技术领域
[0001] 本
发明属于微
电子技术领域，特别涉及一种高
击穿电压肖特基二极管，可用于高频
电路。
背景技术
[0002] 肖特基二极管，又称为肖特基势垒二极管，其原理是利用金属与
半导体接触形成的金属－半导体结。肖特基二极管的优点主要包括以下两个方面：1)由于肖特基势垒高度低于
PN结势垒高度，所以其正向导通电压和正向压降都比PN结二极管低；2)由于肖特基二极管是一种多数载流子导电器件，反向恢复电荷非常少，因而不存在少数载流子寿命和反向恢复问题，故
开关速度非常快，
开关损耗也特别小，尤其适合于高频应用。但是，由于肖特基二极管的
电场主要集中在肖特基接触的边缘区域，当肖特基接触边缘区域的电场达到材料的击穿场强时，器件就发生击穿，而其余区域的电场小于材料的击穿场强，因此，为了提高肖特基二极管的击穿电压，就必须减小肖特基接触边缘区域的电场，为此人们采用场限环、场板等结构。其中：
[0003] 场限环结构，是先在肖特基边缘形成一层SiO2，在此
基础上做一个或多个保护环结构，利用每个环分担压降的方法，降低肖特基接触边缘的电场，从而实现提高反向击穿电压的目的；
[0004] 场板结构，是先在肖特基接触的金属周围淀积一层SiO2，再在SiO2层上淀积一部分板金属，使之与中间部分的金属连接起来，因此SiO2层可以使反偏时集中于易被击穿区域处的部分电
力线从半导体表面出发终止于金属场板，有效地降低肖特基接触边缘的电场，从而提高反向击穿电压。
[0005] 以上两种结构虽能有效地提高肖特基二极管的反向击穿特性，但由于场限环和场板结构都引入了介质，势必会引起寄生效应的增强，导致寄生电容增大。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种高击穿电压肖特基二极管及制作方法，以在不增大寄生电容的情况下，提高反向击穿电压。
[0007] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0008] 一，技术原理
[0009] 本发明通过在
氧化镓
外延层中注入氢离子，减弱肖特基二极管反偏时的电场，实现对反向击穿电压的提高。
[0010] 氧化镓属于单斜晶体，禁带宽度约为4.8eV-4.9eV。根据其它
宽禁带半导体材料击穿电场与其禁带宽度的关系，预计氧化镓材料的击穿电场可达到8MV/cm，比
碳化
硅和氮化镓材料的二倍还要多。氧化镓的电子迁移率可达到300cm2/(V·s)，虽然迁移率的数值不高，但是氧化镓具有很高的巴利加优值，非常适合制备功率器件。目前大尺寸低成本氧化镓单晶衬底可以通过浮区法和导模法获得。氧化镓由于其优异的材料特性和易于大规模生产将在下一代功率器件应用方面具有广阔的前景。
[0011] 肖特基二极管的电场主要集中在肖特基接触的边缘区域，当肖特基接触边缘区域的电场达到材料的击穿场强时，器件就发生击穿，而其余区域的电场均小于材料的击穿场强，也就是说通过降低反偏时肖特基接触边缘区域电场，就可以提高肖特基二极管的击穿电压，为此，本发明利用肖特基接触边缘区域到
欧姆接触之间电场非均匀分布时，越接近肖特基接触边缘，电场强度越强，随着距离的增加电场非线性变弱的特点，应用
离子注入在肖特基接触与欧姆接触之间的区域注入多个宽度相等的H+区域，当肖特基
反向偏置时，由于H+对带负电电子的吸引作用，使得肖特基接触边缘的电子浓度有所减小，降低电场强度，提高肖特基二极管反向击穿电压，由肖特基接触至欧姆接触的H+离子注入区依次命名第一H+离子注入区、第二H+离子注入区......，以此类推。其中，第一个H+离子注入区位于肖特基接触边缘的正下方，第二个H+离子注入区与第一个H+离子注入区之间的距离为0.5μm～0.8μm，其+余H离子注入区域之间的距离随着远离肖特基接触区域依次增加，使得欧姆接触与肖特基接触之间的电场大致相等，进一步实现对电场的调制作用，提高器件的反向击穿电压。
[0012] 二.实现方案
[0013] 根据上述原理本发明的高击穿电压肖特基二极管，
自下而上包括衬底、Ga2O3外延层、低掺杂n型Ga2O3
薄膜和
钝化层，
钝化层的中设置圆形金属
阳极和环状金属
阴极，该环状金属阴极的环心与圆形金属阳极的圆心在同一点，且环状金属阴极的下面为硅离子注入区，圆形金属阳极与低掺杂n型Ga2O3薄膜形成肖特基接触，环状金属阴极与硅离子注入区形成欧姆接触，其特征在于：
[0014] Ga2O3外延层与低掺杂n型Ga2O3薄膜之间设有用于调节电子浓度的多个H+注入区，这些H+注入区的之间的间距随着远离肖特基接触区域依次增加，增加的范围为0.5um～1.0um，且第一个H+注入区域紧挨肖特基接触边缘，最后一个H+注入区域距离金属阴极内环边缘的距离大于1μm；每个H+离子注入区域的浓度大于5×1018cm-3；每个H+注入区域的宽度为2-3um；每个H+注入区的深度为20～50μm。
[0015] 根据上述原理本发明的高击穿电压肖特基二极管制作方法，包括如下步骤：
[0016] 1)对在衬底上已经
外延生长了Ga2O3层的样品进行有机清洗后，放入HF:H2O＝1:1的溶液中进行
腐蚀30-60s，再用流动的去离子
水清洗并用高纯氮气吹干；
[0017] 2)将吹干后的样品放入PECVD设备中淀积厚度为50nm的SiO2掩膜；
[0018] 3)将淀积完SiO2掩膜的样品进行
光刻，形成离子注入区，再放入离子注入反应室中进行两次硅离子注入，将进行硅离子注入后样品放入
退火炉中，在氮气气氛中进行
温度为1000℃，时间为30分钟热退火，以对注入硅离子进行激活；
[0019] 4)将完成硅离子激活的样品放入
等离子体反应室中去除
光刻胶掩膜；
[0020] 5)将去除光刻胶掩膜的样品进行光刻，形成环状阴极区，放入
电子束蒸发台中蒸发金属Ti/Au并进行剥离，其中金属Ti厚度为20-50nm，金属Au厚度为100-200nm，最后在氮气环境中进行温度为550℃，时间为60s的快速热退火，以形成阴极欧姆接触
电极；
[0021] 6)将完成阴极欧姆接触电极的样品进行光刻，形成离子注入区，然后放入离子注+ 14 -2入反应室中进行多个区域H 离子注入，注入
能量为150keV，注入剂量为5×10 cm ；离子注入后将样品放入
退火炉中，在氮气气氛中进行温度为400℃，时间为5分钟的热退火，消除注入对材料的损伤；
[0022] 7)将完成H+注入的样品放入BOE溶液中腐蚀5分钟，去除表面的SiO2掩膜；
[0023] 8)将去除SiO2掩膜的样品进行光刻，形成圆形阳极区，再放入
电子束蒸发台中蒸发Pt/Ti/Au并进行剥离，形成金属阳极电极，金属Pt的厚度为10-20nm，金属Ti的厚度为20-50nm，金属Au的厚度为100-200nm；
[0024] 9)将完成阳极电极制备的样品放入PECVD反应室淀积厚度为200nm～300nm的SiN钝化膜；
[0025] 10)将完成淀积钝化膜的器件进行清洗、光刻显影，形成SiN薄膜的
刻蚀区，并放入ICP
干法刻蚀反应室中，将阴极电极和阳极电极面
覆盖的SiN薄膜刻蚀掉，形成二极管；
[0026] 11)将二极管进行清洗、光刻、显影，放入电子束蒸发台中淀积金属Ti/Au，对阴极和阳极的电极加厚，其中Ti厚度为20nm，Au厚度为100nm，至此完成整体器件的制备。本发明由于在Ga2O3外延层与低掺杂n型Ga2O3薄膜之间设置了多个H+注入区，且这些H+注入区的之间的间距依次增加，使得在肖特基二极管反偏的时候能利用氢离子对阳极附近电子产生吸引作用，减弱电场在阳极金属接触边缘的集聚，实现对电场的调制作用，提高了二极管的反向击穿电压。
附图说明
[0027] 图1是本发明的剖面结构示意图；
[0028] 图2是图1的俯视图；
具体实施方式
[0030] 以下参照附图对本发明作进一步详细描述。
[0031] 参照图1和图2，本发明的器件包括衬底5、Ga2O3外延层3、低掺杂n型Ga2O3薄膜4、圆形金属阴极2、环状金属阳极1、钝化层8、硅离子注入区7以及多个H+注入区6。该Ga2O3外延层位于衬底4之上；该低掺杂n型Ga2O3薄膜4位于Ga2O3外延层3之上；该环状金属阴极1位于低掺杂n型Ga2O3薄膜之上；该圆形金属阳极2位于环状金属阴极1中间，且环状金属阴极2的环心和圆形金属阳极1的圆心在同一点；该硅离子注入区7位于环状金属阴极2正下方的低掺杂n型Ga2O3薄膜4中；该多个H+注入区6位于Ga2O3外延层3中，该钝化层8位于低掺杂n型Ga2O3薄膜之上。
[0032] 衬底材料采用蓝
宝石、MgAl2O4、Ga2O3和MgO中的一种；钝化层采用Si3N4、Al2O3、HfO2和HfSiO中的一种或多种；Ga2O3外延层的电子浓度为1014cm-3～1016cm-3，厚度大于1μm；低掺杂nGa2O3型薄膜的载流子浓度1017cm-3～1018cm-3,厚度大于100nm；硅离子注入区的浓度大19 -3
于2×10 cm ，注入区的深度大于50nm。
[0033] 所述多个H+注入区，其之间的间距随着远离肖特基接触区域依次增加，增加的范围为0.5μm～1.0μm，且第一个H+注入区紧挨肖特基接触边缘，最后一个H+注入区与金属阴极内环边缘的距离大于1μm，即第一个与第二个H+注入区域之间距离为0.3～0.5μm，第二个与+ +第三个H注入区域之间距离为0.8～1.5μm，第三个与第四个H注入区域之间距离为1.3～
2.5μm······，以此类推，每个H+离子注入区域的浓度大于5×1018cm-3，每个H+注入区域的宽度为2-3μm，每个H+注入区的深度为20～50μm。
[0034] 参照图3，本发明制作高击穿电压肖特基二极管方法，给出如下三种
实施例：
[0035] 实施例1，制作衬底为蓝宝石，宽度为2μm、深度为20μm的12个H+注入区域，H+注入区的之间的间距依次增加为0.5μm的肖特基二极管。
[0036] 步骤1，清洗样品。
[0037] 1a)对在衬底上已经外延生长的Ga2O3层的样品进行有机清洗，用丙
酮超声5分钟，
乙醇超声5分钟，再用流动的去离子水清洗，其中外延生长的Ga2O3层包括两层，第一层为载流子浓度为1014cm-3、厚度为1.5μm的Ga2O3外延层，第二层为载流子浓度为1017cm-3、厚度为130nm的低掺杂n型Ga2O3薄膜；
[0038] 1b)化学清洗
[0039] 将有机清洗后的样品放入HF:H2O＝1:1的溶液中腐蚀30s，再用流动的去离子水清洗并用高纯氮气吹干。
[0040] 步骤2,淀积厚度为50nm的SiO2掩膜。
[0041] 将吹干后的样品放入PECVD设备中淀积SiO2掩膜，淀积SiO2的工艺条件为：SiH4的流量为40sccm，N2O的流量为10sccm，反应室压力为1Pa，射频功率为40W。
[0042] 步骤3,注入深度为50nm、载流子浓度为2×1019cm-3的硅离子注入区域。
[0043] 3a)对淀积完SiO2掩膜的样品进行第一次光刻；
[0044] 3b)将第一次光刻后的样品放入离子注入反应室中进行两次硅离子注入，其第一次的注入能量和注入剂量为：60keV和3.2×1014cm-2，第二次的注入能量和注入剂量为30keV和9.3×1013cm-2；
[0045] 3c)将离子注入之后的样品放入退火炉中，在氮气气氛中进行温度为1000℃，时间为30分钟的热退火，以对注入的硅离子进行激活。
[0046] 步骤4,去除光刻胶掩膜。
[0047] 将完成硅离子激活的样品放入等离子体反应室中在氧气流量为200sccm，反应室压力为30Pa，射频功率为300W的条件下刻蚀10分钟，以去除光刻胶掩膜。
[0048] 步骤5,制作环状Ti/Au阴极。
[0049] 5a)光刻形成环形阴极区
[0050] 将去除光刻胶掩膜的样品进行第二次光刻；
[0051] 5b)将第二次光刻后的样品放入电子束蒸发台中蒸发金属Ti/Au并进行剥离金属，其中Ti厚度为20nm，金属Au厚度为100nm；
[0052] 5c)快速热退火
[0053] 将蒸发完金属的样品在氮气环境中进行温度为550℃，时间为60s的快速热退火，以形成阴极欧姆接触电极。
[0054] 步骤6,注入H+离子。
[0055] 6a)光刻形成离子注入区
[0056] 将完成阴极欧姆接触电极的样品进行第三次光刻；
[0057] 6b)将第三次光刻后的样品放入离子注入反应室中在肖特基接触区域两边各注入+ 14 -2 +6个H离子区域，注入能量为150keV，注入剂量为5×10 cm ，其中第一个H离子注入区域紧挨肖特基接触边缘，最后一个H+离子注入区域与金属阴极内环边缘的距离为1μm，且第一个与第二个H+离子注入区域之间距离为0.3μm，第二个与第三个H+离子注入区域之间距离为
0.8μm，第三个与第四个H+离子注入区域之间距离为1.3μm，第四个与第五个H+离子注入区域之间距离为1.8μm，第五个与第六个H+注入区域之间距离为2.3μm；
[0058] 6c)热退火
[0059] 将H+离子注入后的样品放入退火炉中，在氮气气氛中进行温度为400℃，时间为5分钟的热退火，以消除注入对材料的损伤。
[0060] 步骤7，去除表面SiO2掩膜。
[0061] 将完成H+离子注入的样品放入BOE溶液中腐蚀5分钟，去除表面SiO2掩膜。
[0062] 步骤8，制作圆形Pt/Ti//Au阳极。
[0063] 将去除SiO2掩膜的样品进行第四次光刻后，放入电子束蒸发台中蒸发Pt/Ti//Au并进行剥离，其中金属Pt的厚度为10nm，金属Ti的厚度为20nm，金属Au的厚度为100nm。
[0064] 步骤9，淀积厚度为200nm的SiN钝化膜。
[0065] 将完成阳极电极制备的样品放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜，淀积SiN的工艺条件为：SiH4的流量为40sccm，NH3的流量为10sccm，反应室压力为1Pa，射频功率为40W。
[0066] 步骤10，刻蚀SiN薄膜。
[0067] 将完成淀积钝化膜的器件进行清洗、光刻、显影后，放入ICP干法刻蚀反应室中，将阳极和阴极电极表面覆盖的SiN薄膜刻蚀掉，形成二极管，刻蚀工艺条件为：上电极功率为200W，下电极功率为20W，反应室压力为1.5Pa，CF4的流量为20sccm，Ar气的流量为10sccm，刻蚀时间为10min。
[0068] 步骤11，加厚电极。
[0069] 将二极管进行依次进行清洗、光刻、显影，再放入电子束蒸发台中淀积金属Ti/Au，对阴极和阳极的电极加厚，其中Ti厚度为20nm，Au厚度为100nm，至此完成整体器件的制备。
[0070] 实施例2，制作衬底为Ga2O3，宽度为2.5μm、深度为35μm的10个H+注入区域，H+注入区的之间的间距依次增加为0.7μm的肖特基二极管。
[0071] 步骤一，清洗样品。
[0072] 1.1)对在衬底上已经外延生长的Ga2O3层的样品用丙酮超声5分钟，乙醇超声5分钟，再用流动的去离子水清洗，其中外延生长的Ga2O3层包括两层，第一层为载流子浓度为1015cm-3、厚度为1.3μm的Ga2O3外延层，第二层为载流子浓度为5×1017cm-3、厚度为110nm的低掺杂n型Ga2O3薄膜；
[0073] 1.2)化学清洗
[0074] 本步骤实施例1中的步骤1b)相同。
[0075] 步骤二,淀积厚度为50nm的SiO2掩膜。
[0076] 将吹干后的样品放入PECVD设备中淀积SiO2掩膜，淀积SiO2的工艺条件为：SiH4的流量为40sccm，N2O的流量为10sccm，反应室压力为1.5Pa，射频功率为40W。
[0077] 步骤三,注入深度为52nm、载流子浓度为2.5×1019cm-3的硅离子注入区域。
[0078] 本步骤与实施例1中的步骤3相同。
[0079] 步骤四,去除光刻胶掩膜。
[0080] 将完成硅离子激活的样品放入等离子体反应室中在氧气流量为200sccm，反应室压力为35Pa，射频功率为300W的条件下刻蚀10分钟，以去除光刻胶掩膜。
[0081] 步骤五,制作环状Ti/Au阴极。
[0082] 5.1)光刻形成环形阴极区：
[0083] 本步骤与实施例1中的步骤5a)相同；
[0084] 5.2)将第二次光刻后的样品放入电子束蒸发台中蒸发金属Ti/Au并进行剥离金属，其中Ti厚度为30nm，金属Au厚度为150nm；
[0085] 5.3)快速热退火
[0086] 本步骤与实施例1中的步骤5c)相同。
[0087] 步骤六,注入H+离子。
[0088] 6.1)光刻形成离子注入区
[0089] 本步骤与实施例1中的步骤6a)相同；
[0090] 6.2)将第三次光刻后的样品放入离子注入反应室中在肖特基接触区域两边各注入5个H+离子区域，注入能量为150keV，注入剂量为5×1014cm-2，其中第一个H+离子注入区域+紧挨肖特基接触边缘，最后一个H 离子注入区域与金属阴极内环边缘的距离为1.1μm，且第一个与第二个H+离子注入区域之间距离为0.4μm，第二个与第三个H+离子注入区域之间距离为1.1μm，第三个与第四个H+离子注入区域之间距离为1.8μm，第四个与第五个H+离子注入区域之间距离为2.5μm；
[0091] 6.3)热退火
[0092] 本步骤与实施例1中的步骤6c)相同。
[0093] 步骤七，去除表面SiO2掩膜。
[0094] 本步骤与实施例1中的步骤7相同。
[0095] 步骤八，制作圆形Pt/Ti//Au阳极。
[0096] 将去除SiO2掩膜的样品进行第四次光刻后，放入电子束蒸发台中蒸发Pt/Ti//Au并进行剥离，其中金属Pt的厚度为15nm，金属Ti的厚度为30nm，金属Au的厚度为150nm。
[0097] 步骤九，淀积厚度为250nm的HfSiO钝化膜。
[0098] 将完成阳极电极制备的样品放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜，淀积SiN的工艺条件为：SiH4的流量为40sccm，NH3的流量为10sccm，反应室压力为1.5Pa，射频功率为40W。
[0099] 步骤十，刻蚀HfSiO薄膜。
[0100] 本步骤与实施例1中的步骤10相同。
[0101] 步骤十一，加厚电极。
[0102] 本步骤与实施例1中的步骤11相同。
[0103] 实施例3，制作衬底为MgAl2O4，宽度为3μm、深度为50μm的8个H+注入区域，H+注入区的之间的间距依次增加为1.0μm的肖特基二极管。
[0104] 步骤A，清洗样品。
[0105] A1)对在衬底上已经外延生长的Ga2O3层的样品用丙酮超声5分钟，乙醇超声5分钟，再用流动的去离子水清洗，其中外延生长的Ga2O3层包括两层，第一层为载流子浓度为1016cm-3、厚度为1μm的Ga2O3外延层，第二层为载流子浓度为1018cm-3、厚度为100nm的低掺杂n型Ga2O3薄膜；
[0106] A2)化学清洗
[0107] 本步骤与实施例1中的步骤1b)相同。
[0108] 步骤B,淀积厚度为50nm的SiO2掩膜。
[0109] 将吹干后的样品放入PECVD设备中淀积SiO2掩膜，淀积SiO2的工艺条件为：SiH4的流量为40sccm，N2O的流量为10sccm，反应室压力为2Pa，射频功率为40W。
[0110] 步骤C,注入深度为55nm、载流子浓度为5×1019cm-3的硅离子注入区域。
[0111] 本步骤与实施例1中的步骤3相同。
[0112] 步骤D,去除光刻胶掩膜。
[0113] 将完成硅离子激活的样品放入等离子体反应室中在氧气流量为200sccm，反应室压力为40Pa，射频功率为300W的条件下刻蚀10分钟，以去除光刻胶掩膜。
[0114] 步骤E,制作环状Ti/Au阴极。
[0115] E1)光刻形成离子注入区
[0116] 本步骤与实施例1中的步骤5a)相同；
[0117] E2)将第二次光刻后的样品放入电子束蒸发台中蒸发金属Ti/Au并进行剥离金属，其中Ti厚度为50nm，金属Au厚度为200nm；
[0118] E3)快速热退火
[0119] 本步骤与实施例1中的步骤5c)相同。
[0120] 步骤F,注入H+离子。
[0121] F1)光刻形成环形阴极区
[0122] 本步骤与实施例1中的步骤6a)相同；
[0123] F2)将第三次光刻后的样品放入离子注入反应室中在肖特基接触区域两边各注入4个H+离子区域，注入能量为150keV，注入剂量为5×1014cm-2，其中第一个H+离子注入区域紧挨肖特基接触边缘，最后一个H+离子注入区域与金属阴极内环边缘的距离为1.3μm，且第一个与第二个H+离子注入区域之间距离为0.5μm，第二个与第三个H+离子注入区域之间距离为
1.5μm，第三个与第四个H+离子注入区域之间距离为2.5μm；
[0124] F3)热退火
[0125] 本步骤与实施例1中的步骤6c)相同。
[0126] 步骤G，去除表面SiO2掩膜。
[0127] 本步骤与实施例1中的步骤7相同。
[0128] 步骤H，制作圆形Pt/Ti//Au阳极。
[0129] 将去除SiO2掩膜的样品进行第四次光刻后，放入电子束蒸发台中蒸发Pt/Ti//Au并进行剥离，其中金属Pt的厚度为20nm，金属Ti的厚度为50nm，金属Au的厚度为200nm。
[0130] 步骤I，淀积厚度为300nm的Al2O3和HfO2的混合钝化膜。
[0131] 将完成阳极电极制备的样品放入PECVD反应室淀积SiN钝化膜，淀积SiN的工艺条件为：SiH4的流量为40sccm，NH3的流量为10sccm，反应室压力为1.5Pa，射频功率为40W。
[0132] 步骤J，刻蚀Al2O3和HfO2的混合钝化膜。
[0133] 本步骤与实施例1中的步骤10相同。
[0134] 步骤K，加厚电极。
[0135] 本步骤与实施例1中的步骤11相同。以上描述仅是本发明的三个具体实例，并不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人士来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种参数修正和改变，但是这些基于本发明思想修正和改变仍在本发明的
权利要求保护范围之内。
