；
s5：在gan-on-si外延片的阳极区域刻蚀进行，具体的，在sf6+chf3或cl2+bcl3的环境中刻蚀，并去除sin钝化层6和阴极上方的hfo2介质层，在刻蚀的阳极欧姆电极区域上，依次淀积ni/au金属层形成阳极肖特基接触和电极焊盘。
29.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构，基于gan-on-si外延片，gan-on-si外延片具有gan沟道层和钝化层，且钝化层位于gan沟道层的上方，其特征在于，在钝化层的顶部设有高k介质层，在gan-on-si外延片的顶部一侧设有阳极肖特基金属电极，另一侧设有阴极欧姆金属电极，所述的阳极肖特基金属电极底部延伸至gan沟道层中，所述的阳极肖特基金属电极向所述的阴极欧姆金属电极所在方向延伸构成金属场板，所述的金属场板与所述的高k介质层和sin钝化层共同构成混合高k介质场板。2.根据权利要求1所述的具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构，其特征在于，所述的gan-on-si外延片还包括algan势垒层，所述的势垒层位于gan沟道层和钝化层之间的部位。3.根据权利要求2所述的具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构，其特征在于，所述的gan-on-si外延片从下到上还依次包含p型si衬底、aln成核层、gan缓冲层、gan沟道层，且所述的gan沟道层位于gan缓冲层的顶部。4.根据权利要求1-3任一所述的具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构，其特征在于，所述高k介质层采用高介电材料制成。5.根据权利要求4所述的具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构，其特征在于，所述高介电材料为al2o3、hfo2、zro2或batio3中的任意一种。6.根据权利要求5所述的具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构，其特征在于，所述高k介质层的厚度为10nm~50nm。7.根据权利要求6所述的具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构，其特征在于，所述钝化层采用si3n4材料制成。8.根据权利要求7所述的具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构，其特征在于，所述钝化层的厚度为50nm~100nm。

技术总结
本发明公开了具有混合高k介质场板的横向氮化镓肖特基二极管结构，基于GaN-on-Si外延片，GaN-on-Si外延片具有GaN沟道层和钝化层，且钝化层位于GaN沟道层的上方，其特征在于，在钝化层的顶部设有高K介质层，在GaN-on-Si外延片的顶部一侧设有阳极肖特基金属电极，另一侧设有阴极欧姆金属电极，所述的阳极肖特基金属电极底部延伸至GaN沟道层中，所述的阳极肖特基金属电极向所述的阴极欧姆金属电极所在方向延伸构成金属场板，所述的金属场板与所述的高K介质层和SiN钝化层共同构成混合高K介质场板；本发明不仅具有肖特基势垒二极管的低开启电压和低导通电阻的优势，同时能够提高反向击穿电压，降低反向泄漏电流。降低反向泄漏电流。降低反向泄漏电流。


技术研发人员：余丽波 邓颖婷 郑崇芝
受保护的技术使用者：成都智达和创信息科技有限公司
技术研发日：2022.03.18
技术公布日：2022/5/25