[发明专利]用于氮化镓高温退火的保护结构及其应用

说明书

本发明公开了一种用于氮化镓高温退火的保护结构及其应用。所述用于氮化镓高温退火的保护结构包括：依次层叠设置在氮化镓材料表面的第一保护层、第二保护层和第三保护层，所述第一保护层、第二保护层和第三保护层的材质包括AlN。本发明实施例提供的一种氮化镓高温退火激活的方法，可以避免在GaN表面生长保护层而产生的应力问题。

技术领域

本发明涉及一种氮化镓高温退火激活的方法，特别涉及一种用于氮化镓高温退火的保护结构及其应用，属于半导体技术领域。

背景技术

近些年来，GaN为代表的第三代半导体的代表成为下一代半导体功率器件材料的选择；GaN有着大禁带宽度3.39eV，意味着其可以耐高温，耐高压；高的电子迁移率2000(2DEG)μ(cm2/V·s)，说明其器件的应用有着较高的工作频率；良好的热导率说明器件工作时便于散热；较小的介电常数εr＝9，说明有较小的寄生电容；同时，第三代半导体材料比第一代和第二代材料还具有更稳定的化学性质和抗辐射等特性，理论上可以在高达700～800℃的高温环境下工作。

GaN器件主要分为平面型器件和垂直型器件，目前高耐压的垂直型器件成为研发的主流。在这种基于GaN的半导体的垂直型器件的制造中，离子注入是一项非常有吸引力并便捷的技术，例如电和光选择区域掺杂，干蚀刻，电隔离，量子阱混合和离子切割。作为常用的半导体器件加工工艺，离子注入起初推动着产业中Si基CMOS工艺方面的发展。这种方式能够引入周期表中几乎全部元素以及精确控制掺杂剂的浓度和深度，可以在一定程度上达到与外延GaN掺杂工艺所需的效果,并且比外延掺杂要灵活，因而离子注入对GaN材料的光学和电学特性有着较大的影响。因此，研究离子注入对GaN材料各个方面的影响，对于快速发展的GaN产业也是必不可少的。

然而，离子注入会造成对GaN材料的损伤，这是无法避免的，同时注入到材料中的离子也存在着一定的激活问题，因此，通常采用高温退火的方式来解决离子注入后的这些无法避免的副作用；尤其是在如今的Mg离子注入实现P型GaN实验中，由于Mg在GaN中的激活能较大，国际上(主要是美国和日本)需要高温高压的条件退火，在退火前需要在GaN上加上条件非常苛刻的保护层，以防止在高温退火下GaN材料或者器件发生分解。

现有实现GaN高温退火的方案包括：1)在GaN上MOCVD外延一层AlN，之后在2.0MPa的大气压下，进行从900℃～1400℃的快速升降温(30s)的脉冲式退火，可以保护住GaN在退火激活的过程中不分解。该方法可以做到保护住GaN在如此苛刻的条件下不分解，同时退火激活GaN中注入后的P型杂质，但是全世界也仅有美国海军实验室和日本的名古屋大学有这种高难度并带有危险性的条件，难以重复；2)在3MPa～1GPa的高压下，外延或者溅射AlN，进行1300℃～1500℃的半小时左右的恒定温度的高温退火，可以保护住GaN在退火激活的过程中不分解。虽然AlN是可以耐高温的半导体材料，但是在GaN上生长AlN是无法避免由于晶格失配而造成的应力问题，同时退火也是一个应力释放的过程，必须要多种条件并行才能保住GaN不分解同时退火过程中不因应力问题而导致膜破裂，同时保护住GaN。

实现GaN高温退火的方案包括，采用ALD方式生长的SiN/SiO₂可以保护住GaN在常压的氮气氛围下，1100℃的条件下保护住GaN不分解。在GaN上生长一层GaON，可以保护住GaN在1150℃的条件下，2-3min之内不分解。采用PECVD方式生长的SiO₂/SiN可以保护住GaN在1000℃～1100℃的条件下不分解。然而基于以上方法形成的保护层不仅难以去除，且可靠性难以保证，最重要的是能够保护住GaN的温度较低(1200℃)，且SiO₂膜基本在1100℃的温度左右就会发生分解，这对于Mg离子注入GaN的激活是远远达不到要求的，目前报道的外延质量最好的SiO₂最高在1200℃左右的常压氛围下保护住GaN不分解。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种用于氮化镓高温退火的保护结构及其应用，以克服现有技术中的不足。