CN103000697A - 一种SiC肖特基二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SiC肖特基二极管及其制作方法，该SiC肖特基二极管包括：N⁺-SiC衬底；形成于该N⁺-SiC衬底之上的N^--SiC外延层；形成于该N^--SiC外延层之上的肖特基接触；形成于该肖特基接触边缘处的P^--SiC区域环，该P^--SiC区域环作为该SiC肖特基二极管的结终端延伸(JTE)区域；形成于该P^--SiC区域环上的n个肖特基金属环，n≥2；形成于该肖特基金属环之间的钝化层SiO₂；形成于该钝化层SiO₂上的场板；以及形成于该N⁺-SiC衬底背面的N型欧姆接触。本发明在使单区JTE的有效浓度低于优值浓度时，降低了器件的击穿电压对JTE浓度的敏感程度，同时避免了界面电荷对器件击穿电压的影响，有利于提高器件的性能。

Description

一种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及场板结合结终端延伸结构的SiC肖特基二极管及其制作方法。

背景技术

宽禁带半导体一般指碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等禁带宽度在3.0eV左右及其以上者。与Si材料相比，这些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，是制备电力电子器件的优选材料。其中，利用SiC材料制备的肖特基二极管属于多数载流子器件，该结构的特点是无额外载流子的注入和储存、开关速度快、开关损耗小，可以广泛应用于电动汽车/混合动力车等需进行功率转换的逆变器、转换器、PFC电路，以及太阳能、风能等新能源中的整流、逆变等领域。

在电力电子器件的设计和制备中，为了降低结边缘电场，提高器件的实际击穿电压，各种结终端技术在电力电子器件的结构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，其形式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。因此，一般在具有JTE终端的SiC器件的制备中，JTE区域的浓度的实际选择会稍低于相应的JTE区域的优值浓度。通过在JTE区域设置浮空金属环，能够在JTE的实际浓度低于其优值浓度的情况下，降低击穿电压对JTE浓度的敏感度，从而进一步提高器件的击穿电压，且可利用肖特基接触制备工艺环节同时完成，不会增加工艺难度和复杂度。另外，场板结构通过对介质中电荷的吸引作用，使得采用场板结构的器件的击穿电压对界面电荷不是很敏感。

本发明针对以上不同结终端结构的特点，提出了一种浮空金属环及场板结合结终端延伸结构的SiC肖特基二极管及其制作方法，目前这种结构在SiC肖特基二极管器件上的应用尚无实例。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是提供一种降低器件制作工艺的复杂度和成本、具有浮空金属环及场板结合结终端延伸结构的SiC肖特基二极管及其制作方法，使器件的单区JTE的有效浓度低于优值浓度时，不仅能够降低器件的击穿电压对JTE浓度的敏感程度，同时避免界面电荷对击穿电压的影响。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种SiC肖特基二极管，该SiC肖特基二极管包括：N⁺-SiC衬底；形成于该N⁺-SiC衬底之上的N^--SiC外延层；形成于该N^--SiC外延层之上的肖特基接触；形成于该肖特基接触边缘处的P^--SiC区域环，该P^--SiC区域环作为该SiC肖特基二极管的结终端延伸(JTE)区域；形成于该P^--SiC区域环上的n个肖特基金属环，n≥2；形成于该肖特基金属环之间的钝化层SiO₂；形成于该钝化层SiO₂上的场板；以及形成于该N⁺-SiC衬底背面的N型欧姆接触。

上述方案中，该肖特基金属环与该P^--SiC区域环形成肖特基接触，且该肖特基金属环浮空设置于该P^--SiC区域环上。该P^--SiC区域环上的肖特基金属环呈等间距或不等间距分布。该肖特基金属环之间的间距值为3至10μm，环宽度值为3至10μm，最外层肖特基金属环与结终端延伸区域末端的间距范围为30至50μm。

上述方案中，形成于该肖特基金属环之间的钝化层SiO₂的厚度为0.5至1μm。形成于该钝化层SiO₂上的场板的长度范围为1至9μm。

为达到上述目的，本发明还提供了一种SiC肖特基二极管的制作方法，该方法包括：

步骤10、在N⁺-SiC衬底上生长N^--SiC外延层；

步骤20、在N^--SiC外延层上制备P^--SiC JTE区；

步骤30、在N^+-SiC衬底背面形成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，利用缓冲HF腐蚀液开SiO₂窗口；

步骤60、在器件表面再次旋涂光刻胶，通过光刻形成场板金属图形，采用电子束沉积生长Ni/Ti/Al金属，从而在N^--SiC和P^--SiC上同时分别形成肖特基接触和n个浮空金属环及场板金属；其中，n≥2。

上述方案中，所述步骤10包括：在掺杂浓度为10¹⁸至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25μm。

上述方案中，所述步骤20包括：

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℃时进行Al离子注入；

步骤203、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。

上述方案中，步骤202中所述Al离子注入的能量为30kev至550kev；注入的能量包括30keV、70keV、140keV、275keV、550keV；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。

上述方案中，步骤203中所述在惰性气体氛围中进行Al离子注入后的激活退火，该激活退火的温度范围为1500℃至1700℃。

上述方案中，所述步骤30包括：

步骤301、在N⁺-SiC衬底上背面生长Ni金属；

步骤302、在900℃至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。

(三)有益效果

本发明提出的具有浮空金属环及场板结合结终端延伸结构的SiC肖特基二极管及其制作方法，具有以下有益效果：

1、本发明采用的浮空金属环及场板结合结终端延伸的终端结构，使器件的单区JTE的有效浓度低于优值浓度时，不仅能够降低器件的击穿电压对JTE浓度的敏感程度，同时避免界面电荷对击穿电压的影响，有利于提高器件的击穿电压。

2、本发明采用的浮空金属环及场板结合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、本发明采用的浮空金属环及场板结合结终端延伸的终端结构，其中肖特基金属、浮空金属环及场板金属同时制备，器件制备工艺相对简单。

附图说明

图1为依照本发明实施例的具有浮空金属环及场板结合结终端延伸结构的SiC肖特基二极管的剖面图；

图2为依照本发明实施例的SiC肖特基二极管的反向击穿特性的模拟仿真图；

图3为依照本发明实施例的具有不同场板长度的SiC肖特基二极管的反向I-V特性曲线的模拟仿真图；

图4为依照本发明实施例的制作具有浮空金属环及场板结合结终端延伸结构的SiC肖特基二极管的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为依照本发明实施例的具有浮空金属环及场板结合结终端延伸结构的SiC肖特基二极管的剖面图。该SiC肖特基二极管包括：N⁺-SiC衬底；形成于该N⁺-SiC衬底之上的N^--SiC外延层；形成于该N^--SiC外延层之上的肖特基接触；形成于该肖特基接触边缘处的P^--SiC区域环，该P^--SiC区域环作为该SiC肖特基二极管的结终端延伸(JTE)区域；形成于该P^--SiC区域环上的n个肖特基金属环，n≥2，该肖特基金属环与该P^--SiC区域环形成肖特基接触，且该肖特基金属环浮空设置于该P^--SiC区域环上；形成于该肖特基金属环之间的钝化层SiO₂；形成于该钝化层SiO₂上的场板；以及形成于该N⁺-SiC衬底背面的N型欧姆接触。

其中，该P^--SiC区域环上的肖特基金属环呈等间距或不等间距分布，肖特基金属环之间的间距值为3至10μm，环宽度值为3至10μm，最外层肖特基金属环与所述结终端延伸区域末端的间距范围为30至50μm。形成于该肖特基金属环之间的钝化层SiO₂的厚度为0.5至1μm。形成于该钝化层SiO₂上的场板的长度范围为1至9μm。

图2给出了本发明实施例具有浮空金属环及场板结合结终端延伸的SiC肖特基二极管器件的反向击穿特性的模拟仿真图。为了便于比较，图2中同时给出了具有不同结终端结构的器件的击穿特性，包括只具有结终端延伸的结构(JTE)、浮空金属环结合结终端延伸结构(JTE+FMR)、浮空金属环及场板结合结终端延伸结构(JTE+FMR+FP)。其中，考虑到实际制备器件的情况，结终端延伸区域的浓度略低于其优值浓度；浮空金属环的间距为7μm，浮空金属环环宽7μm，场板长度1μm。从图2中可以看到，本发明提出的浮空金属环及场板与结终端延伸结构的结合能够有效提高器件的击穿电压。

图3为本发明实施例具有不同场板长度的浮空金属环及场板结合结终端延伸的SiC肖特基二极管器件的反向I-V特性曲线的模拟仿真图。从图3中可以看到，随着场板长度的增加器件的击穿电压也逐渐增加。

图4为本发明实施例具有浮空金属环及场板结合结终端延伸的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至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25μm。

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至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、6.2×10¹³m^-2、8.2×10¹³cm^-2、1.2×10¹⁴cm^-2和1.8×10¹⁴cm^-2；

步骤203、在1500℃至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^--SiC JTE区。

步骤30、在N⁺-SiC衬底背面形成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℃至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，利用缓冲HF腐蚀液开SiO₂窗口。

步骤60、在器件表面再次旋涂光刻胶，通过光刻形成场板金属图形，采用电子束沉积生长Ni/Ti/Al金属，从而在N^--SiC和P^--SiC上同时分别形成肖特基接触和n个浮空金属环及场板金属；其中，n≥2。

本发明提供的具有浮空金属环及场板结合结终端延伸的SiC肖特基二极管及其制作方法，采用的浮空金属环及场板结合结终端延伸的终端结构，使器件的单区JTE的有效浓度低于优值浓度时，不仅能够降低器件的击穿电压对JTE浓度的敏感程度，同时避免界面电荷对击穿电压的影响，有利于提高器件的击穿电压。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种SiC肖特基二极管，其特征在于，该SiC肖特基二极管包括：

N⁺-SiC衬底；

形成于该N⁺-SiC衬底之上的N^--SiC外延层；

形成于该N^--SiC外延层之上的肖特基接触；

形成于该肖特基接触边缘处的P^--SiC区域环，该P^--SiC区域环作为该SiC肖特基二极管的结终端延伸(JTE)区域；

形成于该P^--SiC区域环上的n个肖特基金属环，n≥2；

形成于该肖特基金属环之间的钝化层SiO₂；

形成于该钝化层SiO₂上的场板；以及

形成于该N⁺-SiC衬底背面的N型欧姆接触。

2.根据权利要求1所述的SiC肖特基二极管，其特征在于，该肖特基金属环与该P^--SiC区域环形成肖特基接触，且该肖特基金属环浮空设置于该P^--SiC区域环上。

3.根据权利要求2所述的SiC肖特基二极管，其特征在于，该P^--SiC区域环上的肖特基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，该肖特基金属环之间的间距值为3至10μm，环宽度值为3至10μm，最外层肖特基金属环与结终端延伸区域末端的间距范围为30至50μm。

5.根据权利要求1所述的SiC肖特基二极管，其特征在于，形成于该肖特基金属环之间的钝化层SiO₂的厚度为0.5至1μm。

6.根据权利要求1所述的SiC肖特基二极管，其特征在于，形成于该钝化层SiO₂上的场板的长度范围为1至9μm。

7.一种SiC肖特基二极管的制作方法，其特征在于，该方法包括：

步骤10、在N⁺-SiC衬底上生长N^--SiC外延层；

步骤20、在N^--SiC外延层上制备P^--SiC JTE区；

步骤30、在N⁺-SiC衬底背面形成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，利用缓冲HF腐蚀液开SiO₂窗口；

步骤60、在器件表面再次旋涂光刻胶，通过光刻形成场板金属图形，采用电子束沉积生长Ni/Ti/Al金属，从而在N^--SiC和P^--SiC上同时分别形成肖特基接触和n个浮空金属环及场板金属；其中，n≥2。

8.根据权利要求7所述的SiC肖特基二极管的制作方法，其特征在于，所述步骤10包括：

在掺杂浓度为10¹⁸至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25μm。

9.根据权利要求7所述的SiC肖特基二极管的制作方法，其特征在于，所述步骤20包括：

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℃时进行Al离子注入；

步骤203、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。

10.根据权利要求9所述的SiC肖特基二极管的制作方法，其特征在于，步骤202中所述Al离子注入的能量为30kev至550kev；

注入的能量包括30keV、70keV、140keV、275keV、550keV；

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。

11.根据权利要求9所述的SiC肖特基二极管的制作方法，其特征在于，步骤203中所述在惰性气体氛围中进行Al离子注入后的激活退火，该激活退火的温度范围为1500℃至1700℃。

12.根据权利要求7所述的SiC肖特基二极管的制作方法，其特征在于，所述步骤30包括：

步骤301、在N⁺-SiC衬底上背面生长Ni金属；

步骤302、在900℃至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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