本发明专利技术公布了一种氮化镓基GaN功率集成电路制造工艺。本发明专利技术采用感应耦合等离子刻蚀技术ICP各向异性刻蚀，切断高压区域与低压区域的电流通道，实现上述区域的电隔离。利用自对准等离子刻蚀技术RIE，在金属栅Ni/Au正下面的AlGaN势垒区域形成带负电荷的F-离子层，耗尽异质结中高密度的二维电子气，将耗尽型的沟道转变成增强型，AlGaN/GaNHEMTs器件特性成为常关型。借助外延层GaN/硅衬底的Resurf耐压结构和表面源场板，优化高压器件漂移区的电场分布与设计器件的偏移区，屏蔽密勒电容Cgd对器件频率响应的影响，获得可作为高速开关应用的常关型氮化镓基AlGaN/GaNHEMTs高压器件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及兼容硅工艺的氮化镓基电力电子技术，尤其是涉及基于硅衬底的增强型AlGaN/GaN HEMTs高压器件研制与单片氮化镓基集成电路。
技术介绍
随着微电子技术的发展，传统Si和GaAs半导体器件性能已接近其材料本身决定的理论极限。宽禁带半导体氮化镓(GaN)具有禁带宽度大(3.4eV)、临界击穿电场高(3MV/ cm)、饱和电子漂移速度高(3X107cm/s)、高浓度二维电子气O X 1013cm2)、热导率大、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点，已经在微波通信系统、广播电视发射、雷达和导航系统作为微波功率放大的核心部件，实现信号的发射和远距离传输。全球高达50%的电气与电子系统均由基于功率半导体器件与集成电路的功率管理系统所控制。近些年来，研究人员发现因为GaN材料临界击穿电场比硅(Si)高近10倍， AlGaN/GaN功率器件的导通电阻0 QN)在耐压超过350V的应用中比Si器件低近三个数量级，完全突破主流硅基功率器件的理论极限，并可同步缩小芯片面积和减轻驱动电路的重量。此外，作为工作温度约250°C的功率电子应用，GaN电力电子新技术因具有无少数载流子存储效应、高温可靠性等优点超越了硅基功率半导体工作的温度上限150°C。专家预言在5 10年内上述技术逐步替代硅基IGBT和快恢复二极管，并在未来的智能电网、混合动力汽车、高速铁路以及涉及航空航天领域等新型产业中扮演举足轻重的角色，如图1(a) (b)所示。国际主要研究机构相继开展了相关的研究工作。在美国，主要有UCSB、康奈尔大学等研究机构主要从事该领域的项目研究。知名半导体国际整流顶公司于2010年推出 7. 5^13. 2V应用的DC/DC-BUCK氮化镓基功率芯片产品。日本相对起步较晚，但是对这方面非常重视，资金投入力度大，从事机构众多，包括东芝(Toshiki)、古河(Furukawa)JlvT (Matsushita)、丰田(Toyota)和富士(Fujitsu)等大公司。目前其研究水平已经超过美国。 目前丰田公司重点致力将高压开关AlGaN/GaN HEMTs用于其环保型混合动力汽车“I^rius” 系列的电源系统中，以提高系统的驱动力和稳定性。AlGaN/GaN材料因自身的压电极化和自发极化特点，常规HEMTs的沟道呈耗尽性， 栅控开关表现出常通状态，这不但与主流的通用电子线路系统设计不兼容，而且还需额外增添一个直流电源供电为常通器件供电，从而显著增加系统的功耗和体积，因此开发出集成可承受高击穿电压的增强型AWaN/GaN HEMTs器件的功率集成电路，尤其是兼容主流硅基工艺的氮化镓集成电路，在现代电力电子应用中是至关重要的。
技术实现思路
本专利技术目的是研制可集成增强型AWaN/GaN高压器件，实现高压增强型AWaN/ GaN器件、高压AlGaN/GaN肖特基二极管与低压器件(增强型低压器件、耗尽型低压器件) 在III-氮化物衬底上单片功率集成，满足频率高于MHz、高温、高电压的特殊应用。本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案本专利技术氮化镓基GaN功率集成电路制造工艺包括如下步骤1)准备清洗硅基于衬底的MGaN/GaN宽禁带材料样品；2)形成台面隔离结构；3)自对准形成HEMTs器件的源漏欧姆接触；4)自对准形成增强型HEMTs器件的Ni/Au金属栅；5)自对准形成耗尽型HEMTs器件的Ni/Au金属栅；6)PECVD高低频交替淀积生长SiN介质层，保护器件的有源区；7)淀积金属引线层，实现器件之间的电连接。优选地，步骤1)所述低阻硅衬底依次生长2. 5um GaN/20nm AlGaN宽禁带材料，利用Resurf电荷共享，提高AlGaN/GaN HEMTs高压器件的横向耐压。优先地，步骤1)所述的AlGaN层厚度为20nm，Al百分比为20%。AlGaN由下至上依次分为3层，厚度为2nm的未掺杂AlGaN势垒层，厚度为15nm的硅掺杂浓度为3 X 1018cm_3 的AlGaN掺杂层，厚度为3nm的未掺杂AlGaN隔离层。AKiaN层的三明治结构设计能保证电子器件有较高的电子浓度和较大的输运速度。优先地，步骤4)所述的自对准RIE等离子刻蚀CF4,采用能量为12(Tl50W，刻蚀时间为13(Tl50s，最终在Ni/Au金属栅正下方的AKiaN层形成面密度约为IX IO19CnT2的负电荷F—离子。优选地，步骤4)所述的高压增强型HEMTs采用叉指式版图设计，器件漂移区为 5 15um，其中源场板Lfp的长度为3飞um为宜。优选地，步骤6)所述的SiN复合介质层厚度为0. 3^0. 35um,交替使用高低频 13. 56MHz/384KHz频率源生长的SiN介质层折射系数为2 2. 09，张应力为1. 65MPa以内。本专利技术与主流的硅基功率半导体相比，其优越性表现为如下特点(1)本专利技术GaN基集成工艺步骤简单，且具有比体硅-高压B⑶工艺更优的功率因子， 并满足高温、高压以及高可靠性等特殊应用，有望成为新能源、混合动力型汽车电源等新兴产业的新技术。(2)本专利技术氮化镓材料外延在低阻硅基材料衬底上，不仅利用Resurf结构实现电荷分享，减小了器件的表面电场和缩短了器件的漂移区长度，而且硅衬底热导率(150 W/ K-m)远优于蓝宝石衬底的热导率GO W/K·!!!)，有利于芯片的快速散热和提高高压器件的可靠性。(3)本专利技术采用RIE自对准刻蚀技术，仅在金属栅Ni/Au正下方的AlGaN势垒层中形成带负电荷F—离子分布，中和调制金属栅沟道里面的电子浓度，获得阈值电压Kth大于零的AlGaN/GaN增强型器件。(4)本专利技术采用源场板，能够达到分担金属栅Ni/Au边缘所承受的电压和对高压器件漂移区电场进行优化的双重目的，并进一步有效地屏蔽密勒电容Cgd对器件频率响应的影响，满足高频功率驱动的应用。(5)本专利技术高低频PECVD淀积介质层SiN，减少介质层对器件产生的附加应力，降低MGaN/GaN HEMTs器件表面反向漏电流。(6)本专利技术单片氮化镓功率电路实现了增强型MGaN/GaN HEMTs与AlGaN/GaN SBD两种高压器件的片内集成，满足高频、高温工作的应用需求。附图说明图1是Si、SiC和GaN三种半导体电力电子器件在击穿电压、温度特性的比较； 图2是本专利技术GaN氮化镓基功率集成电路工艺平台；图3是源场板结构MGaN/GaN HEMTs器件(a)俯视图、(b)剖面图和(c)耗尽型/增强型两种器件的栅下方沟道区能带分布图4是增强型/耗尽性型AlGaN/GaN HEMTs器件特性对比(a)转移特性，(b)输出特性和(c)栅正反向特性；图5是增强型AWaN/GaN HEMTs器件击穿特性和(b) HEMTs器件的击穿电压随ZeD和 Zfp变化关系；图6是有场板和无场板结构两种器件的电场分布模拟结果； 图7是增强型AWaN/GaN HEMTs器件击穿电压与比导通电阻的关系图； 图8是不同材料制备的电力电子器件中击穿电压与比导通电阻的关系； 图9是增强型AlGaN/GaN HEMTs器件的微波特性； 图10是栅宽为Imm的功率AlGaN/GaN器件的直流，交流和瞬态特性； 图11是高压MGaN/GaN SBD器件的正向特本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李海鸥，黄伟，刘召军，陈万军，于宗光，
申请(专利权)人：无锡晶凯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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