[发明专利]氮化镓基GaN功率集成电路制造工艺

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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(3×10⁷cm/s)、高浓度二维电子气(2×10¹³cm²)、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(R_ON)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℃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℃。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IR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(Toshiba)、古河(Furukawa)、松下(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“Prius”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AlGaN/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。

发明内容

本发明目的是研制可集成增强型AlGaN/GaN高压器件，实现高压增强型AlGaN/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。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明氮化镓基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AlGaN/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3×10¹⁸cm^-3的AlGaN掺杂层，厚度为3nm的未掺杂AlGaN隔离层。AlGaN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。