一種三族氮化物肖特基勢(shì)壘二極管的生長(zhǎng)及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域，尤其涉及基于低缺陷密度三族氮化物三維結(jié)構(gòu)的肖特基勢(shì)皇二極管器件的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，半導(dǎo)體工業(yè)經(jīng)歷了第一代硅(Si)、鍺(Ge)元素半導(dǎo)體材料，第二代砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)化合物半導(dǎo)體材料，進(jìn)入了第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料時(shí)代。作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，三族氮化物材料(包括氮化銦、氮化稼、氮化鋁及其多元合金構(gòu)成)具有優(yōu)良的物理性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)。與目前絕大多數(shù)的半導(dǎo)體材料相比，三族氮化物材料具有禁帶寬度大、飽和漂移速度高、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)以及優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，使得它在高溫、高壓、高頻和大功率等電子器件領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景，并逐漸取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料在高溫、高功率器件上的應(yīng)用。此外，三族氮化物具有較大的能帶偏移量，使得利用制備出的異質(zhì)結(jié)、量子阱、超晶格等具有優(yōu)異的特性，對(duì)于發(fā)展新型半導(dǎo)體器件有重要意義。
[0003]基于三族氮化物材料在高頻和大功率器件方面的優(yōu)勢(shì)，使得三族氮化物材料成為半導(dǎo)體器件研宄領(lǐng)域的熱點(diǎn)。但是，由于三族氮化同質(zhì)單晶襯底材料的生長(zhǎng)十分困難，且價(jià)格昂貴，使得同質(zhì)外延生長(zhǎng)基本難以實(shí)現(xiàn)。目前，主要采用三種異質(zhì)襯底，通過(guò)外延生長(zhǎng)的方法獲得三族氮化物材料。第一種是在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)三族氮化物材料。但由于晶格失配和熱失配，使得三族氮化物材料的缺陷密度比較高，很難在大功率器件方面廣泛運(yùn)用。同時(shí)，藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱性較差，不利于散熱，進(jìn)一步限制了大功率器件的制備。此外，藍(lán)寶石具有較大的電阻，當(dāng)采用藍(lán)寶石做襯底時(shí)，極大地限制了器件在垂直導(dǎo)通結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。第二種是在SiC襯底上生長(zhǎng)三族氮化物材料。這種方法雖然具有較高的熱導(dǎo)率以及較小的缺陷密度，但SiC襯底價(jià)格昂貴，很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。第三種是采用Si作為襯底異質(zhì)外延三族氮化物材料。由于Si材料的制作工藝成熟，價(jià)格低廉，熱導(dǎo)性好，并且通過(guò)Si摻雜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低阻特性，這些優(yōu)良特性使得Si襯底三族氮化物電子器件的研宄受到越來(lái)越多科研工作者的關(guān)注。
[0004]肖特基勢(shì)皇二極管是利用金屬與半導(dǎo)體相接處形成具有整流特性的肖特基結(jié)的半導(dǎo)體器件。肖特基勢(shì)皇二極管是多數(shù)載流子器件，與普通PN結(jié)二極管相比，具有功耗低、開(kāi)關(guān)速度快、反向恢復(fù)電流小等優(yōu)點(diǎn)。然而傳統(tǒng)的Si基肖特基勢(shì)皇二極管已經(jīng)很難滿(mǎn)足人們對(duì)大功率器件的需求。因此，三族氮化物基肖特基勢(shì)皇二極管以其在高溫、高頻、高壓以及大功率方面的優(yōu)勢(shì)逐漸成為研宄熱點(diǎn)。
[0005]然而，肖特基勢(shì)皇二極管的電學(xué)特性與半導(dǎo)體材料自身的性質(zhì)有很大關(guān)系，由于晶格失配和熱失配等原因的影響，使得異質(zhì)外延三族氮化物基材料不可避免的存在較高密度的缺陷，這些缺陷使得三族氮化物基肖特基勢(shì)皇二極管在制備過(guò)程中不可避免的引入漏電通道，進(jìn)而大大的降低了肖特基二極管的性能。因此如何降低缺陷密度，尤其是材料表面的缺陷密度，成為制備三族氮化物基肖特基二極管以及大功率器件亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種制造反向漏電流低、耐壓高的大功率三族氮化物肖特基勢(shì)皇二極管的生長(zhǎng)及制備方法，該方法利用選擇區(qū)域外延三維結(jié)構(gòu)的三族氮化物材料具有較低缺陷密度的特點(diǎn)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種三族氮化物肖特基勢(shì)皇二極管的生長(zhǎng)及制備方法，肖特基接觸制備在選擇區(qū)域外延方法生長(zhǎng)出的三維結(jié)構(gòu)的低位錯(cuò)區(qū)，包括以下步驟:
步驟1:在襯底上沉積掩膜介質(zhì)層；
步驟2:在掩膜介質(zhì)層上選擇性刻蝕出用于選擇生長(zhǎng)的窗口 ；
步驟3:在窗口中外延生長(zhǎng)三維三族氮化物結(jié)構(gòu)；
步驟4:在三維三族氮化物結(jié)構(gòu)的側(cè)壁及掩膜介質(zhì)層的上表面沉積阻擋層；
步驟5:在三維三族氮化物結(jié)構(gòu)頂端的低位錯(cuò)區(qū)沉積肖特基接觸層；
步驟6:制作歐姆接觸電極，其制作方式為:在襯底的背面沉積金屬歐姆接觸層，該結(jié)構(gòu)具有縱向?qū)ㄌ匦裕蛟谧钃鯇由峡涛g通孔并沉積金屬歐姆接觸層，該結(jié)構(gòu)結(jié)合了縱向和橫向?qū)ㄌ匦浴?br>[0008]通過(guò)上述制備步驟，可以制備出具有插指結(jié)構(gòu)的肖特基勢(shì)皇二極管，該二極管兼顧橫向和縱向?qū)ㄌ匦?，此外，該肖特基?shì)皇二極管的金屬半導(dǎo)體接觸面具有較低的缺陷密度，同時(shí)表面缺陷是構(gòu)成肖特基勢(shì)皇二極管反向漏電的主要通道，因此制備的肖特基勢(shì)皇二極管能夠大大的改善器件的漏電，使得該器件具有高耐壓、低漏電等良好的電學(xué)特性。阻擋層位于三族氮化物三維結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和掩膜介質(zhì)層的上表面，防止三維結(jié)構(gòu)底端高位錯(cuò)區(qū)的側(cè)向漏電。
[0009]優(yōu)選的，當(dāng)在阻擋層(5)上刻蝕通孔(7)并沉積金屬歐姆接觸層(8)時(shí)，所述步驟5中沉積的肖特基接觸層還與阻擋層形成部分交疊，制備的肖特基勢(shì)皇二極管具有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，有效地避免了電流的集邊效應(yīng)，有利于導(dǎo)通更大的正向電流。
[0010]優(yōu)選的，當(dāng)歐姆接觸電極(8)位于襯底(I)的背面時(shí)，所述步驟5中沉積的肖特基接觸層覆蓋在包括三族氮化物三維結(jié)構(gòu)和阻擋層的整個(gè)上表面；其歐姆接觸電極的制作方式為在襯底的背面沉積金屬歐姆接觸層。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于沉積肖特基接觸層的過(guò)程中不必利用掩膜工藝，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程。
[0011]優(yōu)選的，底層襯底是S1、GaN、Zn0、AlN、Al203、金剛石或SiC體材料中任意一種，或在上述體材料襯底上生長(zhǎng)的單層或多層三族氮化物材料或ZnO材料形成的復(fù)合襯底材料。
[0012]優(yōu)選的，所述三族氮化物是A1N、GaN, InN或由不同組分的AlGaN、InGaN, AlInN,AlInGaN構(gòu)成的單層或復(fù)合層結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)方法為MOCVD、CVD、MBE或LPCVD方法。
[0013]優(yōu)選的，掩膜介質(zhì)層和阻擋層的材料選用Si02、SiN或Al2O3高阻特性材料，沉積方法選用PECVD或磁控濺射。
[0014]優(yōu)選的，所述窗口選用多邊形結(jié)構(gòu)或圓形結(jié)構(gòu)。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明公開(kāi)了一種厚膜、低缺陷密度、高耐壓的三族氮化物肖特基勢(shì)皇二極管(SBD)的生長(zhǎng)及制備方法，該三族氮化物SBD利用了選擇區(qū)域外延生長(zhǎng)的方法，其結(jié)構(gòu)由下到上依次包括:底層襯底，帶有選擇區(qū)域生長(zhǎng)窗口的介質(zhì)層，以及利用選擇性外延生長(zhǎng)獲得的三族氮化物三維結(jié)構(gòu)，用于防止漏電的側(cè)壁阻擋層，肖特基接觸層和歐姆接觸層。本發(fā)明利用選擇性外延生長(zhǎng)方法獲得的三維三族氮化物結(jié)構(gòu)具有大的厚度和更低的缺陷密度，使得SBD具有更低的反向漏電流和更高的反向擊穿電壓，同時(shí)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)多器件的并聯(lián)封裝，在大電流高耐壓SBD器件方面具有廣泛前景。利用選擇性外延生長(zhǎng)的三族氮化物三維結(jié)構(gòu)的頂端位錯(cuò)較底端位錯(cuò)低I至2個(gè)數(shù)量級(jí)，將肖特基電極沉積在頂端低位錯(cuò)區(qū)域能有效的降低肖特基接觸層的表面態(tài)密度，從而降低肖特基勢(shì)皇二極管的反向電流，提高耐壓特性，同時(shí)該肖特基勢(shì)皇二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)多器件的并聯(lián)封裝。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明的實(shí)施例1中的一種結(jié)合了縱向和橫向?qū)ńY(jié)構(gòu)的三族氮化物肖特基勢(shì)皇二極管的橫截面視圖。
[0017]圖2a — 2e是實(shí)施例1的制備流程示意圖。
[0018]圖3是利用四邊形生長(zhǎng)窗口(3)外延出具有不同橫截面的三維結(jié)構(gòu)的立體視圖:圖3 (a)表示三角形，圖3 (b)表示梯形，圖3 (C)表示矩形。
[0019]圖4是利用圓形生長(zhǎng)窗口(3)外延出具有不同橫截面的三維結(jié)構(gòu)的立體視圖:圖4 (a)表示三角形，圖4 (b)表示梯形，圖4 (C)表示矩形。
[0020]圖5是具有條狀三維結(jié)構(gòu)的實(shí)施例1的立體視圖；圖5 (a)單顆器件，圖5 (b)多器件并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0021]圖6是本發(fā)明的實(shí)施例2，另一種結(jié)合了縱向和橫向?qū)ńY(jié)構(gòu)的三族氮化物肖特基勢(shì)皇二極管的橫截面視圖。
[0022]圖7是結(jié)合了六角金字結(jié)構(gòu)的實(shí)施例2的立體視圖；圖7 (a)單顆器件，圖7 (b)多器件并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0023]圖8是本發(fā)明的實(shí)施例3，一種縱向?qū)ńY(jié)構(gòu)的三維三族氮化物肖特基勢(shì)皇二極管的橫截面視圖。
[0024]圖9是具有條狀三維結(jié)構(gòu)的第三實(shí)施例的立體視圖；圖9 (a)單顆器件，圖9 (b)多器件并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0025]圖10是本發(fā)明的實(shí)施例4，另一種縱向?qū)ńY(jié)構(gòu)的三維三族氮化物肖特基勢(shì)皇二極管的橫截面視圖。
[0026]圖11是基于實(shí)施例4制備的器件的立體視圖；圖11 Ca)具有條狀三維結(jié)構(gòu)的單顆器件，圖11 (b)具有條狀三維結(jié)構(gòu)的多顆并聯(lián)器件，圖11 (C)具有六角金字塔結(jié)構(gòu)的單顆器件，圖11 Cd)具有六角金字塔結(jié)構(gòu)的多顆并聯(lián)器件。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不限于此。
[0028]實(shí)施例1
附圖1為實(shí)施例1的設(shè)計(jì)示意圖，該實(shí)施例結(jié)合了縱向和橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)?；窘Y(jié)構(gòu)依次包括:襯底1，掩膜層2，選擇性生長(zhǎng)窗口 3，外延生長(zhǎng)的三族氮化物三維結(jié)構(gòu)4，阻擋層5，肖特基接觸層6，歐姆接觸層7。下面結(jié)合圖2a — 2e對(duì)實(shí)施例1的制造流程做詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]參見(jiàn)圖2a，提供一底層襯底1，底層襯底I的材料可以是S1