CN103367140B

CN103367140B - 一种基于碳化硅的脉冲功率半导体开关的制造方法

Info

Publication number: CN103367140B
Application number: CN201310285893.4A
Authority: CN
Inventors: 梁琳; 魏铨
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2033-07-08
Also published as: CN103367140A

Abstract

本发明公开了一种基于碳化硅的脉冲功率半导体开关的制备方法，包括：选择碳化硅作为N⁺衬底，并在其上依次外延生长P基区、掺氮的N基区以及掺铝的P⁺发射区；对所获得的P⁺发射区执行选择性光刻，刻蚀去除P⁺区表面上需要注入N⁺离子的部分然后注入N⁺离子，由此在整个端面上形成P⁺N⁺区交替排列的结构；在所形成的器件两端分别加工形成阴极电极和阳极电极；在阳极一端执行台面造型和钝化保护，由此完成整个脉冲功率半导体开关的制备过程。本发明还公开了相应的脉冲功率开关产品。通过本发明，能够使器件的阻断、通态和开关特征之间具有更大的折衷空间，在降低高重频条件下的散热要求同时提高高温条件下的可靠性，并显著改善产品的整体性能。

Description

一种基于碳化硅的脉冲功率半导体开关的制造方法

技术领域

本发明属于半导体开关技术领域，更具体地，涉及一种基于碳化硅的脉冲功率半导体开关及其制造方法。

背景技术

大功率超高速的反向开关晶体管（RSD，Reversely Switched Dynistor）最初由俄罗斯科学院的Grekhov I V教授等人提出，该器件可同时实现数百kA大电流、数十kV高电压和微秒级的开通速度，并且经过二十多年的发展，其包括通流能力、开关速度在内的各项指标均已大大提高。据俄罗斯最新报道的应用RSD的1MJ电容储能模块中，其输出电流脉冲的最大幅值可高达800KA，上升时间为150μs。正是基于RSD的以上特点，将其作为脉冲功率的半导体开关获得了广泛应用。

随着技术的进一步发展，对RSD的性能也提出了更高的要求，特别是随着电压等级的提高，RSD串联的数量也需要增加，相应增加了系统的复杂性和装置的体积，同时扩大了不稳定因素；此外，随着开关重复频率的提高，对RSD的开关速度和散热能力等方面也提出了更高要求。为此，现有技术中从结构上提出了基于硅的RSD的透明阳极结构和缓冲层结构，从工艺采取少子寿命控制，此外从电路上提出两步法开通电路，以此方式来提高器件开关速度，同时降低RSD开通损耗，以上方法可以较好地协调RSD的通态、断态和开关特性。

然而，进一步的研究表明，对于基于硅的RSD脉冲功率半导体而言，由于硅限的存在，在通态特性和断态特性之间折中会受到硅材料的限制，使得总体性能存在极限，提高通态特性会对断态特性带来损失，而提高断态特性也会对通态特性带来损失。在此情况下，在本领域中亟需寻找更为完善的脉冲功率半导体开关及其制备方法，以便在解决现有技术上述问题的同时，获得更高综合性能的脉冲功率开关产品。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于碳化硅的脉冲功率半导体开关及其制造方法，其中通过采用碳化硅材料来制作半导体开关的组件并对其具体设置方式、规格参数等进行设计，可以从材料特性上提高器件的整体性能，使器件的阻断、通态和开关特征之间具有更大的折衷空间，降低高重频条件下的散热要求，同时提高高温条件下的可靠性。

按照本发明的一个方面，提供了一种基于碳化硅的脉冲功率半导体开关的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）选择碳化硅作为N⁺衬底，并在该N⁺衬底上外延生长P基区；

（b）在P基区上外延生长掺氮的N基区，然后在该N基区上继续外延生长掺铝的P⁺发射区；

（c）对通过步骤（b）所获得的P⁺发射区执行选择性光刻，蚀刻去除P⁺区表面上需要注入N⁺离子的部分并形成多个彼此间隔的凹陷区域；对应于这些凹陷区域选择性注入N⁺离子直至进入所述N基区，由此在整个端面上形成P⁺N⁺区交替排列的结构；

（d）在通过步骤（c）所形成的器件两端分别加工形成阴极的电极和阳极的电极，并在阳极一端执行台面造型然后对所形成的台面造型进行钝化保护，由此完成整个基于碳化硅的脉冲功率半导体开关的制备过程；或者是首先对形成有P⁺N⁺区交替排列结构的端面执行台面造型并对此台面造型进行钝化保护，然后分别在所获得的器件两端分别加工形成阴极的电极和阳极的电极，由此完成整个基于碳化硅的脉冲功率半导体开关的制备过程。

作为进一步优选地，在步骤（a）中，所述外延生长的温度被控制为1650℃～1850℃，所述P基区的浓度被控制为10¹⁶/cm³～10¹⁹/cm³，其厚度被控制为1μm～10μm。

作为进一步优选地，在步骤（b）中，所述掺氮的N基区的掺杂浓度被控制为10¹⁴/cm³～10¹⁶/cm³，厚度为10μm～50μm；所述掺铝的P⁺发射区的掺杂浓度被控制为10¹⁸/cm³～10¹⁹/cm³，厚度为1μm～6μm。

作为进一步优选地，在步骤（c）中，在无需刻蚀部位形成镍或铝的保护层，然后在氟化气体和氧气的混合气氛中以300W～600W的射频功率执行选择性刻蚀；对于注入N⁺离子的操作，N⁺离子的注入温度被控制为500℃～800℃，注入后的退火在1500℃～1700℃进行。

作为进一步优选地，在步骤（d）中，采用钛、铝和锗制作阳极侧欧姆接触电极，且其比接触电阻小于10^-6Ω·cm²；采用镍制作阴极侧欧姆接触电极，且其比接触电阻小于10^-5Ω·cm²；最后在两级分别沉积钛/镍/金的多层金属层膜。

作为进一步优选地，在步骤（d）中，采用反应离子刻蚀工艺来执行台面造型，并且在此过程中，通过控制刻蚀速率和刻蚀的各向异性，实现两侧面分别呈斜面的台面造型。

按照本发明的另一方面，提供了相应的脉冲功率半导体开关，其特征在于，该半导体开关沿着阴极端到阳极端的纵向方向依次分布有由碳化硅构成的N⁺衬底、在该N⁺衬底上外延生长的P基区、在该P基区上外延生长的掺氮的N基区，以及在该N基区上继续外延生长的掺铝的P⁺发射区；此外，所述P⁺发射区上形成有多个彼此间隔并且深入至所述N基区的N⁺发射区，由此在整个阳极端面上形成P⁺N⁺区交替排列的结构。

作为进一步优选地，所述N⁺衬底的厚度为300μm～350μm；所述P基区的浓度被控制为10¹⁶/cm³～10¹⁹/cm³，其厚度被控制为1μm～10μm；所述N基区的掺杂浓度被控制为10¹⁴/cm³～10¹⁶/cm³，厚度为10μm～50μm；所述 P⁺发射区的掺杂浓度被控制为10¹⁸/cm³～10¹⁹/cm³，厚度为1μm～6μm。

作为进一步优选地，所述脉冲功率开关从纵向方向观察，呈现为由P⁺NPN⁺的晶闸管单元和N⁺NPN⁺的晶体管单元共同构成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过采用碳化硅材料来制作半导体开关的PN层结构并对其具体设置方式进行设计，不仅可以兼顾高电压、大电流和高di/dt的优势，还易于触发同步，使器件的阻断、通态和开关特征有着更大的折衷空间，降低高重频条件下的散热要求，同时提高高温条件下的可靠性；

2、通过对N基区的掺杂浓度及其厚度规格作出具体限定，较多的测试表明，一方面更容易实现高的阻断电压，有效避免串联引起的可靠性问题，另一方面还便于减少整个开关器件的厚度，进一步改善通态和开关特征，而且无需采用特殊结构去协调诸特征之间的关系；

3、通过对P基区的掺杂浓度及其厚度规格作出具体限定，可以在保证其正常功能的同时使开关器件厚度更小，利于器件的小型化；此外，通过对P⁺发射区的掺杂浓度及厚度规格作出具体限定，可以形成透明阳极结构，有助于进一步提高开关器件的关断速度；

4、按照本发明的工艺制备方法便于操控，能够控制外延生长的各个区浓度分布更为均匀，并形成突变结；所制得的产品具备高本征温度和高热导率，与常规RSD相比能够更可靠地工作，其结温可达到300度以上，并且在重复频率较低的情况下几乎不用考虑散热问题，相应减小了系统体积和复杂性。

附图说明

图1a～1h分别显示了按照本发明的工艺流程来制作脉冲功率开关的各个阶段；

图2是按照本发明的基于碳化硅的脉冲功率开关的整体结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-N⁺衬底 2-P 基区 3-N 基区 4-P⁺发射区 5-N⁺发射区 6-阳极电极 7-阴极电极 8-钝化保护层

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1a～1h分别显示了按照本发明的工艺流程来制作脉冲功率开关的各个阶段。首先，如图1a和1b中所示，选择碳化硅（譬如4H-SIC）作为N⁺衬底，并在该N⁺衬底上外延生长P基区。N⁺衬底厚度可为300μm～350μm，通过化学机械抛光处理后依次在三氯乙烯、丙酮和无水乙醇中沸煮10分钟左右，用去离子水清洗并沸煮10分钟后再用硫酸、亚磷酸按照3:1体积比配置的容易中加热10分钟后放入去离子水清洗，最后用5%的HF溶液取出表面氧化层。P基区优选为外延P基区，并通过高温化学气相沉积法来实现，其具体工艺条件为：外延生长温度被控制为1650℃～1850℃，P基区的浓度被控制为10¹⁶/cm³～10¹⁹/cm³，其厚度被控制为1μm～10μm。通过以上设定，有助于在保证其正常功能的同时，使开关器件厚度更小，且利于器件的小型化。

接着，如图1c和1d中所示，在P基区上继续外延生长掺氮的N基区，然后在该N基区上继续外延生长掺铝的P⁺发射区。其中，按照本发明的优选实施方式，所述掺氮的N基区的掺杂浓度优选被控制为10¹⁴/cm³～10¹⁶/cm³，厚度优选被控制为10μm～50μm。通过以上具体设定，较多的测试表明一方面更容易实现高的阻断电压，有效避免串联引起的可靠性问题，另一方面还便于减少整个开关器件的厚度，进一步改善通态和开关特征，而且无需采用特殊结构去协调逐特征之间的关系。此外，对于掺铝的P⁺发射区而言，其掺杂浓度优选被控制为10¹⁸/cm³～10¹⁹/cm³，厚度为1μm～6μm。通过以上具体设定，可以形成透明阳极结构，并有助于进一步提高开关器件的关断速度。

接着，如图1e和1f中所示，对P⁺发射区执行选择性光刻，刻蚀去除P⁺区表面上需要注入N⁺离子的部分，并形成多个彼此间隔的凹陷区域；对应于这些凹陷区域选择性注入N⁺离子直至进入所述N基区，由此在整个端面上形成P⁺N⁺区交替排列的结构。其具体工艺操作为：在P⁺发射区上通过光刻工艺转移图形，无需刻蚀的部分形成镍或铝膜保护层，在氟化气体（如SF4、SF6、XeF2、CHF3等）和氧气的混合气体中以300W-600W的射频功率和适当的工作气压下进行选择性ICP，刻去需要进行N⁺离子注入部分的P⁺区；然后，采用低压化学气相沉积法淀积SiO₂掩膜，在N基区上通过选择性氮离子注入掺杂及高温退火，形成阳极端的N⁺发射区，离子注入温度优选被设定在500℃-800℃的范围，注入后的高温退火在1500℃-1700℃的范围内进行。

接着，如图1g中所示，在目前已形成的器件两端分别加工形成阴极的电极和阳极的电极。其具体操作过程为：阴极端溅射Ni并真空退火形成欧姆接触，比接触电阻优选被设定为小于10^-6Ω·cm²；阳极端采用稀释的HF去除表面自然氧化层，在超高真空系统中溅射钛、铝和锗制备欧姆接触电极，衬底温度为400℃-600℃，在混合气氛（10%H₂+90%Ar）中以700℃-950℃进行快速退火处理（3-5min），控制比接触电阻优选被设定为小于10^-5Ω·cm²；在两极分别淀积一层约几μm厚的Ti/Ni/Au多层金属膜；最后执行激光划片，分离芯片，并获得尽可能平整光滑的芯片终端。

最后，如图1h中所示，在阳极一端执行台面造型，然后对所形成的台面造型执行钝化保护，由此完成整个基于碳化硅的脉冲功率半导体开关的制备过程。按照本发明的一个优选实施方式，譬如采用反应耦合等离子体刻蚀工艺来执行台面造型，并且在此过程中，通过控制刻蚀速率和刻蚀的各向异性，实现两侧面分别呈斜面的台面造型。这样，可以达到既有效延伸器件表面空间电荷区宽度，减小表面电场，又不致过多损失芯片面积的目的。此外，对于钝化保护操作而言，可以采用低压气相沉积法淀积SiO₂形成钝化层。其具体工艺条件为：在低气压（≦100Pa）以及较低温度（500℃-650℃）下进行，并在550℃-650℃、N₂气氛中进行5-15min的淀积后退火处理，以此方式来获得致密杂质含量少的钝化层。在完成台面造型和钝化保护之后，可以进行管芯封装的操作。应当指出，上述的台面造型/钝化保护与两极形成的操作工艺可以互换，并最终形成所需的半导体开关产品。

图2是按照本发明的基于碳化硅的脉冲功率开关的整体结构示意图。如图2中所示，该半导体开关沿着阴极端到阳极端的纵向方向依次分布有由碳化硅构成的N⁺衬底1、在该N⁺衬底上外延生长的P基区2、在该P基区2上外延生长的掺氮的N基区3，以及在该N基区3上继续外延生长的掺铝的P⁺发射区4；此外，所述P⁺发射区4上形成有多个彼此间隔并且深入至所述N基区的N⁺发射区5，由此在整个阳极端面上形成P⁺N⁺区交替排列的结构。之后，分别执行台面造型及形成钝化保护层8，从而获得所需的成品。按照本发明的一个优选实施方式，所述P基区的浓度被控制为10¹⁶/cm³～10¹⁹/cm³，其厚度被控制为1μm～10μm。按照本发明的另一优选实施方式，所述N基区的掺杂浓度被控制为10¹⁴/cm³～10¹⁶/cm³，厚度为10μm～50μm。此外，所述P⁺发射区的掺杂浓度优选被控制为10¹⁸/cm³～10¹⁹/cm³，厚度优选被设定为1μm～6μm。

综上所述，本发明通过外延生长、离子注入和台面工艺，可以制备出相当于由P⁺NPN⁺的晶闸管单元和N⁺NPN⁺的晶体管单元交替排列共同构成的大功率高速碳化硅基脉冲开关。以此方式，预充阶段电荷积累在pn结上形成一块大的等离子层，并在开通阶段进行换流。器件的开通分为两个阶段，即预充阶段和导通阶段。对于预充阶段，即给RSD提供一个反向电流，使其外加电压极性反偏，n⁺-p射极反向偏置并被击穿，p-n-n⁺二极管单元正向偏置，引导电流在集电结上形成全面积上均匀的等离子层。当预充阶段结束后施加正向电压，使RSD外加电压极性反转，电子和空穴从集电结上等离子层移向相应的n基区和p基区，引起射极层注入非平衡载流子。对于导通阶段初期，电荷的总平衡是负的，直至等离子体的补充量大于消耗量平衡量才为正。在这样的情况下电荷会存在最低值，其大小与预充强度有关，只有电荷最低值时，没有发生等离子体层的耗尽，开通才能维持下去。通过以上的原理分析可知，上述产品与现有技术相比，具有更高的耐压和更快的开关速度，能承受更高的工作温度，减小开关装置体积，而且更适合在脉冲大电流情况下使用。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于碳化硅的脉冲功率半导体开关的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)选择碳化硅作为N⁺衬底，并在该N⁺衬底上外延生长P基区；

(b)在P基区上外延生长掺氮的N基区，然后在该N基区上继续外延生长掺铝的P⁺发射区；

(c)对通过步骤(b)所获得的P⁺发射区执行选择性光刻，刻蚀去除P⁺区表面上需要注入N⁺离子的部分并形成多个彼此间隔的凹陷区域；对应于这些凹陷区域选择性注入N⁺离子直至进入所述N基区，由此在整个端面上形成P⁺N⁺区交替排列的结构；

(d)在通过步骤(c)所形成的器件两端分别加工形成阴极的电极和阳极的电极，并在该阳极一端执行台面造型然后对所形成的台面造型进行钝化保护，由此完成整个基于碳化硅的脉冲功率半导体开关的制备过程；或者是首先对形成有P⁺N⁺区交替排列结构的端面执行台面造型并对此台面造型进行钝化保护，然后分别在所获得的器件两端分别加工形成阴极的电极和阳极的电极，由此完成整个基于碳化硅的脉冲功率半导体开关的制备过程。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述外延生长的温度被控制为1650℃～1850℃，所述P基区的浓度被控制为10¹⁶/cm³～10¹⁹/cm³，其厚度被控制为1μm～10μm。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述掺氮的N基区的掺杂浓度被控制为10¹⁴/cm³～10¹⁶/cm³，厚度为10μm～50μm；所述掺铝的P⁺发射区的掺杂浓度被控制为10¹⁸/cm³～10¹⁹/cm³，厚度为1μm～6μm。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(c)中，在无需刻蚀部位形成镍或铝的保护层，然后在氟化气体和氧气的混合气氛中以300W～600W的射频功率执行选择性刻蚀；对于注入N⁺离子的操作，N⁺离子的注入温度被控制为500℃～800℃，注入后的退火在1500℃～1700℃进行。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，采用钛、铝和锗作阳极侧欧姆接触电极，且其比接触电阻小于10^-6Ω·cm²；采用镍制作阴极侧欧姆接触电极，且其比接触电阻小于10^-5Ω·cm²；最后在两极分别沉积钛/镍/金的多层金属层膜。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在步骤(d)中，采用反应离子刻蚀工艺来执行台面造型，并且在此过程中，通过控制刻蚀速率和刻蚀的各向异性，实现两侧面分别呈斜面的台面造型。