[發明專利]用于氮化鎵高溫退火的保護結構及其應用

在審

• 申請號: 202111356887.4
• 申請日: 2021-11-16
• 公開（公告）號: CN114068444A
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 王哲明;張璇;于國浩;張寶順;鄧旭光
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: H01L23/31
• 分類號: H01L23/31;H01L21/56;H01L21/324
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王鋒

本發明公開了一種用于氮化鎵高溫退火的保護結構及其應用。所述用于氮化鎵高溫退火的保護結構包括：依次層疊設置在氮化鎵材料表面的第一保護層、第二保護層和第三保護層，所述第一保護層、第二保護層和第三保護層的材質包括AlN。本發明實施例提供的一種氮化鎵高溫退火激活的方法，可以避免在GaN表面生長保護層而產生的應力問題。

技術領域

本發明涉及一種氮化鎵高溫退火激活的方法，特別涉及一種用于氮化鎵高溫退火的保護結構及其應用，屬于半導體技術領域。

背景技術

近些年來，GaN為代表的第三代半導體的代表成為下一代半導體功率器件材料的選擇；GaN有著大禁帶寬度3.39eV，意味著其可以耐高溫，耐高壓；高的電子遷移率2000(2DEG)μ(cm2/V·s)，說明其器件的應用有著較高的工作頻率；良好的熱導率說明器件工作時便于散熱；較小的介電常數εr＝9，說明有較小的寄生電容；同時，第三代半導體材料比第一代和第二代材料還具有更穩定的化學性質和抗輻射等特性，理論上可以在高達700～800℃的高溫環境下工作。

GaN器件主要分為平面型器件和垂直型器件，目前高耐壓的垂直型器件成為研發的主流。在這種基于GaN的半導體的垂直型器件的制造中，離子注入是一項非常有吸引力并便捷的技術，例如電和光選擇區域摻雜，干蝕刻，電隔離，量子阱混合和離子切割。作為常用的半導體器件加工工藝，離子注入起初推動著產業中Si基CMOS工藝方面的發展。這種方式能夠引入周期表中幾乎全部元素以及精確控制摻雜劑的濃度和深度，可以在一定程度上達到與外延GaN摻雜工藝所需的效果,并且比外延摻雜要靈活，因而離子注入對GaN材料的光學和電學特性有著較大的影響。因此，研究離子注入對GaN材料各個方面的影響，對于快速發展的GaN產業也是必不可少的。

然而，離子注入會造成對GaN材料的損傷，這是無法避免的，同時注入到材料中的離子也存在著一定的激活問題，因此，通常采用高溫退火的方式來解決離子注入后的這些無法避免的副作用；尤其是在如今的Mg離子注入實現P型GaN實驗中，由于Mg在GaN中的激活能較大，國際上(主要是美國和日本)需要高溫高壓的條件退火，在退火前需要在GaN上加上條件非常苛刻的保護層，以防止在高溫退火下GaN材料或者器件發生分解。

現有實現GaN高溫退火的方案包括：1)在GaN上MOCVD外延一層AlN，之后在2.0MPa的大氣壓下，進行從900℃～1400℃的快速升降溫(30s)的脈沖式退火，可以保護住GaN在退火激活的過程中不分解。該方法可以做到保護住GaN在如此苛刻的條件下不分解，同時退火激活GaN中注入后的P型雜質，但是全世界也僅有美國海軍實驗室和日本的名古屋大學有這種高難度并帶有危險性的條件，難以重復；2)在3MPa～1GPa的高壓下，外延或者濺射AlN，進行1300℃～1500℃的半小時左右的恒定溫度的高溫退火，可以保護住GaN在退火激活的過程中不分解。雖然AlN是可以耐高溫的半導體材料，但是在GaN上生長AlN是無法避免由于晶格失配而造成的應力問題，同時退火也是一個應力釋放的過程，必須要多種條件并行才能保住GaN不分解同時退火過程中不因應力問題而導致膜破裂，同時保護住GaN。

實現GaN高溫退火的方案包括，采用ALD方式生長的SiN/SiO₂可以保護住GaN在常壓的氮氣氛圍下，1100℃的條件下保護住GaN不分解。在GaN上生長一層GaON，可以保護住GaN在1150℃的條件下，2-3min之內不分解。采用PECVD方式生長的SiO₂/SiN可以保護住GaN在1000℃～1100℃的條件下不分解。然而基于以上方法形成的保護層不僅難以去除，且可靠性難以保證，最重要的是能夠保護住GaN的溫度較低(1200℃)，且SiO₂膜基本在1100℃的溫度左右就會發生分解，這對于Mg離子注入GaN的激活是遠遠達不到要求的，目前報道的外延質量最好的SiO₂最高在1200℃左右的常壓氛圍下保護住GaN不分解。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種用于氮化鎵高溫退火的保護結構及其應用，以克服現有技術中的不足。