CN102376779A - SiC肖特基二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种SiC肖特基二极管，包括N⁺-SiC衬底和N^--SiC外延层，所述N⁺-SiC衬底背面设有N型欧姆接触，所述N^--SiC外延层有肖特基接触；所述肖特基接触的边缘处设有一个P^--SiC区域环，作为该二极管器件的结终端延伸结构；在所述P^--SiC的JTE区域环上设有n个肖特基金属环，n≥2；各肖特基金属环间设有SiO₂钝化层。还公开一种SiC肖特基二极管的制作方法。本发明在使单区JTE的有效浓度低于优值浓度时，降低器件的击穿电压对JTE浓度的敏感程度。

Description

SiC肖特基二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种具有浮空金属环辅助结终端延伸结构的SiC肖特基二极管及其制作方法。

背景技术

以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等为代表的第三代半导体材料，具有较宽的禁带宽度，高的击穿电场、高的热导率、高的电子饱和速率等优点。利用SiC材料制备的电力电子器件具有更高的耐压容量、电流密度和工作频率，可在高频、高温环境中工作，能够减小或省去冷却装置、精简系统结构，可靠性高，适合苛刻的工作环境等等。因此，基于SiC材料的新一代宽禁带半导体的电力电子器件已成为电力电子技术最为重要的发展方向，具有非常广泛的军用和民用前景。

在这些电力电子系统中，电力电子器件的特性对系统性能的实现和改善起着至关重要的作用。由于器件的击穿电压在很大程度上取决于结曲率引起的边缘强电场，因此为了获得良好阻断能力的电力电子器件，降低结边缘电场，提高器件的实际击穿电场，各种结终端技术在电力电子器件中得到了广泛的应用。主要包括场板(FP)、场限环(FLR)、结终端延伸(JTE)等结构。

其中，结终端延伸结构在SiC电力电子器件的制备中具有非常广泛的应用，主要包括单区结终端延伸和多区结终端延伸等结构。在单区结终端延伸的应用中，器件的击穿电压对JTE区的载流子浓度非常敏感，即JTE区域的浓度对器件的阻断能力具有重要影响作用。已有研究表明，对于某一掺杂浓度的SiC漂移区，存在一个优值的JTE区域浓度。在低于优值JTE浓度范围内，随着JTE浓度的下降，器件的击穿电压会逐渐下降；而在高于优值JTE浓度范围内，器件的击穿电压会随JTE浓度的增加而快速下降。在SiC电力电子器件的制备中，一般使用N^-型层为漂移层，通过Al离子注入的方式形成P-型SiC作为JTE区域。在制备具有JTE终端的SiC电力电子器件时，考虑到SiC中Al离子的不完全离化现象、注入的Al离子的扩散现象、及掺杂的不均匀性等因素，JTE的有效浓度通常会低于JTE的优值浓度，这就会降低器件的击穿电压。有研究人员提出了P+场限环辅助P--JTE的方法来降低器件的击穿电压对JTE浓度的敏感性，该方法虽然有利于提高器件的击穿电压，但在制备SiC肖特基二极管时，为了获得P+场限环，需要在工艺中增加一次高剂量Al离子的注入工艺，这增加了工艺的复杂度和成本。另外，通过多区结终端延伸技术可以降低器件击穿电压对JTE浓度的敏感性，但在器件制备过程中，同样需要两次及以上的不同剂量的Al离子注入来形成多个结终端延伸区域，这也增加了工艺的复杂度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在使单区JTE的有效浓度低于优值浓度时，降低器件的击穿电压对JTE浓度的敏感程度的具有浮空金属环辅助结终端延伸结构的SiC肖特基二极管及其制作方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种SiC肖特基二极管，包括N⁺-SiC衬底和N^--SiC外延层，所述N⁺-SiC衬底背面设有N型欧姆接触，所述N^--SiC外延层有肖特基接触；所述肖特基接触的边缘处设有一个P^--SiC区域环，作为该二极管器件的结终端延伸结构；在所述P^--SiC的JTE区域环上设有n个肖特基金属环，n≥2；各肖特基金属环间设有SiO₂钝化层。

本发明还提供一种SiC肖特基二极管的制作方法，包括如下步骤：

在N⁺-SiC衬底上生长N^--SiC外延层；

在N^--SiC外延层上制备P^--SiC JTE区；

形成N⁺-SiC的欧姆接触；

通过PECVD的方法，在已制备P^--SiC JTE区的N^--SiC外延层上淀积钝化层SiO₂；

在SiO₂上旋涂光刻胶后，通过光刻形成肖特基接触和浮空金属环图案，腐蚀SiO₂开孔后，再采用电子束沉积生长Ni金属，从而在N^--SiC和P^--SiC上同时分别形成肖特基接触和浮空金属环；

利用PECVD的方法，对二极管表面进行钝化层的加厚，通过光刻、腐蚀SiO₂开孔，加厚肖特基电极。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明由于采用浮空金属环辅助结终端延伸的终端结构，能够降低器件的击穿电压对JTE浓度的敏感度，有利于提高器件的击穿电压；

2、本发明采用的浮空金属环辅助结终端延伸的终端结构，可以通过平面工艺完成整个器件的制作；

3、本发明采用浮空金属环辅助结终端延伸的终端结构，避免了JTE的多次注入，并且浮空金属环可以与肖特基接触金属同时制备，器件制备工艺相对简单。

附图说明

图1为本发明实施例具有浮空金属环辅助结终端延伸的SiC肖特基二极管剖面图；

图2为本发明实施例器件在反偏下表面电场分布的模拟仿真图；

图3为本发明实施例器件的反向I-V特性曲线模拟仿真图；

图4为本发明实施例具有浮空金属环辅助结终端延伸的SiC肖特基二极管制作方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例具有浮空金属环辅助结终端延伸的SiC的肖特基二极管包括N⁺-SiC衬底和N^--SiC外延层。其中，在N^--SiC外延层上有肖特基接触；在肖特基结的边缘为P^--SiC作为结终端延伸区域；在P^--SiC的JTE区域表面有浮空金属环，该金属环与P^--SiC形成肖特基接触；在N⁺-SiC衬底背面有N型欧姆接触。在该结构中，浮空金属环与P^--SiC形成肖特基接触。当N^--SiC表面的肖特基结处于反偏时，浮空金属环的存在会改变电场在JTE区域的电场分布。最外层浮空金属环末端形成的电场尖峰，会有效降低器件表面的电场峰值，从而达到提高器件击穿电压的目的。其中，最外层浮空金属环与JTE区域末端的距离对降低器件表面峰值电场强度具有重要的作用。

图2给出了本发明实施例器件在外加反向偏压时器件表面的电场分布。为了便于比较，同时也给出了相同偏压条件下，只具有相同的JTE终端结构，但没有浮空金属环结构的器件的电场分布。从图2中可以看到，最外层浮空金属环形成的肖特基结边缘处形成了电场尖峰，降低了N^--SiC肖特基结边缘处的表面电场峰值，从而能够达到提高器件击穿电压的目的。

图3给出了本发明实施例具有浮空金属环辅助结终端延伸的SiC肖特基二极管器件的反向击穿特性，并在图中与只具有相同结终端延伸结构的SiC肖特基器件的击穿特性进行了比较。从图3中，可以看到，本发明提出的浮空金属环辅助结终端延伸的结构的应用有效提高了器件的击穿电压。

图4为本发明实施例具有浮空金属环辅助结终端延伸的SiC肖特基二极管制作方法，该方法可制作图1所示的SiC肖特基二极管，包括以下步骤：

步骤10、在N⁺-SiC衬底上生长N^--SiC外延层。

在掺杂浓度为10¹⁸～10¹⁹cm^-3水平的N⁺-SiC衬底正面利用CVD方法外延N^--SiC层，其掺杂水平为6×10¹⁵cm^-3，厚度为25um。

步骤20、N^--SiC外延层上制备P^--SiC JTE区。该步骤具体如下：步骤201、在N^--SiC外延层上生长Ti/Ni或Ti/Au金属层作为Al离子注入的阻挡层；步骤202、在温度400℃下，利用能量为30kev～550kev的Al离子进行注入；注入的能量包括30keV、70keV、140keV、275keV、550keV；所述能量的注入剂量分别为3.8×10¹³cm^-2、6.2×10¹³cm^-2、8.2×10¹³cm^-2、1.2×10¹⁴cm^-2和1.8×10¹⁴cm^-2；步骤203、在1500℃～1700℃温度范围内，惰性气体氛围(例如，氩气)中进行Al离子注入后的激活退火，形成P^--SiCJTE区。

步骤30、N⁺-SiC的欧姆接触。该步骤具体如下：301、在N⁺-SiC衬底上背面生长Ni金属；302、在900℃～1000℃温度范围内，在真空环境或惰性气体氛围中进行快速热退火，形成N⁺-SiC的欧姆接触。

步骤40、通过PECVD的方法，在已制备P^--SiC JTE区的N^--SiC外延层上淀积钝化层SiO₂。

步骤50、在SiO₂上旋涂光刻胶后，通过光刻形成肖特基接触和浮空金属环图案，腐蚀SiO₂开孔后，再采用电子束沉积生长Ni金属，从而在N^--SiC和P^--SiC上同时分别形成肖特基接触和n个浮空金属环；其中，n≥2。

步骤60、利用PECVD的方法，对二极管表面进行钝化层的加厚，通过光刻、腐蚀SiO₂开孔，加厚肖特基电极。

本发明实施例提出的具有浮空金属环辅助结终端延伸的SiC肖特基二极管制作方法具有以下有益效果：

1、本发明由于采用浮空金属环辅助结终端延伸的终端结构，能够降低器件的击穿电压对JTE浓度的敏感度，有利于提高器件的击穿电压；

2、本发明采用的浮空金属环辅助结终端延伸的终端结构，可以通过平面工艺完成整个器件的制作；

3、本发明采用浮空金属环辅助结终端延伸的终端结构，避免了形成JTE的多次注入，并且浮空金属环可以与肖特基接触金属同时制备，器件制备工艺相对简单。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种SiC肖特基二极管，包括N⁺-SiC衬底和N^--SiC外延层，所述N⁺-SiC衬底背面设有N型欧姆接触，其特征在于：

所述N^--SiC外延层有肖特基接触；所述肖特基接触的边缘处设有一个P^--SiC区域环，作为该二极管器件的结终端延伸结构；在所述P^--SiC的JTE区域环上设有n个肖特基金属环，n≥2；各肖特基金属环间设有SiO₂钝化层。

2.根据权利要求1所述的SiC肖特基二极管，其特征在于：

所述肖特基金属环为浮空设置于所述P^--SiC区域上。

3.根据权利要求1或2所述的SiC肖特基二极管，其特征在于：

所述P^--SiC区域上肖特基浮空金属环呈等间距或不等间距分布。

4.根据权利要求3所述的SiC肖特基二极管，其特征在于：

所述P^--SiC区域上肖特基浮空金属环之间的间距值为2～8um，环宽度值为5～10um，最外层所述肖特基浮空金属环与所述结终端延伸区域末端的间距范围为20～40um。

5.根据权利要求1所述的二极管结构，其特征在于：

所述SiO₂钝化层的厚度为0.5～1um。

6.一种SiC肖特基二极管的制作方法，包括如下步骤：

在N⁺-SiC衬底上生长N^--SiC外延层；

在N^--SiC外延层上制备P^--SiC JTE区；

形成N⁺-SiC的欧姆接触；

通过PECVD的方法，在已制备P^--SiC JTE区的N^--SiC外延层上淀积钝化层SiO₂；

在SiO₂上旋涂光刻胶后，通过光刻形成肖特基接触和浮空金属环图案，腐蚀SiO₂开孔后，再采用电子束沉积生长Ni金属，从而在N^--SiC和P^--SiC上同时分别形成肖特基接触和浮空金属环；

利用PECVD的方法，对二极管表面进行钝化层的加厚，通过光刻、腐蚀SiO₂开孔，加厚肖特基电极。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述在N⁺-SiC衬底上生长N^--SiC外延层是：

在掺杂浓度为10¹⁸～10¹⁹cm^-3水平的N⁺-SiC衬底正面利用CVD方法外延N^--SiC层；所述N^--SiC外延层掺杂水平为6×10¹⁵cm^-3，厚度为25um。

8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述在N^--SiC外延层上制备P^--SiC JTE区包括：

在N^--SiC外延层上生长Ti/Ni或Ti/Au金属层作为Al离子注入的阻挡层；

在温度400℃时进行Al离子进行注入；

在惰性气体氛围中进行Al离子注入后的激活退火，形成P^--SiC JTE区。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：

所述Al离子的能量为30kev～550kev；所述注入的能量包括30keV、70keV、140keV、275keV、550keV；所述能量的注入剂量分别为3.8×10¹³cm^-2、6.2×10¹³cm^-2、8.2×10¹³cm^-2、1.2×10¹⁴cm^-2和1.8×10¹⁴cm^-2。

10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：

所述激活退火的温度范围为1500℃～1700℃。

11.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述形成N⁺-SiC的欧姆接触包括：

在N⁺-SiC衬底上背面生长Ni金属；

在900℃～1000℃温度范围内，在真空环境或惰性气体氛围中进行快速热退火，形成N⁺-SiC的欧姆接触。

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