專利名稱：垂直氮化鎵肖特基二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化鎵半導(dǎo)體器件，尤其是垂直氮化鎵肖特基二極管，形成在絕緣襯底上，隨后剝離。
背景技術(shù)：
肖特基二極管是利用金屬接觸半導(dǎo)體層制成的一種半導(dǎo)體器件。金屬和半導(dǎo)體層之間的結(jié)為整流結(jié)，其表征是通過自由載流子低于PN結(jié)的能量勢壘，以及與PN結(jié)中的雙極電流傳導(dǎo)相反的單極電流傳導(dǎo)。就這點來說，肖特基二極管開始電流傳導(dǎo)的正向偏壓小于普通的PN結(jié)二極管，但反向偏壓泄漏電流大于普通的PN結(jié)二極管。由于肖特基二極管為雙極器件，它們的開關(guān)速度通常大于PN結(jié)二極管。肖特基二極管對于開關(guān)損耗是主要的能耗來源的器件(例如開關(guān)模式電源(SMPS)來說，是非常理想的選擇。已知許多氮化物化合物半導(dǎo)體材料制成的電子器件。這種電子器件也稱為II1-氮半導(dǎo)體器件，正如基于III族氮材料制成的半導(dǎo)體器件。氮化物化合物半導(dǎo)體器件較寬的帶隙以及較高的擊穿電壓等優(yōu)良特性，使得它們非常適用于高壓和高溫器件。尤其是提出了一種具有高擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻的II1-V氮化鎵化合物半導(dǎo)體肖特基二極管。通過使用II1-氮半導(dǎo)體肖特基勢壘二極管，可以提高開關(guān)模式電源的效率。然而，氮化物半導(dǎo)體肖特基二極管與以硅襯底的肖特基二極管相比，具有明顯的不足。以硅襯底的肖特基二極管采用垂直傳導(dǎo)路徑，而氮化物肖特基二極管經(jīng)常依賴水平傳導(dǎo)路徑。這是因為，氮化物半導(dǎo)體器件通常形成在絕緣襯底和/或絕緣緩沖層上方，絕緣緩沖層外延生長在導(dǎo)電或非導(dǎo)電襯底上。因此，肖特基二極管的陽極和陰極都形成在器件的頂面上，與襯底相對，形成水平傳導(dǎo)器件。當器件正向偏置時，由于正向電流必須流經(jīng)一段相當長的傳導(dǎo)路徑，并且產(chǎn)生非均勻的電流分布，因此帶有水平傳導(dǎo)路徑的肖特基二極管具有較高的接通電阻。更確切地說，氮化物半導(dǎo)體器件通常作為生長在襯底材料上的外延層，襯底材料包括硅、藍寶石、碳化硅以及降壓氮化鎵襯底。雖然在大塊氮化鎵結(jié)晶襯底上生長氮化鎵層的效果最好，但是降壓氮化鎵襯底所用的材料非常昂貴，大多數(shù)的電子器件使用大塊氮化鎵襯底并不現(xiàn)實。碳化硅襯底也是如此。同時，盡管硅襯底是成本最低的材料，但是由于氮化鎵外延層和硅襯底之間的晶格失配很顯著，因此在硅襯底上生長一個氮化鎵層的所產(chǎn)生的效果很差。藍寶石襯底對于氮化物半導(dǎo)體器件來說，是很好的選擇，其成本較低，大量使用于LED制備和充分的晶格匹配，形成高質(zhì)量的外延層。因此，建立在絕緣藍寶石襯底上的氮化鎵半導(dǎo)體器件為水平傳導(dǎo)器件或準垂直傳導(dǎo)器件。在絕緣藍寶石襯底上制備垂直傳導(dǎo)的氮化鎵器件存在許多困難與挑戰(zhàn)。此外，可靠的氮化鎵半導(dǎo)體器件需要有效的端接結(jié)構(gòu)，降低陽極電極邊緣處的電場擁擠效應(yīng)，尤其是高壓器件。傳統(tǒng)的端接結(jié)構(gòu)包括P-型保護環(huán)，在氮化鎵肖特基二極管的陽極端有場板結(jié)構(gòu)。然而，由于氮化物半導(dǎo)體器件本身具有很寬的帶隙，利用傳統(tǒng)的植入和退火工藝，難以形成退火的或激活的P-型區(qū)。因此，用于氮化物半導(dǎo)體器件的傳統(tǒng)的保護環(huán)結(jié)構(gòu)，并不能被激活。美國專利號7，229，866提出了一種在傳導(dǎo)和非傳導(dǎo)襯底上制備氮化鎵肖特基二極管，還提出了使用未激活的保護環(huán)。制備未激活的保護環(huán)是通過離子植入到半導(dǎo)體接觸層中，在半導(dǎo)體接觸層中植入?yún)^(qū)并沒有完全退火，植入的粒子未被激活。植入?yún)^(qū)構(gòu)成一個高阻抗區(qū)，嵌入的缺陷密度使運行時的可靠性變差。

發(fā)明內(nèi)容
依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管包括一個第一導(dǎo)電類型的氮化物半導(dǎo)體襯底；一個形成在氮化物半導(dǎo)體襯底正面的第一金屬層，構(gòu)成一個肖特基結(jié),第一金屬層構(gòu)成肖特基二極管的陽極電極；一個形成在第一屬層上的第二金屬層；一個形成在氮化物半導(dǎo)體襯底背面的第三金屬層，第三金屬層同半導(dǎo)體襯底構(gòu)成歐姆接觸，形成肖特基二極管的陰極電極；一個形成在第二金屬層上的焊錫球；以及一個形成在氮化物半導(dǎo)體襯底正面的晶圓級成型層，晶圓級成型層封裝第二金屬層和至少一部分焊錫球。肖特基二極管具有一個來自焊錫球的垂直電流通路，穿過陽極電極和肖特基結(jié)，一直到陰極電極。在另一個實施例中，一種用于垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管的制備方法包括制備絕緣襯底；在絕緣襯底上制備第一導(dǎo)電類型的氮化物半導(dǎo)體襯底；在氮化物半導(dǎo)體襯底正面制備一個第一金屬層，構(gòu)成一個肖特基結(jié)，第一金屬層構(gòu)成肖特基二極管的陽極電極；在第一金屬層上制備一個第二金屬層；在第二金屬層上制備一個焊錫球；在氮化物半導(dǎo)體襯底正面制備一個晶圓級成型層，晶圓級成型層封裝第二金屬層和至少一部分焊錫球；將絕緣襯底與半導(dǎo)體襯底分開，使氮化物半導(dǎo)體襯底背面裸露出來；并且在以氮基礎(chǔ)的半導(dǎo)體襯底裸露的表面制備一個第三金屬層，第三金屬層同半導(dǎo)體襯底構(gòu)成歐姆接觸，形成肖特基二極管的陰極電極。肖特基二極管具有一個來自焊錫球的垂直電流通路，穿過陽極電極和肖特基結(jié)，一直到陰極電極。閱讀以下詳細說明并參照附圖之后，將更好地理解本發(fā)明。


圖1表示依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種垂直氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。圖2表示依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，用于摻雜氮化鎵肖特基二極管的制備工藝的流程圖。圖3 (a)-3 (m)表示依據(jù)本發(fā)明的實施例，在圖2所示制備工藝的中間過程中，垂直氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。圖4表不依據(jù)本發(fā)明的一個實施例,一種以娃襯底的PN結(jié)二極管的剖面圖。圖5表不依據(jù)本發(fā)明的一個實施例,一種用于制備氮化鎵肖特基二極管和以娃襯底的PN結(jié)二極管的并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖5 (a)表示圖5所示結(jié)構(gòu)的等效電路圖。圖6表示依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，引入端接結(jié)構(gòu)的氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。圖7表示依據(jù)本發(fā)明的一個可選實施例，引入端接結(jié)構(gòu)的氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。圖8表示依據(jù)本發(fā)明的一個第二可選實施例，引入端接結(jié)構(gòu)的氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。圖9 (a) -9 (f)表示依據(jù)本發(fā)明的實施例，在圖8所示的端接結(jié)構(gòu)的制備工藝中間過程中，垂直氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。圖10表示依據(jù)本發(fā)明的一個第三可選實施例，弓I入端接結(jié)構(gòu)的氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。圖11表示依據(jù)本發(fā)明的一個第四可選實施例，弓丨入端接結(jié)構(gòu)的氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。
具體實施例方式依據(jù)本發(fā)明的原理，利用絕緣襯底制備垂直傳導(dǎo)的氮化物化合物半導(dǎo)體肖特基二極管(“垂直氮化物肖特基二極管”)，在帶有甲氧基成型混料的正面，封裝二極管器件之后，升高絕緣襯底。晶圓級成型混料在二極管器件的正面提供結(jié)構(gòu)支撐，使絕緣襯底升高，從而在二極管器件的表面形成一個導(dǎo)電層，作為陰極電極。這樣就實現(xiàn)了垂直傳導(dǎo)的氮化物肖
特基二極管。依據(jù)本發(fā)明的另一方面，氮化物肖特基二極管的端接結(jié)構(gòu)包括一個保護環(huán)，它的制備是通過外延生長P-型氮化物化合物半導(dǎo)體層以及形成在保護環(huán)上的電介質(zhì)場板。端接結(jié)構(gòu)形成在肖特基二極管的陽極電極邊緣處，具有較低陽極邊緣處電場擁擠的效果，尤其是當肖特基二極管反向偏置時。在一個實施例中，P-型外延層包括一個凹陷工藝，從而進一步提高端接結(jié)構(gòu)的場擴散效應(yīng)。最終，依據(jù)本發(fā)明的另一方面，垂直氮化鎵肖特基二極管的保護電路采用一個以硅襯底的垂直PN結(jié)二極管并聯(lián)到氮化鎵肖特基二極管上，以轉(zhuǎn)移反向偏置雪崩電流。在以下說明中，“氮化物化合物半導(dǎo)體”或“II1-氮化合物半導(dǎo)體”一詞是指形成在氮和元素周期表III族元素(通常為鋁、鉀和銦)之間的那些II1-V化合物半導(dǎo)體材料。該詞也指三相和三元化合物，例如氮化鋁鎵和氮化鋁銦鎵。氮化物化合物半導(dǎo)體肖特基二極管比較適用的材料包括氮化鎵和Al氮化鎵。在以下說明中，利用鉀-氮(GaN)化合物半導(dǎo)體制備的肖特基二極管有時也稱為“氮化鎵肖特基二極管”。然而，利用氮化鎵作為氮化物半導(dǎo)體材料僅用于解釋說明，可以利用已知或?qū)⒁邪l(fā)其他的II1-V化合物半導(dǎo)體材料，制備本發(fā)明所述的氮化物化合物半導(dǎo)體肖特基二極管。垂直氮化鎵肖特基二極管
圖1表示依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種垂直氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。參見圖1，利用氮化物化合物半導(dǎo)體襯底14和與肖特基金屬層24，制備垂直氮化鎵肖特基二極管10。在本發(fā)明的實施例中，通過一個或多個氮化鎵半導(dǎo)體層，制備氮化物化合物半導(dǎo)體襯底14，一個或多個氮化鎵半導(dǎo)體層通常為N-型導(dǎo)電類型，但摻雜濃度不同。肖特基結(jié)形成在肖特基金屬層24和N-型氮化鎵襯底14的結(jié)處。氮化鎵肖特基二極管10的陽極端形成在器件結(jié)構(gòu)的正面，而陰極端形成在器件結(jié)構(gòu)的背面，產(chǎn)生垂直電流，實現(xiàn)了垂直傳導(dǎo)的肖特基二極管器件。更確切地說，通過焊錫球35，制備氮化鎵肖特基二極管10的陽極電極，焊錫球35形成在器件結(jié)構(gòu)正面的肖特基金屬層24上的結(jié)合金屬層30上。在陽極端的邊緣處，可以通過鈍化層32，使肖特基金屬層24和結(jié)合金屬層30鈍化。通過晶圓級成型混料36，封裝氮化鎵肖特基二極管10的正面，包括形成在上面的陽極電極，為氮化鎵肖特基二極管10提供結(jié)構(gòu)支撐，從而除去絕緣襯底，氮化鎵襯底14最初就形成在絕緣襯底上，這將在下文中詳細介紹。通過形成在器件結(jié)構(gòu)背面的陰極金屬層50，制備氮化鎵肖特基二極管10的陰極電極，陰極金屬層50與氮化鎵襯底14電接觸。從陽極電極到陰極電極的二極管電流通路垂直穿過氮化鎵肖特基二極管10，從焊錫球35到陰極金屬層50。在本說明中，一個或多個垂直氮化鎵肖特基二極管(器件I和器件2)形成在公共氮化鎵襯底14上。二極管器件并聯(lián)，作為一個肖特基二極管陣列。還可選擇，在一個實施例中，單獨使用氮化鎵肖特基二極管，作為單獨的垂直傳導(dǎo)肖特基二極管。例如，圖1中的肖特基二極管器件I和肖特基二極管器件2可以在它們之間的鈍化層32處分開。參見圖2和圖3 (a) - (3m)，下文將詳細介紹圖1所示的垂直氮化鎵肖特基二極管10的制備工藝。圖2表示依據(jù)本發(fā)明的實施例，圖1所示的垂直氮化鎵肖特基二極管制備工藝的流程圖。圖3 (a)-3 (m)表示依據(jù)本發(fā)明的實施例，圖2所示的垂直氮化鎵肖特基二極管制備工藝的中間步驟的剖面圖。參見圖2和圖3 (a) -3 (m)，制備過程從制備絕緣襯底12開始，并在絕緣襯底12上制備氮化鎵半導(dǎo)體襯底14 (步驟102)，如圖3 Ca)所示。在本實施例中，絕緣襯底102為藍寶石襯底。此外，在本實施例中，氮化鎵半導(dǎo)體襯底14包括一個重摻雜的N-型氮化鎵層16 (“n++氮化鎵層16”)形成在藍寶石襯底12上，以及一個輕摻雜的氮化鎵層18 (“n-氮化鎵層18”)形成在重摻雜的氮化鎵層16上。本發(fā)明所述的制備工藝使用藍寶石襯底制備氮化鎵肖特基二極管，利用的是藍寶石與氮化鎵層的晶格非常匹配，藍寶石的材料成本也比較合理，從而構(gòu)成高質(zhì)量的氮化鎵層。通過制備氮化鎵肖特基二極管的端接結(jié)構(gòu)，進行制備工藝(步驟104 )。端接結(jié)構(gòu)用于抑制陽極電極邊緣處形成的電場擁擠。傳統(tǒng)的端接結(jié)構(gòu)包括P-型保護環(huán)結(jié)構(gòu)或電介質(zhì)場板結(jié)構(gòu)，形成在陽極電極的周圍。端接結(jié)構(gòu)的作用是重新分配陽極電極端接區(qū)的電場，從而增加肖特基二極管器件的擊穿電壓。在本實施例，端接結(jié)構(gòu)所采用的是P-型保護環(huán)和電介質(zhì)場板。使用P-型保護環(huán)和電介質(zhì)場板作為端接結(jié)構(gòu)僅用于解釋說明。已知或?qū)⒁邪l(fā)的其他端接結(jié)構(gòu)，可以用于本發(fā)明所述的氮化鎵肖特基二極管。為了制備P-型保護環(huán)，要在氮化鎵半導(dǎo)體襯底14 (圖3 (a))上形成光致抗蝕劑圖案40。更確切地說，是在n-氮化鎵層18的頂面上形成光致抗蝕劑圖案40。然后，利用光致抗蝕劑圖案40作為掩膜，進行P-型摻雜物的離子注入工藝。注入后，在n-氮化鎵層18的頂面上形成一個P-型區(qū)20，作為保護環(huán)，如圖3 (b)所示。在圖3 (b)中的剖面圖中，所表示的P-型保護環(huán)20形成在n-氮化鎵層18的兩邊。在實際器件中，P-型保護環(huán)20包圍著氮化鎵肖特基二極管的陽極電極，以抑制沿陽極電極整個邊緣的電場擁擠。在后續(xù)處理中，P-型保護環(huán)20可以被或不被激活或退火。形成P-型保護環(huán)20之后，除去抗蝕劑圖案，在n-氮化鎵層18的表面上方沉積一個氧化硅層22 (圖3 (b))。形成氧化硅層22的圖案，限定陽極電極的開口，也制備電介質(zhì)場板作為端接結(jié)構(gòu)的一部分(圖3 (C))。然后，在n-氮化鎵層18的頂面上沉積一個肖特基金屬層24，并形成圖案，制備帶有輕摻雜氮化鎵層18的肖特基結(jié)(步驟106)，如圖3 (d)所示。用于制備肖特基結(jié)的肖特基金屬層 24 可以從 N1、Pt、Au、Co、Pd、Cr、Rh、Re、PtS1、V、W、WSi 和 NiSi 中選取。肖特基金屬層24也可以是一種化合物或由本族金屬制成的合金，例如Ni/Au。然后，在肖特基金屬層24上方沉積一個第二氧化硅層26，并形成圖案，限定陽極電極的一個開口，也使肖特基金屬層的邊緣鈍化，如圖3 (e)所示。氧化硅層26還用于端接結(jié)構(gòu)一個額外的場板層。然后，在肖特基金屬層24的頂面上沉積一個結(jié)合金屬層30，并形成圖案，制備陽極電極的結(jié)合墊(步驟108)，如圖3 (f)所示。在結(jié)合金屬上沉積一個鈍化層32 (例如聚酰亞胺層)，并形成圖案，限定結(jié)合墊的一個開口，而鈍化層32保護了氮化鎵肖特基二極管的邊緣區(qū)域，如圖3 (g)所示。因此，氮化鎵肖特基二極管形成在絕緣藍寶石襯底12上。在本發(fā)明的實施例中，重摻雜氮化鎵層16的厚度約為1-3 u m,摻雜濃度約為I X IO18-X IO19Cm-3,輕摻雜氮化鎵層18的厚度約為3-20 iim，摻雜濃度約為l-2X1014_17cm_3。在本發(fā)明的實施例中，肖特基金屬層為Ni/Au層，結(jié)合金屬層30為Ti/Al層。為了利用像圖3 (g)中的器件結(jié)構(gòu)，制備垂直傳導(dǎo)的氮化鎵肖特基二極管，要除去絕緣藍寶石襯底12，從而形成背面陰極電極。依據(jù)本發(fā)明的實施例，晶圓級封裝層形成在器件結(jié)構(gòu)正面，封裝層作為支撐層，在除去絕緣藍寶石襯底12之后，確保安全高效地處理器件結(jié)構(gòu)。在晶圓封裝層中形成陽極電極的電連接，打通晶圓封裝層下方到肖特基二極管陽極的連通性。因此，參見圖3 (h)，在結(jié)合金屬墊30上形成一個焊錫球35 (步驟110)。利用焊錫球35，形成到陽極電極的電連接。然后，如圖3 (i)所示，在器件結(jié)構(gòu)的正面形成一個晶圓級封裝層36 (步驟112)。在一個實施例中，晶圓級封裝層36為一個晶圓級成型層，可以利用集成電路的成型混料(例如環(huán)氧樹脂成型混料)制備。晶圓級型層36部分覆蓋焊錫球35。然后，對圖3 (i)中器件結(jié)構(gòu)的正面進行機械拋光，使焊錫球35突出到成型層36外面的部分平整化(步驟114)。從而如圖3 (j)所示，形成了氮化鎵肖特基二極管平整的正面。陽極電極穿過平整的焊錫球35。在本發(fā)明的實施例中，可以利用銅夾或其他連接技術(shù)，形成到氮化鎵肖特基二極管陽極的電連接。肖特基器件結(jié)構(gòu)的正面完成后，成型層36作為一個支撐層，使器件結(jié)構(gòu)的絕緣藍寶石襯底12從氮化鎵半導(dǎo)體襯底上除去，從而裸露出氮化鎵半導(dǎo)體襯底14的底面。實際上，在公共藍寶石襯底上的氮化鎵肖特基二極管器件陣列上，使用的是晶圓級封裝層。因此，晶圓級成型層36作為晶圓傳送，以便使氮化鎵半導(dǎo)體襯底薄膜從結(jié)合的襯底上分離下來后，傳送氮化鎵半導(dǎo)體襯底薄膜。在本發(fā)明的實施例中，利用激光剝離工藝，從氮化鎵半導(dǎo)體襯底上分離藍寶石襯底12 (步驟116)，如圖3 (k)所示。Cheung等人提出的美國專利號6，071，795的專利中，提出了一種從氮化鎵薄膜上分離藍寶石襯底的激光剝離方法，特此引用其全文，以作參考。在一個實施例中，用掃描的激光束照射藍寶石襯底12，藍寶石并不吸收所用波長。激光照射束穿過藍寶石襯底12，照向氮化鎵半導(dǎo)體襯底14和藍寶石襯底12之間的交界面。優(yōu)化激光照射能量，使其在交界面處或交界面周圍區(qū)域中被吸收，所吸收的照射能量降低了交界面處氮化鎵半導(dǎo)體襯底14的分解，從而使藍寶石襯底12與器件結(jié)構(gòu)分離。
裸露出氮化鎵半導(dǎo)體襯底14的背面后，在氮化鎵半導(dǎo)體襯底14的表面形成一個陰極金屬層50 (步驟118)，如圖3 (I)所示。陰極金屬層50形成到氮化鎵半導(dǎo)體襯底14的歐姆接觸，并作為氮化鎵肖特基二極管的陰極電極。更確切地說，陰極金屬層50同重摻雜的N-型氮化鎵層16形成歐姆接觸。用于形成歐姆接觸的陰極金屬層可以從Al、AlS1、Ti, TiSi, Mo 和 MoSi 中選取。因此所形成的垂直氮化鎵肖特基二極管10，穿過形成在器件結(jié)構(gòu)正面的焊錫球35，接入陽極電極，穿過器件結(jié)構(gòu)的背面，接入陰極電極。從而在氮化鎵肖特基二極管10中，形成從陽極到陰極的垂直電流通路。如上所述，實際上，垂直氮化鎵肖特基二極管的一個陣列(例如器件I和器件2)形成在一個公共襯底上。激光剝離公共襯底之后，垂直氮化鎵肖特基二極管陣列仍然形成在公共氮化鎵半導(dǎo)體襯底14和晶圓級成型層36上。垂直氮化鎵肖特基二極管的陣列可以一起使用，或者在單獨的氮化鎵肖特基二極管中分開。在本發(fā)明的可選實施例中，垂直氮化鎵肖特基二極管60的陽極金屬層62形成在晶圓級成型層36和平整的焊錫球35上方，形成可結(jié)合的頂面。當垂直氮化鎵肖特基被分成單獨的二極管器件時，陽極金屬層62作為金屬結(jié)合墊，使陽極連接到封裝中的結(jié)合引線上。二極管保護電路
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，上述垂直氮化鎵肖特基二極管與垂直的以硅為襯底的PN結(jié)二極管并聯(lián)，作為一個保護電路。即使具有設(shè)計良好的端接結(jié)構(gòu)，氮化鎵肖特基二極管在雪崩擊穿方面的承受性也非常有限。擊穿電壓較低的以硅為襯底的PN結(jié)二極管與氮化鎵肖特基二極管并聯(lián)，作為保護電路。當?shù)壭ぬ鼗O管正向偏置時，以硅為襯底的PN結(jié)二極管并不傳導(dǎo)。但是以硅為襯底的PN結(jié)二極管在電壓較低時擊穿，從而使反向偏置雪崩電流轉(zhuǎn)向。圖4表不依據(jù)本發(fā)明的一個實施例,一種以娃為襯底的PN結(jié)二極管的剖面圖。以硅為襯底的PN結(jié)二極管700形成在N+襯底704上的N-閉鎖層702的頂面上。P-型區(qū)708形成在N斷流層的頂面上。電介質(zhì)場板710形成在由P-型區(qū)708構(gòu)成的陽極區(qū)的邊緣附近。在本實施例中，多晶硅PN結(jié)二極管712形成在場板710上。然后，利用絕緣電介質(zhì)層714使PN結(jié)二極管的邊緣鈍化。形成電介質(zhì)層714的圖案，使陽極金屬層716歐姆接觸到P-型區(qū)708和多晶硅二極管712的P+區(qū)。還提供到多晶硅二極管712的N+區(qū)的金屬接觸718。最后，在N+襯底704的背面形成一個陰極金屬層706，以制備摻雜PN結(jié)二極管的陰極電極。因此，單獨的垂直硅PN結(jié)二極管(Dl)可以與垂直氮化鎵肖特基二極管(SDl)匹配，作為肖特基二極管的保護電路，如圖5所示。摻雜氮化鎵肖特基二極管(SDl)以及垂直硅PN結(jié)二極管(Dl)可以形成在公共金屬墊850上，作為陰極端。肖特基二極管SDl和PN結(jié)二極管Dl的陽極電極可以通過引線接合，連接到公共金屬墊852上。在這種情況下，如圖5 (a)所示，形成并聯(lián)的肖特基二極管以及PN結(jié)二極管。當肖特基二極管反向偏置時，PN結(jié)二極管為氮化鎵肖特基二極管提供保護。肖特基二極管端接結(jié)構(gòu)
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，以氮為襯底的肖特基二極管的端接結(jié)構(gòu)包括一個P-型氮化物化合物半導(dǎo)體外延層(“P-型外延層”)作為一個保護環(huán)，以及一個形成在外延層上的電介質(zhì)場板。P-型外延層和電介質(zhì)場板形成在氮化鎵肖特基二極管陽極電極的邊緣上，用于擴散該區(qū)域的電場，從而降低陽極電極邊緣的電場濃度。更重要的是，充分激活通過外延工藝形成的P-型外延層，更加有效地保護環(huán)在擴散電場方面。在一個實施例中，P-型外延層包括后退一步，以便進一步提高端接結(jié)構(gòu)的場擴散效應(yīng)。當?shù)壭ぬ鼗O管上使用端接結(jié)構(gòu)時，端接結(jié)構(gòu)確保陽極電極邊緣處最優(yōu)的電場結(jié)構(gòu)，從而提高肖特基二極管的可靠性。此外，由于ns (非箝位電感式開關(guān))性能，端接結(jié)構(gòu)使氮化鎵肖特基二極管更加堅固耐用。圖6表示依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，引入端接結(jié)構(gòu)的氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。參見圖6，氮化鎵肖特基二極管200為形成在氮化鎵半導(dǎo)體襯底上的垂直傳導(dǎo)的氮化鎵肖特基二極管，包括一個輕摻雜的N-型氮化鎵層(n-氮化鎵)204以及一個重摻雜的N-型氮化鎵層(n++氮化鎵)202。氮化鎵肖特基二極管200包括一個形成在輕摻雜N-型氮化鎵層204上方的肖特基金屬層206，以構(gòu)成陽極電極。肖特基結(jié)形成在肖特基金屬層206和n-氮化鎵層204之間的交界面處。陰極金屬層220形成在重摻雜的N-型氮化鎵層202表面上，以構(gòu)成陰極電極。在本發(fā)明的實施例中，參見圖2和3 (a)- (m)，利用上述制備垂直氮化鎵肖特基二極管的工藝，制備垂直氮化鎵肖特基二極管200。因此，垂直氮化鎵肖特基二極管200最初形成在絕緣襯底上，例如藍寶石，使用正面晶圓級成型層之后，剝?nèi)ソ^緣襯底。然后，在n++氮化鎵層202的背面形成陰極金屬層，以構(gòu)成歐姆接觸。在本說明中，本發(fā)明所述的端接結(jié)構(gòu)形成在垂直氮化鎵肖特基二極管上。所用的垂直氮化鎵肖特基二極管僅用于解釋說明。本發(fā)明所述的端接結(jié)構(gòu)可以使用任意結(jié)構(gòu)的氮化鎵肖特基二極管，包括橫向、準橫向、或垂直傳導(dǎo)的二極管。氮化鎵肖特基二極管的準確結(jié)構(gòu)對于本發(fā)明的實施并非關(guān)鍵。在本發(fā)明的實施例中，氮化鎵肖特基二極管200的端接結(jié)構(gòu)210包括一個外延生長的P-型氮化物化合物半導(dǎo)體層(“P-型外延層”)212，電介質(zhì)場板214形成在上面。P-型外延層212形成在氮化鎵半導(dǎo)體襯底的頂面上(即n-氮化鎵層204的頂面上)以及陽極電極的邊緣處，包圍著肖特基金屬層206。在本發(fā)明的實施例中，P-型外延層212為P-型氮化鎵層。在一個實施例中，P-型氮化鎵外延層為利用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)工藝制備的一個外延生長層。在其他實施例中，可以使用其他外延工藝，制備P-型外延層212，包括分子束外延(MBE)以及氫化物氣相外延(HVPE)。在本發(fā)明的實施例中，端接結(jié)構(gòu)210包括形成在P-型外延層212上的電介質(zhì)場板214，以增強端接結(jié)構(gòu)的電場擴散性能。在一個實施例中，電介質(zhì)場板214為氮化硅層，通過數(shù)量“fpl”從P-型外延層212的底部拉回。此外，在本發(fā)明的實施例中，電介質(zhì)場板214后退一步，進一步提聞電場擴散效應(yīng)。在本實施例中，電介質(zhì)場板214包括步階凹陷，長度為“fp2”。在其他實施例中，可以通過一個或多個步階凹陷，實現(xiàn)氮化鎵肖特基二極管器件最優(yōu)的電場結(jié)構(gòu)。在制備工藝中，在沉積肖特基金屬層206之前，制備端接結(jié)構(gòu)210。當所沉積的肖特基金屬層形成圖案，構(gòu)成陽極電極時，肖特基金屬層206與電介質(zhì)場板214重疊“fp3”
在本發(fā)明的實施例中，P-型外延層212的摻雜濃度為I X 1017cnT3。在本發(fā)明的實施例中，P-型外延層212的厚度為tl，在一個實施例中，tl約為0.5至2Mm。電介質(zhì)場板214的厚度為t2，在一個實施例中，t2約為0.5-2Mm。在本發(fā)明的一個可選實施例中，氮化鎵肖特基二極管的端接結(jié)構(gòu)具有傾斜結(jié)構(gòu)，以改善電場結(jié)構(gòu)。圖7表示依據(jù)本發(fā)明的一個可選實施例，引入端接結(jié)構(gòu)的氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。參見圖7，氮化鎵肖特基二極管300的端接結(jié)構(gòu)310的制備方式，與圖6所示的端接結(jié)構(gòu)210類似，端接結(jié)構(gòu)310包括P-型外延層312和電介質(zhì)場板314。氮化鎵半導(dǎo)體襯底包括一個重摻雜的氮化鎵層(n++氮化鎵層)302以及一個輕摻雜的氮化鎵層(n-氮化鎵層)304。陰極金屬層320形成在重摻雜的N-型氮化鎵層302的背面，構(gòu)成陰極電極。然而，在本實施例中，P-型外延層312和電介質(zhì)場板314絕緣傾斜結(jié)構(gòu)，也就是一個光滑斜坡從P-型外延層312的底部開始延伸到電介質(zhì)場板314的頂部。該斜坡形成在端接結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上，面對肖特基金屬層306。端接結(jié)構(gòu)310的斜坡結(jié)構(gòu)有利于實現(xiàn)平滑電場結(jié)構(gòu)，從而具有最優(yōu)的擊穿性能。在本發(fā)明的另一個可選實施例中，氮化鎵肖特基二極管的端接結(jié)構(gòu)具有步階凹陷P-型外延層和電介質(zhì)場板。圖8表示依據(jù)本發(fā)明的第二可選實施例，引入端接結(jié)構(gòu)的氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。參見圖8，氮化鎵肖特基二極管400的端接結(jié)構(gòu)410的制備方式，與圖6所示的端接結(jié)構(gòu)210類似，端接結(jié)構(gòu)410包括一個P-型外延層412和一個電介質(zhì)側(cè)壁414。氮化鎵半導(dǎo)體襯底包括一個重摻雜的氮化鎵層(n++氮化鎵層)402和一個輕摻雜的氮化鎵層U-氮化鎵層)404。陰極金屬層420形成在重摻雜N-型氮化鎵層402的背面，構(gòu)成陰極電極。然而，在本實施例中，P-型外延層412和電介質(zhì)場板414具有步階凹陷結(jié)構(gòu)。更確切地說，P-型外延層412具有一個長度為“fpl”的步階凹陷，電介質(zhì)場板414具有一個長度為“fp2”的步階凹陷。P-型外延層412和電介質(zhì)場板414的步階凹陷結(jié)構(gòu)適用于陽極電極邊緣處的電場，從而降低了陽極電極邊緣處的電場擁擠。在本發(fā)明的實施例中，P-型外延層412的步階凹陷430的長度約為l-10Mm。制備端接結(jié)構(gòu)410的工藝包括在P-型外延層412中的步階凹陷，參見圖9 (a)至9 (f)，將在以下文字中介紹電介質(zhì)場板414。圖9 (a)至9 (f)表示依據(jù)本發(fā)明的實施例，在制備圖8所示的端接結(jié)構(gòu)的中間步驟時，氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。參見圖9 (a)至9(f)，氮化鎵肖特基二極管490包括一個形成在絕緣藍寶石襯底403上的氮化鎵半導(dǎo)體襯底。氮化鎵半導(dǎo)體襯底包括一個重摻雜的氮化鎵層(n++氮化鎵層)402以及一個輕摻雜的氮化鎵層(n-氮化鎵層)404。為了制備端接結(jié)構(gòu)，要在輕摻雜的氮化鎵層404上外延生長一個p_型氮化鎵層412。然后，在P-型氮化鎵外延層412上方，沉積一個氮化硅層440。在氮化硅層440上形成一個光致抗蝕劑圖案442，限定制備端接結(jié)構(gòu)的區(qū)域(圖9 (a))。然后，利用光致抗蝕劑圖案442作為掩膜，進行刻蝕工藝?？涛g工藝將氮化硅層440和P-型外延層412都向下刻蝕到P-型外延層中的步階凹陷深度，如圖中點劃線445所示(圖9 (b))。然后，利用另一個光致抗蝕劑圖案，覆蓋端接結(jié)構(gòu)，并將P-型外延層412向下刻蝕到n-氮化鎵層404 (圖9 (b))。在氮化硅層440、P-型外延層412以及n_氮化鎵層404的裸露表面上沉積肖特基金屬層406 (圖9 (C))。然后，在器件結(jié)構(gòu)上方，沉積第二個氮化硅層446，并形成圖案，在場板結(jié)構(gòu)中形成一個步階凹陷，如圖9 (d)所示。從而構(gòu)成了電介質(zhì)場板結(jié)構(gòu)414。在本實施例中，肖特基金屬層406形成在場板結(jié)構(gòu)的兩個氮化硅層440、446之間。在其他實施例中，可以在第二個氮化硅層446上方，制備肖特基金屬層406，如圖8所示。完成端接結(jié)構(gòu)410之后,沉積一個結(jié)合金屬層448,與肖特基金屬層406形成電接觸。形成結(jié)合金屬層448的圖案，構(gòu)成氮化鎵肖特基二極管490的陽極電極，如圖9 (e)所示。最后，通過鈍化層(例如聚酰亞胺層452)，使氮化鎵肖特基二極管的邊緣鈍化，如圖9Cf)所示。從而形成包括端接結(jié)構(gòu)410的氮化鎵肖特基二極管490。在圖9 (f)中，在絕緣藍寶石襯底403上制備氮化鎵肖特基二極管490，因此氮化鎵肖特基二極管490為橫向或準橫向二極管器件。肖特基二極管的陰極電極可以提到器件的正面，遠離陽極電極和端接結(jié)構(gòu)的位置上。在本發(fā)明的實施例中，當需要垂直氮化鎵肖特基二極管時，氮化鎵肖特基二極管可以制成一個垂直氮化鎵肖特基二極管，如圖8所示，參見上述圖2。首先封裝氮化鎵肖特基二極管490的正面，隨后激光剝離絕緣藍寶石襯底403，制備垂直氮化鎵肖特基二極管。然后，在n++氮化鎵層402的背面，沉積一個陰極金屬層，構(gòu)成背面陰極電極。從而形成了一個垂直氮化鎵肖特基二極管。在本發(fā)明的另一個可選實施例中，氮化鎵肖特基二極管的端接結(jié)構(gòu)包括多個保護環(huán)/場板結(jié)構(gòu)，以便進一步提高擊穿性能。圖10表示依據(jù)本發(fā)明的第三個可選實施例，引入端接結(jié)構(gòu)的氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。參見圖10，氮化鎵肖特基二極管500包括一個含有多個保護環(huán)/場板結(jié)構(gòu)550、560、570的端接結(jié)構(gòu)510。每個保護環(huán)/場板結(jié)構(gòu)都可以利用上述結(jié)構(gòu)制備，參見圖6、7和8。在本實施例中，利用圖8所示的步階凹陷結(jié)構(gòu)，制備保護環(huán)/場板結(jié)構(gòu)，在該處，P-型外延層和場板都含有步階凹陷，適用于電場結(jié)構(gòu)。在實際器件中，多個保護環(huán)/場板結(jié)構(gòu)550、560、570構(gòu)成同心外殼,包圍著肖特基金屬層構(gòu)成的陽極電極。多個保護環(huán)/場板結(jié)構(gòu)550、560、570通過進一步擴散電場，提高了氮化鎵肖特基二極管500的擊穿性能。在本發(fā)明的另一個可選實施例中，氮化鎵肖特基二極管包括一個端接結(jié)構(gòu)，在陽極電極的邊緣處，以及一個結(jié)勢壘二極管結(jié)構(gòu)，在肖特基結(jié)處，用于適應(yīng)肖特基結(jié)處的電場。圖11表示依據(jù)本發(fā)明的第四可選實施例，引入端接結(jié)構(gòu)的氮化鎵肖特基二極管的剖面圖。參見圖11，氮化鎵肖特基二極管600包括一個含有多個保護環(huán)/場板結(jié)構(gòu)650、660、670的端接結(jié)構(gòu)610。氮化鎵肖特基二極管600還包括一個結(jié)勢壘二極管680陣列，利用P-型外延層的島，形成在肖特基二極管結(jié)處。P-型外延層的島與n-氮化鎵層604相接觸，構(gòu)成一個結(jié)勢壘二極管陣列。結(jié)勢壘二極管的作用是沿n-氮化鎵層的頂面，形成耗盡區(qū)，以降低電荷濃度。從而提高氮化鎵肖特基二極管600的擊穿性能。在其他實施例中，可以使用帶有一個或多個保護環(huán)/場板結(jié)構(gòu)的結(jié)勢壘二極管680。使用帶有多個保護環(huán)/場板結(jié)構(gòu)的結(jié)勢壘二極管680僅用于解釋說明。上述詳細說明用于解釋說明本發(fā)明的典型實施例，并不作為局限。本發(fā)明范圍內(nèi)可能存在各種修正和變化。本發(fā)明的范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管，其特征在于，包括: 第一導(dǎo)電類型的氮化物半導(dǎo)體襯底； 第一金屬層，其形成在氮化物半導(dǎo)體襯底正面，構(gòu)成一個肖特基結(jié)，且所述的第一金屬層構(gòu)成肖特基二極管的陽極電極； 第二金屬層，其形成在第一金屬層上； 第三金屬層，其形成在氮化物半導(dǎo)體襯底背面，第三金屬層與氮化物半導(dǎo)體襯底構(gòu)成歐姆接觸，第三金屬層構(gòu)成肖特基二極管的陰極電極； 焊錫球，其形成在第二金屬層上；以及 晶圓級成型層，其形成在氮化物半導(dǎo)體襯底正面，晶圓級成型層封裝第二金屬層以及至少焊錫球的一部分， 所述的肖特基二極管具有一個從焊錫球穿過陽極電極和肖特基結(jié)，一直到陰極電極的垂直電流通路。
2.如權(quán)利要求1所述的垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管，其特征在于，所述的焊錫球平整到晶圓級成型層的頂面。
3.如權(quán)利要求1所述的垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管，其特征在于，所述的第一導(dǎo)電類型的氮化物半導(dǎo)體襯底包括: 第一導(dǎo)電類型的重摻雜氮化鎵層；以及 第一導(dǎo)電類型的輕摻雜氮化鎵層，其形成在重摻雜氮化鎵層上，其中，所述的第一金屬層形成在輕摻雜氮化鎵層的頂面上，`所述的第三金屬層形成在重摻雜氮化鎵層的背面上。
4.如權(quán)利要求1所述的垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管，其特征在于，還包括形成在第一金屬層邊緣處的端接結(jié)構(gòu)，配置該端接結(jié)構(gòu)可以降低陽極電極邊緣處的電場擁擠。
5.如權(quán)利要求4所述的垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管，其特征在于，所述的端接結(jié)構(gòu)包括: 一個含有第二導(dǎo)電類型的氮化物外延層，第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反，形成在第一金屬層邊緣處的氮化物半導(dǎo)體襯底的正面，所述的氮化物外延層具有一個步階凹陷，較薄的外延層部分朝向肖特基二極管的肖特基結(jié)設(shè)置；以及 一個電介質(zhì)場板，形成在氮化物外延層頂面上，電介質(zhì)場板延伸到氮化物外延層的步階凹陷。
6.如權(quán)利要求5所述的垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管，其特征在于，所述的氮化物外延層包括一個第二導(dǎo)電類型的氮化鎵層，所述的電介質(zhì)場板包括一個氮化硅層。
7.如權(quán)利要求5所述的垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管，其特征在于，所述的第一導(dǎo)電類型包括N-型導(dǎo)電類型，所述的第二導(dǎo)電類型包括P-型導(dǎo)電類型。
8.如權(quán)利要求4所述的垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管，其特征在于，所述的端接結(jié)構(gòu)包括: 一個由第二導(dǎo)電類型的植入?yún)^(qū)構(gòu)成的保護環(huán)，所述的第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反，保護環(huán)形成在第一金屬層的邊緣處的氮化物半導(dǎo)體襯底的頂面上；以及 一個電介質(zhì)場板，至少部分形成在植入?yún)^(qū)上，所述的電介質(zhì)場板從肖特基結(jié)附近的植入?yún)^(qū)末端被拉回。
9.如權(quán)利要求1所述的垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管，其特征在于，還包括一個形成在第二金屬層上的鈍化層，以便至少覆蓋第二金屬層的邊緣。
10.如權(quán)利要求1所述的垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管，其特征在于，所述的晶圓級成型層形成集成電路的成型化合物。
11.一種用于制備垂直傳導(dǎo)氮化物肖特基二極管的方法，其特征在于，包括: 制備絕緣襯底； 在絕緣襯底上，制備第一導(dǎo)電類型的氮化物半導(dǎo)體襯底； 在氮化物半導(dǎo)體襯底的正面，制備第一金屬層，以構(gòu)成肖特基結(jié)，第一金屬層構(gòu)成肖特基二極管的陽極電極； 在第一金屬層上制備一個第二金屬層； 在第二金屬層上制備一個焊錫球； 在氮化物半導(dǎo)體襯底上制備一個晶圓級成型層，晶圓級成型層封裝第二金屬層以及至少焊錫球的一部分； 將絕緣襯底與半導(dǎo)體襯底分開，使氮化物半導(dǎo)體襯底背面裸露出來；并且在氮化物半導(dǎo)體襯底裸露的背面上，制備一個第三金屬層，第三金屬層與半導(dǎo)體襯底形成歐姆接觸，第三金屬層構(gòu)成肖特基二極管的陰極電極， 其中肖特基二極管具有 一個從焊錫球穿過陽極電極和肖特基結(jié)，一直到陰極電極的垂直電流通路。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括: 將焊錫球平整到晶圓級成型層的頂面。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在絕緣襯底上制備一個第一導(dǎo)電類型的氮化物半導(dǎo)體襯底，包括: 在絕緣襯底上，制備一個第一導(dǎo)電類型的重摻雜氮化鎵層；并且 在重摻雜氮化鎵層上，制備一個第一導(dǎo)電類型的輕摻雜氮化鎵層， 其中第一金屬層形成在輕摻雜氮化鎵層的頂面上，除去絕緣襯底后，在重摻雜氮化鎵層的背面上，制備第三金屬層。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，將絕緣襯底與半導(dǎo)體襯底分開包括: 利用激光剝離技術(shù)，將絕緣襯底與半導(dǎo)體襯底分開。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括: 在第一金屬層邊緣處，制備一個端接結(jié)構(gòu)，配置該端接結(jié)構(gòu)可以降低陽極電極邊緣處的電場擁擠。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，制備所述端接結(jié)構(gòu)包括: 制備一個由第二導(dǎo)電類型的氮化物外延層構(gòu)成的保護環(huán)，第二導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型相反，在第一金屬層邊緣處的氮化物半導(dǎo)體襯底的正面，氮化物外延層具有一個步階凹陷，較薄的外延層部分朝向肖特基二極管的肖特基結(jié)設(shè)置；并且 在氮化物外延層頂面上，制備一個電介質(zhì)場板，電介質(zhì)場板延伸到氮化物外延層的步階凹陷。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，氮化物外延層包括一個第二導(dǎo)電類型的氮化鎵層，電介質(zhì)場板包括一個氮化硅層。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，第一導(dǎo)電類型包括N-型導(dǎo)電類型，第二導(dǎo)電類型包括P-型導(dǎo)電類型。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，還包括: 在第二金屬層上，制備一個鈍化層，以便至少覆蓋第二金屬層的邊緣。
20.一種電路封裝，其特征在于，包括: 一個垂直傳導(dǎo)的氮化鎵肖特基二極管，肖特基二極管具有一個陽極電極，形成在氮化物半導(dǎo)體襯底的正面，以及一個陰極電極，形成在氮化物半導(dǎo)體襯底的背面；以及 一個垂直傳導(dǎo)的娃PN結(jié)二極管,PN結(jié)二極管具有一個陽極電極，電連接到肖特基二極管的陽極電極，以及一個陰極電極，電連接到肖特基二極管的陰極電極， 肖特基二極管和PN結(jié)二 極管封裝在同一半導(dǎo)體封裝中，當肖特基二極管正向偏置時，PN結(jié)二極管并不傳導(dǎo)。
全文摘要
利用絕緣襯底，制備一種垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管，當肖特基二極管器件封裝在晶圓級成型化合物的正面后，剝?nèi)ソ^緣襯底。晶圓級成型化合物對二極管器件的正面提供結(jié)構(gòu)支撐，使絕緣襯底可以剝?nèi)?，從而在二極管器件的背面形成一個導(dǎo)電層，作為陰極電極，實現(xiàn)了垂直傳導(dǎo)的氮化物肖特基二極管。在另一個實施例中，垂直氮化鎵肖特基二極管的保護電路采用硅垂直PN結(jié)二極管與氮化鎵肖特基二極管并聯(lián)，以分流反向偏置雪崩電流。
文檔編號H01L29/872GK103107204SQ20121044342
公開日2013年5月15日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者朱廷剛, 安荷·叭剌, 黃平, 何約瑟 申請人:萬國半導(dǎo)體股份有限公司