CN103247671A - 一种具有块状浮动结的碳化硅sbd器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件及其制造方法，具有块状浮动结的碳化硅SBD器件包括自上往下依次分层设置的肖特基接触区、SiO₂隔离介质、N^-外延层、P⁺型的离子注入区、N⁺衬底区和欧姆接触区，所述P⁺型的离子注入区夹在所述N^-外延层的中部，且将所述N^-外延层分为上、下漂移区，所述P⁺型的离子注入区为水平均布的多个块状的浮动结。本发明将传统浮动结SBD器件的“条状”浮动结改进为“块状”，在满足所需要的击穿电压条件下，有效的增大了器件的导电通路，减小了器件的导通电阻。

Description

一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件及其制造方法。

背景技术

宽禁带半导体材料是是继第一代硅、锗和第二代砷化镓、磷化铟等材料以后发展起来的第三代半导体材料。在第三代半导体材料中，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)是其中的佼佼者。碳化硅材料技术已经成熟，已有高质量的4英寸晶圆。而氮化镓材料没有氮化镓衬底，外延只能依赖其他材料，其热导率只有碳化硅的四分之一，而且无法实现p型掺杂。这使得氮化镓材料在高压、大功率方面的应用受到限制，相比较而言碳化硅材料在电力电子应用领域的优势则尤为显著。

SiC材料的禁带宽度约是硅的3倍，击穿电场是硅材料的8倍，热导率是硅的3倍，极大地提高了SiC器件的耐压容量和电流密度。要达到相同的击穿电压，SiC功率器件的导通电阻只有硅器件的1/100～1/200，极大地降低了SiC器件的导通损耗。SiC器件可以在250℃～600℃的工作温度下保持良好的器件特性，可以减少冷却散热系统，大大提高电路的集成度。由于功率密度大，器件的面积小、工作层薄，电容和储存电荷少，可以实现高的开关速度而且开关能耗小，因此高功率SiC器件可以工作在较高的频率下。与硅元件构成的电源模块相比，SiC电源模块的开关功耗约为原来的1/4，总功耗降低1/2。而在相同的功耗的情况下，开关频率是原来的4倍。SiC材料还具有高抗电磁波冲击和高抗辐射破坏的能力，能够工作在极端辐照环境下。因此，SiC器件可以使电力电子系统的功率、温度、频率和抗辐射能力倍增，效率、可靠性、体积和重量方面的性能也会大幅度改善，不仅在直流、交流输电，不间断电源，开关电源，工业控制等传统工业领域具有广泛应用，而且在太阳能、风能等新能源中也将具有广阔的应用前景。

在Si功率器件中超结(SuperJunctiong-SJ)的概念已经得到成功的应用，导通电阻明显降低，打破了硅限。但是这一结构很难在SiC器件中实现。这是由于SiC材料极低的扩散系数使得在重掺杂n型和p型漂移层之间实现电荷补偿非常困难。

近年来SiC二次外延生长技术的成熟应用为浮动结结构提供了更适宜的发展空间。这一结构已成功地应用于SiC肖特基二极管，被称为Super-SBD。Johji Nishio等人2008年得到击穿电压2700V，比导通电阻2.57mΩ·cm²，品质因数(Baliga优值)达到11.3GW/cm²。

浮动结碳化硅肖特基二极管(FJ-SBD)器件相比于传统SBD器件，通过在器件的漂移区引入埋层，将器件的外延层分为两层，受到研究者的关注。近年来有关SiC FJ-SBD的研究有了很大进展，但是目前研究的主要为带有“条状”埋层形成浮动结结构的器件，而这种结构导通电阻和击穿电压之间的权衡问题依然存在，浮动结的引入在降低漂移区峰值电场的同时会导致漂移区中导电沟道的变窄，影响导电通路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是浮动结碳化硅SBD器件的导通电阻和击穿电压之间的权衡问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件，包括自上往下依次分层设置的肖特基接触区、SiO₂隔离介质、N^-外延层、P⁺型的离子注入区、N⁺衬底区和欧姆接触区，所述P⁺型的离子注入区夹在所述N^-外延层的中部，且将所述N^-外延层分为上、下漂移区，所述P⁺型的离子注入区为水平均布的多个块状的浮动结。

在上述一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件中，所述N^-外延层的顶面和底面之间的厚度为20μm，其氮离子掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁶cm^-3。

在上述一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件中，所述P⁺型的离子注入区的厚度为0.8μm，其铝离子掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3。

在上述一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件中，所述P⁺型的离子注入区和肖特基接触区之间的距离为10μm。

在上述一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件中，所述浮动结的形状为长方体。

在上述一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件中，所述浮动结的形状为六棱柱形。

在上述一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件中，所述浮动结的形状为圆柱形。

本发明还提供了一种上述具有块状浮动结的碳化硅SBD器件的制造方法，包括以下步骤：

A10、通过外延工艺在碳化硅衬底上制作第一层外延层，形成N^-外延层的下漂移区；

A20、离子束蒸发淀积金属层，通过刻蚀形成P型埋层区的窗口，离子注入形成P⁺型浮岛结构的埋层区，即离子注入区；

A30、通过第二次外延工艺在其上制作第二层外延层，形成N^-外延层的上漂移区；

A40、正面淀积SiO₂隔离介质；

A50、制作底面的欧姆接触区和顶面的肖特基接触区；

A60、PI胶钝化。

本发明提供的一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件，将传统浮动结SBD器件的“条状”浮动结改进为“块状”，在满足所需要的击穿电压条件下，将有效的增大器件的导电通路，减小器件的导通电阻。

附图说明

图1为本发明提供的浮动结多行排列的碳化硅SBD器件的结构示意图；

图2为本发明提供的浮动结交错排列的碳化硅SBD器件的结构示意图；

图3为本发明提供的浮动结为六棱柱形的碳化硅SBD器件的结构示意图；

图4为本发明提供的浮动结为圆柱形的碳化硅SBD器件的结构示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供了一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件，包括自上往下依次分层设置的肖特基接触区1、SiO₂隔离介质2、N^-外延层3、P⁺型的离子注入区4、N⁺衬底区5和欧姆接触区6，N⁺衬底区5为高掺杂的N型碳化硅衬底片。P⁺型的离子注入区4夹在N^-外延层3的中部，且将N^-外延层3分为上、下漂移区31、32。P⁺型的离子注入区4为水平均布的多个块状的浮动结。

N^-外延层3的掺杂和厚度对器件的击穿电压有明显影响，在器件击穿之前空间电荷区已扩展到与电极相连，则该器件将先于击穿的发生而失去阻断能力，称器件为穿通型，反之为非穿通型。非穿通型器件通常击穿电压更高一些，但同时要求N^-外延层3厚度更大。

N⁺衬底区5可以采用N型、P型或者半绝缘衬底，选择的衬底要保证生成的外延层缺陷尽量少，表面平坦。

P⁺型的离子注入区4构成“块状”浮动结，如果N^-外延层的顶面和底面之间的厚度不变，浮动结的引入将会降低PN结处的峰值电场，还能有效的解决漂移区中导电沟道的变窄的问题，不会引起电流的降低，从而增强该结构对器件导通电阻降低的效果。

N^-外延层的顶面和底面之间的厚度为20μm，其氮离子掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁶cm^-3。P⁺型的离子注入区的厚度为0.8μm，其铝离子掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3。

在具体实施过程中，可以根据具体情况，在基本结构不变的情况下，进行一定的变通设计。例如：

一、在满足器件的耐压1500V的情况下，N^-外延层3的浓度可以设计为3×1015cm^-3、5×1015cm^-3和7×1015cm^-3三种不同的做法。浓度的增加会使电场的斜率降低，但同时也会改变上、下漂移区31、32的耐压能力，上漂移区31的耐压能力提高，而下漂移区32的耐压能力降低，上漂移区31对浓度更敏感，导致击穿电压随浓度的增加而增加。理想状态下N^-外延层3浓度不是唯一影响导通电阻和击穿电压的因素，浮动结的结构参数也是一个不可忽视的参量。在设计器件结构时应该综合考虑N^-外延层3浓度与浮动结结构，使得浮动结能最大的发挥其作用。

二、在满足器件的耐压1500V的情况下，P型浮动结的位置可以设计为距离肖特基接触区5μm、10μm和15μm三种不同的做法。浮动结的位置对于器件的击穿电压的影响很大，考虑器件的反向特性时应和外延层浓度综合考虑使得浮动结上下两层漂移区的最大电场强度都与临界电场强度相当，才能充分发挥其作用。

三、在满足器件的耐压1500V的情况下，P型浮动结的厚度可以设计为0.6μm、0.8μm和1μm三种不同的做法。减小浮动结的厚度可以同时减小导通电阻和增加击穿电压，在设计时应在保证浮动结不穿通的情况下减小浮动结的厚度。

四、P型浮动结的排列方式可以有图1和图2两种不同的做法。图1、图2中浮动结的形状为长方体，图1中浮动结排成多行，图2中浮动结交错排列。两种结构中浮动结的横截面积不变，厚度不变，仅改变浮动结的排列方式。由于两种不同的排列方式下浮动结的面积不变，器件的导电通路不会有所改变，故器件的正向特性相同，而反向击穿电压有所不同。

五、P型浮动结的形状还可以有图3和图4两种不同的做法。浮动结的横截面积不变，厚度不变，仅改变浮动结的形状。浮动结的面积不变，器件的导电通路不会有所改变，故器件的正向特性相同。由于长方体状浮动结尖角处容易产生电场峰值，对器件的反向特性有一定的影响，有可能降低器件的击穿电压。故将浮动结形状改进为图3中的六棱柱形和图4中的圆柱形，可以有效地减小埋层区尖角带来的对器件耐压的不良影响。

采用本发明的具有“块状”浮动结的碳化硅SBD器件，在保证峰值电场的抑制作用，不影响反向击穿电压的情况下，将尽可能的保证器件的导电通路，实现更好的正向导电通路和反向击穿电压之间的折中。随着半导体技术的发展，采用本发明还可以制作更多的新型高功率器件。

本发明还提供了一种上述具有块状浮动结的碳化硅SBD器件的制造方法，在此方法中，P⁺型的离子注入区4通过两次外延、一次单独注入实现。包括以下具体步骤：

A10、通过外延工艺在碳化硅衬底上制作第一层外延层，形成N^-外延层的下漂移区；

A20、离子束蒸发淀积金属层，通过刻蚀形成P型埋层区的窗口，离子注入形成P⁺型浮岛结构的埋层区，即离子注入区；

A30、通过第二次外延工艺在其上制作第二层外延层，形成N^-外延层的上漂移区；

A40、正面淀积SiO₂隔离介质；

A50、制作底面的欧姆接触区和顶面的肖特基接触区；

A60、PI胶钝化。

本发明具有如下优点：

1、本发明提出的器件将传统的碳化硅SBD中的“条状”浮动结改进为“块状”浮动结，相比于具有“条状”浮动结的碳化硅SBD器件，具有“块状”浮动结的碳化硅SBD器件一样能降低PN结处的峰值电场，能很好地保持器件的耐压特性，不会对器件的反向特性造成影响。

2、本发明提出的器件相比于传统的具有“条状”浮动结的碳化硅SBD器件，在满足所需要的击穿电压条件下，将有效的增大器件的导电通路，减小器件的导通电阻。

3、本发明提供的器件具有耐高压、高温、开关反应速度快、导通损耗低的优点，可用于高频功率电源、电动机车的功率驱动、固体白炽灯和航天功率系统。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件，包括自上往下依次分层设置的肖特基接触区、SiO₂隔离介质、N^-外延层、P⁺型的离子注入区、N⁺衬底区和欧姆接触区，所述P⁺型的离子注入区夹在所述N^-外延层的中部，且将所述N^-外延层分为上、下漂移区，其特征在于，所述P⁺型的离子注入区为水平均布的多个块状的浮动结。

2.如权利要求1所述的一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件，其特征在于，所述N^-外延层的顶面和底面之间的厚度为20μm，其氮离子掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁶cm^-3。

3.如权利要求1所述的一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件，其特征在于，所述P⁺型的离子注入区的厚度为0.8μm，其铝离子掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3。

4.如权利要求1所述的一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件，其特征在于，所述P⁺型的离子注入区和肖特基接触区之间的距离为10μm。

5.如权利要求1所述的一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件，其特征在于，所述浮动结的形状为长方体。

6.如权利要求1所述的一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件，其特征在于，所述浮动结的形状为六棱柱形。

7.如权利要求1所述的一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件，其特征在于，所述浮动结的形状为圆柱形。

8.一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

A10、通过外延工艺在碳化硅衬底上制作第一层外延层，形成N^-外延层的下漂移区；

A20、离子束蒸发淀积金属层，通过刻蚀形成P型埋层区的窗口，离子注入形成P⁺型浮岛结构的埋层区，即离子注入区；

A30、通过第二次外延工艺在其上制作第二层外延层，形成N^-外延层的上漂移区；

A40、正面淀积SiO₂隔离介质；

A50、制作底面的欧姆接触区和顶面的肖特基接触区；

A60、PI胶钝化。

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