CN108198758B - 一种垂直结构的氮化镓功率二极管器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种垂直结构的氮化镓功率二极管器件制作方法，其中包括：步骤一、提供衬底以及衬底上的外延层；步骤二、提供外延层表面进行图形化并刻蚀凹槽；步骤三、在凹槽之间的外延层表面淀积第一阳极金属；步骤四、在凹槽中和第一层阳极金属表面覆盖第二阳极金属；步骤五、在器件背面制作阴极。本发明能够提高器件的正向输出电流以及反向阻断电压，提高氮化镓功率二极管的器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种垂直结构的氮化镓功率二极管器件及其制作方法。
背景技术
现代科技对半导体功率器件的体积，可靠性，耐压，功耗等方面不断提出更高的要求。随着晶体管特征尺寸的缩小，由于短沟道效应等物理规律和制作成本的限制，主流硅基材料与CMOS技术正发展到10纳米工艺节点而很难继续提升。氮化镓具有较宽的禁带宽度，高热导率、强原子键、化学稳定性好、工作温度高、击穿电压高、抗辐照能力强等性质，适用于光电子、高温大功率器件和高频微波器件等应用。所以氮化镓被认为是新一代集成电路半导体材料，具有广阔的应用前景。
半导体功率二极管的几何结构包括两类：横向结构和垂直结构。以蓝宝石为生长衬底的横向结构的大功率氮化镓基二极管具备大尺寸、低成本以及良好的CMOS工艺兼容性等优点，但是较难获得很高的输出电流，散热效率低，电流拥塞，电流密度低，生产成本高，并且不可避免会受到由表面态导致的高压电流坍塌等难题的困扰。
在现有技术中，为解决横向结构的大功率氮化镓基半导体二极管的散热问题，倒装焊技术被提出，但是，倒装焊技术工艺复杂，生产成本高。另外，传统垂直结构的氮化镓基二极管的衬底成本极高，并且对衬底剥离技术要求极高，不易实现。
因此，亟需设计一种新型垂直结构的氮化镓基功率二极管及其制作方法，从而解决横向结构大功率氮化镓基半导体二极管输出电流小、电流坍塌等问题，有效应用于高压大功率电子应用领域。
发明内容
本发明提供的垂直结构的氮化镓功率二极管器件及其制作方法，能够针对现有技术的不足，有效提高氮化镓基半导体二极管器件的输出电流，解决电流坍塌问题，提高氮化镓基半导体二极管器件的性能。
第一方面，本发明提供一种垂直结构的氮化镓功率二极管器件制作方法，其中包括：
步骤一、提供衬底以及所述衬底上的外延层；
步骤二、提供所述外延层表面进行图形化并刻蚀凹槽；
步骤三、在所述凹槽之间的所述外延层表面淀积第一阳极金属；
步骤四、在所述凹槽中和所述第一层阳极金属表面覆盖第二阳极金属；
步骤五、在所述器件背面制作阴极。
可选地，所述步骤一中的衬底为重掺杂N+-GaN衬底，所述外延层为轻掺杂N--GaN外延层。
可选地，所述步骤二通过栅槽刻蚀工艺刻蚀得到所述凹槽。
可选地，所述步骤三还包括对所述第一阳极金属进行图形化的步骤，用于实现与所述凹槽之间的外延层表面接触。
可选地，所述第一阳极金属为合金或非合金。
可选地，所述第一阳极金属为高温合金，用于与所述外延层表面实现良好接触。
可选地，所述步骤四还包括对所述第二阳极金属进行图形化的步骤，用于覆盖所述凹槽内和所述第一阳极金属表面。
另一方面，本发明提供一种根据上述的方法制作的二极管器件，其中包括：
衬底以及所述衬底上的外延层；
淀积在所述外延层表面刻蚀的凹槽之间的第一阳极金属；
填充在所述外延层表面刻蚀的凹槽内并覆盖所述第一阳极金属表面的第二阳极金属；
位于所述器件背面的阴极。
本发明实施例提供的垂直结构的氮化镓功率二极管器件及其制作方法，能够避免传统垂直结构氮化镓功率二极管的高温注入激活导致的半导体材料损伤，提高器件的正向输出电流以及反向阻断电压，降低工艺难度，提高氮化镓功率二极管的器件性能。
附图说明
图1为本发明一实施例的垂直结构氮化镓功率二极管器件整体结构示意图；
图2A-2E为本发明一实施例的垂直结构的氮化镓功率二极管器件的制作工艺结构示意图。
图3为本发明一个实施例的垂直结构的GaN功率二极管器件的制作方法工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
第一方面，本发明提供一种垂直结构氮化镓(GaN)功率二极管器件结构。图1示出了本发明的一个实施例的垂直结构氮化镓功率二极管器件整体结构示意图。如图所示，100为重掺杂的N+-GaN衬底，具体的，在氮化镓半导体材料中大量加入例如磷、砷或锑等V族杂质形成N+衬底，特别的，可以通过热扩散或离子注入形成重掺杂的N+-GaN衬底；101为轻掺杂的N--GaN外延层/漂移区，具体的，在氮化镓半导体材料中少量加入例如磷、砷或锑等V族杂质形成N--GaN外延层/漂移区，特别的，可以通过热扩散或离子注入形成N--GaN外延层/漂移区；102为在N--GaN外延层/漂移区101上淀积的第一层阳极金属，具体的，可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电镀、溅射、原子层沉积(ALD)等工艺进行淀积，特别的，第一层阳极金属的材料可以包括但不限于Ti或Al，优选的，第一层阳极金属经过图形化制作；103为填充在N--GaN外延层/漂移区101通过栅槽刻蚀技术所刻蚀的凹槽中，并覆盖在第一层阳极金属102的表面的第二层阳极金属，具体的，第二层阳极金属103可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电镀、溅射、原子层沉积(ALD)等工艺实现，特别的，第二层阳极金属的材料可以包括但不限于Ni或Au，优选的，第二层阳极金属经过图形化制作；108是二极管器件的阴极。
图2A-2E示出了本发明一实施例的垂直结构的氮化镓功率二极管器件的制作工艺结构示意图。
如图2A所示，提供重掺杂的N+-GaN衬底100以及轻掺杂的N--GaN外延层/漂移区101。具体的，在GaN半导体材料中分别大量或少量加入例如磷、砷或锑等V族杂质，即可形成重掺杂的N+-GaN衬底100或轻掺杂的N--GaN外延层/漂移区101。特别的，可以通过热扩散或离子注入形成重掺杂的N+-GaN衬底100或轻掺杂的N--GaN外延层/漂移区101。
如图2B所示，在轻掺杂的N--GaN外延层/漂移区101中通过栅槽刻蚀技术刻蚀图形化凹槽。具体的，栅槽刻蚀可以包括使用诸如SiO2等氧化物形成阻挡层，通过旋涂光刻胶并进行干法刻蚀/湿法腐蚀等步骤在阻挡层表面进行图形化，得到刻蚀窗口。随后使用干法刻蚀技术刻蚀上述图形化的刻蚀窗口中的N--GaN外延层/漂移区101材料，形成N--GaN外延层/漂移区表面对应的凹槽，随后去除剩余阻挡层。得到如图2B所示的具有凹槽的器件。
如图2C所示，在上述凹槽之间的N--GaN外延层/漂移区表面淀积第一层阳极金属。具体的，可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电镀、溅射、原子层沉积(ALD)等工艺淀积第一层阳极金属102。特别的，第一层阳极金属的材料可以包括但不限于Ti或Al，第一次层阳极金属102可以以合金或者非合金方式存在，并可以通过高温合金后与N--GaN外延层/漂移区表面形成良好的接触。优选的，第一层阳极金属经过图形化制作。
如图2D所示，第二层阳极金属103填充在N--GaN外延层/漂移区101通过栅槽刻蚀技术刻蚀得到的凹槽中，并覆盖在第一层阳极金属102的表面。具体的，第二层阳极金属103可以通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电镀、溅射、原子层沉积(ALD)等工艺实现，特别的，第二层阳极金属的材料可以包括但不限于Ni或Au。优选的，第二层阳极金属经过图形化制作。
如图2E所示，108是二极管器件的阴极，二极管阴极108设置于所述二极管器件的背面，即设置于重掺杂的N+-GaN衬底100的背面。
另一方面，本发明提供一种垂直结构的GaN功率二极管器件的制作方法。图3示出了本发明一个实施例的垂直结构的GaN功率二极管器件的制作方法工艺流程图。如图所示，S31表示提供重掺杂的N+-GaN衬底以及轻掺杂的N--GaN外延层/漂移区；S32表示在轻掺杂的N--GaN外延层/漂移区中通过栅槽刻蚀技术刻蚀图形化凹槽；S33表示在上述凹槽之间的N--GaN外延层/漂移区表面淀积第一层阳极金属；S34表示在上述凹槽中和第一层阳极金属表面形成第二层阳极金属；S35表示在器件背面制作二极管器件阴极。
本发明实施例提供的垂直结构的氮化镓功率二极管器件及其制作方法，能够通过槽刻蚀技术在氮化镓漂移区中形成图形区域，并在表面淀积两层阳极金属，避免传统垂直结构氮化镓功率二极管的高温注入激活导致的半导体材料损伤，提高器件的正向输出电流以及反向阻断电压，降低工艺难度，提高氮化镓功率二极管的器件性能，推动了氮化镓基功率二极管在大电流和高功率转换中的应用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种垂直结构的氮化镓功率二极管器件制作方法，其特征在于，包括：
步骤一、提供衬底以及所述衬底上的外延层；
步骤二、提供所述外延层表面进行图形化并刻蚀凹槽；
步骤三、在所述凹槽之间的所述外延层表面淀积第一阳极金属，且所述第一阳极金属铺满所述凹槽之间的所述外延层；
步骤四、在所述凹槽中和所述第一层阳极金属表面覆盖第二阳极金属；
步骤五、在所述器件背面制作阴极。
2.根据权利要求1所述的二极管器件制作方法，其特征在于，所述步骤一中的衬底为重掺杂N+-GaN衬底，所述外延层为轻掺杂N--GaN外延层。
3.根据权利要求1所述的二极管器件制作方法，其特征在于，所述步骤二通过栅槽刻蚀工艺刻蚀得到所述凹槽。
4.根据权利要求1所述的二极管器件制作方法，其特征在于，所述步骤三还包括对所述第一阳极金属进行图形化的步骤，用于实现与所述凹槽之间的外延层表面接触。
5.根据权利要求1所述的二极管器件制作方法，其特征在于，所述第一阳极金属为合金或非合金。
6.根据权利要求5述的二极管器件制作方法，其特征在于，所述第一阳极金属为高温合金，用于与所述外延层表面实现良好接触。
7.根据权利要求1所述的二极管器件制作方法，其特征在于，所述步骤四还包括对所述第二阳极金属进行图形化的步骤，用于覆盖所述凹槽内和所述第一阳极金属表面。
8.一种根据权利要求1所述的方法制作的二极管器件，其特征在于，包括：
衬底以及所述衬底上的外延层；
淀积在所述外延层表面刻蚀的凹槽之间的第一阳极金属，且所述第一阳极金属铺满所述凹槽之间的所述外延层；
填充在所述外延层表面刻蚀的凹槽内并覆盖所述第一阳极金属表面的第二阳极金属；
位于所述器件背面的阴极。
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