CN103928506B - 采用金属发射极的碳化硅双极型晶体管器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用金属发射极的碳化硅双极型晶体管器件及其制作方法，用肖特基金属作为发射极，避免了传统结构中的发射区刻蚀工艺，降低了器件制作难度，同时大幅度提高了器件的特性，通过控制所述的肖特基金属层材料以及对基区表面进行处理来提高器件的电流增益。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，特别是一种采用金属发射极的碳化硅双极型晶体管器件及其制作方法。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，大功率半导体器件的需求越来越显著。由于材料的限制，传统的硅器件特性已经到达它的理论极限，碳化硅是最近十几年来迅速发展起来的宽禁带半导体材料，它具有宽禁带、高热导率、高载流子饱和迁移率、高功率密度等优点，能够适用于大功率、高温及抗辐照等应用领域。其中，碳化硅双极型晶体管属于常关的双极型载流子器件，它避开了碳化硅MOSFET遇到的栅氧问题，理论工作温度能达到500℃以上。和其他开关器件相比，制作工艺比较成熟。已在开关稳压电源、电能转换、汽车电子以及功率放大器等方面取得了广泛的应用。
然而，碳化硅双极型晶体管的研制仍然存在很多问题。为了达到较高的电流增益，双极型晶体管的设计往往采用较薄的基区。然而，外延生长的误差及不均匀性使得基区的实际厚度及分布与理想情况有所差别，数值一般在10％-20％。这对发射区台面的刻蚀带来一定的困难，刻蚀不到会使发射极和基极短接，无法形成正常的器件；刻蚀过度则会导致基区变薄，器件在反向高压下容易发射穿通，降低了器件的击穿电压。此外，刻蚀带来的损伤使得外延片的表面情况变差，进一步影响器件的电流增益和反向特性。因此，怎样避免发射极台面刻蚀工艺的影响成为碳化硅双极型晶体管研制中需要解决的问题。
图1为传统的双极型晶体管结构，区域2为发射区，区域3为基区，为了在基区上实现基极欧姆接触4，必须采用刻蚀工艺来实现基区接触面的裸露。然而基区往往都很薄(0.5～1μm)，在现有的工艺研究现状中刻蚀的精度无法保证。有不少监控手段都用于刻蚀速率的监控，例如Zhang JH等人提出一种刻蚀监控图形，通过在刻蚀过程中不断取出样片测量电压，比较之间的电流值大小判断是否到达基区。但此种方法并不适用于实际生产中，况且通常外延片厚度及均匀性也有一定范围，并不能保证整个晶片的刻蚀深度到达合适位置。除此之外，更深入的研究表明经过刻蚀的碳化硅表面粗糙度较大，与钝化层的界面度密度较高，使得表面复合速率上升，大幅度降低了发射区的注入效率，进而降低了器件的电流增益。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，提出一种采用金属发射极的碳化硅双极型晶体管及制备方法，以避免发射极台面刻蚀所带来的工艺不稳定性，同时通过调节金属与p型碳化硅的肖特基势垒高度，可以显著地提高器件的电流增益，降低外部驱动电路的复杂性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种采用金属发射极的碳化硅双极型晶体管器件，自上而下依次包括发射极肖特基金属、基极接触金属、基极P+注入区、基区、N-集电区、器件隔离区、N+衬底和集电极，所述基区上设有发射极肖特基金属，所述基区表面两侧设有基极P+注入区，所述基极P+注入区上连接有基极接触金属，所述集电极上设有N+衬底，N+衬底上设有器件隔离区，器件隔离区上设有N-集电区。
其中，所述的发射极肖特基金属厚度为500nm，材质为Al合金或LaB6。
其中，所述的基区的厚度为0.4～0.6μm、铝离子掺杂浓度为5×1015～1×1016cm-3。
其中，所述P+注入区的厚度为0.15μm，铝离子掺杂浓度为1×1020cm-3。
其中，所述基极接触金属为厚度分别为100nm/100nm/300nm的Ni/Ti/Al合金。
其中，所述的N-集电区的厚度是9～10μm、氮离子掺杂浓度是5×1015～1×1016cm-3。
一种采用金属发射极的碳化硅双极型晶体管器件制作方法，包括如下步骤：
S1、对N+型碳化硅衬底片进行RCA标准清洗后，在正面上外延生长厚度为9～10μm、氮离子掺杂浓度为5×1015～1×1016cm-3的N-集电区；
S2、在N-集电区上外延生长厚度为0.5～0.7μm、硼离子掺杂浓度5×1016～～5×1017cm-3的基区；
S3、采用ICP刻蚀工艺，对N-集电区的两侧进行刻蚀，形成器件隔离槽，刻蚀深度为2～5μm；
S4、在整个碳化硅表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2后，淀积厚度为0.7μm的Al作为基极P+注入区铝离子注入的阻挡层，并通过光刻和刻蚀形成基极P+注入区；在650℃的温度下进行2次铝离子注入，注入的剂量分别为1.2×1014cm-2和4.1×1013cm-2，对应的能量分别为110keV和40keV；采用RCA清洗标准对碳化硅表面依次进行清洗、烘干和C膜保护，并在1700～1750℃氩气氛围中作15min的离子激活退火；
S5、在整个碳化硅片正面涂光刻胶后，通过显影形成P+欧姆接触区域；在整个碳化硅片淀积300nm/100nm的Al/Ti合金后，通过超声波剥离使正面形成接触金属层；在1000℃温度下，氮气气氛中对整个碳化硅片退火3分钟形成欧姆接触电极；
S6、在整个碳化硅片正面涂光刻胶后，通过显影形成金属发射极；在整个碳化硅片淀积500nm的Al合金，之后通过超声波剥离使正面形成基极接触金属。
所述S1的外延工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气。
所述S2的外延工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，杂质源为三甲基铝。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：本发明去掉了发射区及发射极欧姆接触金属，降低了器件的材料及制作成本。本发明用肖特基金属作为发射极，避免了传统结构中的发射区刻蚀工艺，降低了器件制作难度，同时大幅度提高了器件的特性。本发明可以通过控制所述的肖特基金属层材料以及对基区表面进行处理来提高器件的电流增益。
附图说明
图1是传统的碳化硅双极型晶体管器件结构示意图；
图2是本发明提供金属发射极的碳化硅双极型晶体管结构示意图；
图3是本发明的主要工艺流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合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。
如图1所示，本发明的本发明提供了一种一种采用金属发射极的碳化硅双极型晶体管器件，自上而下依次包括金属发射极1、基极接触金属2、基极P+注入区3、基区4、N-集电区5、器件隔离区6、N+衬底7和集电极8。其中，N+衬底7为高掺杂的N型碳化硅衬底片，N+衬底7的上面为厚度是9～10μm、氮离子掺杂浓度是5×1015～1×1016cm-3的N-集电区5；N-集电区5上面为厚度是0.4～0.6μm、铝离子掺杂浓度为5×1015～1×1016cm-3的基区4；N-集电区5两侧为厚度为2～5μm的器件隔离区6；在基区4表面的两侧区域是由高剂量离子注入形成的厚度为0.15μm，铝离子掺杂浓度为1×1020cm-3的基极P+注入区3；在基极P+注入区3上面由厚度分别为100nm/100nm/300nm的Ni/Ti/Al合金的基极接触金属2；在基区4中间部分为500nm的Al合金或LaB6金属形成的金属发射极1。
实施例1
第1步，在N+碳化硅衬底片上外延生长N-集电区，如图3a。
先对N+型碳化硅衬底片7进行RCA标准清洗；再在其正面上用低压热壁化学气相淀积法外延生长厚度为9μm、氮离子掺杂浓度为5×1015cm-3的N-集电区5，其外延工艺条件是：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气。
第2步，在N-集电区上外延生长基区，如图3b。
在N-集电区5上用低压热壁化学气相淀积法外延生长厚度为0.5μm、硼离子掺杂浓度为5×1016cm-3的基区4，其外延工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，杂质源为三甲基铝。
第3步.刻蚀器件隔离区6，如图3c。
采用ICP刻蚀工艺，对器件的隔离区6进行刻蚀，刻蚀深度为2μm。
第4步，在基区中多次选择性铝离子注入，形成基区欧姆接触的P+注入区，如图3d。
(3.1)用低压化学汽相淀积方式在整个碳化硅表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，再淀积厚度为0.7μm的Al作为基极P+注入区3铝离子注入的阻挡层，并通过光刻和刻蚀形成基极P+注入区；
(3.2)在650℃的温度下进行2次铝离子注入，注入的剂量分别为1.2×1014cm-2和4.1×1013cm-2，对应的能量分别为110keV和40keV；
(3.3)采用RCA清洗标准对碳化硅表面依次进行清洗、烘干和C膜保护，并在1700～1750℃氩气氛围中作15min的离子激活退火。
第5步，淀积形成基极接触金属层，如图3e。
(5.1)在整个碳化硅片正面涂光刻胶，然后通过显影形成P+欧姆接触区域；
(5.2)对整个碳化硅片淀积300nm/100nm的Al/Ti合金，之后通过超声波剥离使正面形成接触金属层；
(5.3)在1000℃温度下，氮气气氛中对整个碳化硅片退火3分钟形成欧姆接触。
第6步，淀积形成集电极接触金属层，如图3f。
对整个碳化硅片背面淀积500nm的Ni金属，在1050℃温度下，氮气气氛中对整个碳化硅片退火3分钟形成欧姆接触。
第7步，淀积形成发射极肖特基金属层，如图3g。
(7.1)在整个碳化硅片正面涂光刻胶，然后通过显影形成金属发射极1；
(7.2)对整个碳化硅片淀积500nm的Al合金，之后通过超声波剥离使正面形成接触金属层；
实施例2
步骤1，在N+碳化硅衬底片上外延生长N-集电区，如图3a。
先对N+型碳化硅衬底片7进行RCA标准清洗；再在其正面上用低压热壁化学气相淀积法外延生长厚度为9.5μm、氮离子掺杂浓度为7×1015cm-3的N-集电区5，其外延工艺条件是：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气。
步骤2，在N-集电区上外延生长基区，如图3b。
在N-集电区5上用低压热壁化学气相淀积法外延生长厚度为0.6μm、硼离子掺杂浓度为1×1017cm-3的基区4，其外延工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，杂质源为三甲基铝。
步骤3，刻蚀器件隔离区6，如图3c。
采用ICP刻蚀工艺，对器件的隔离区6进行刻蚀，刻蚀深度为3.5μm。
步骤4，在基区中多次选择性铝离子注入，形成基区欧姆接触的P+注入区，如图3d。
(3.1)用低压化学汽相淀积方式在整个碳化硅表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，再淀积厚度为0.7μm的Al作为基极P+注入区3铝离子注入的阻挡层，并通过光刻和刻蚀形成基极P+注入区；
(3.2)在650℃的温度下进行2次铝离子注入，注入的剂量分别为1.2×1014cm-2和4.1×1013cm-2，对应的能量分别为110keV和40keV；
(3.3)采用RCA清洗标准对碳化硅表面依次进行清洗、烘干和C膜保护，并在1700～1750℃氩气氛围中作15min的离子激活退火。
步骤5，淀积形成基极接触金属层，如图3e。
(5.1)在整个碳化硅片正面涂光刻胶，然后通过显影形成P+欧姆接触区域；
(5.2)对整个碳化硅片淀积300nm/100nm的Al/Ti合金，之后通过超声波剥离使正面形成接触金属层；
(5.3)在1000℃温度下，氮气气氛中对整个碳化硅片退火3分钟形成欧姆接触。
步骤6，淀积形成集电极接触金属层，如图3f。
对整个碳化硅片背面淀积500nm的Ni金属，在1050℃温度下，氮气气氛中对整个碳化硅片退火3分钟形成欧姆接触。
步骤7，淀积形成发射极肖特基金属层，如图3g。
(7.1)在整个碳化硅片正面涂光刻胶，然后通过显影形成金属发射极1；
(7.2)对整个碳化硅片淀积500nm的Al合金，之后通过超声波剥离使正面形成接触金属层；
实施例3
步骤A，在N+碳化硅衬底片上外延生长N-集电区，如图3a。
先对N+型碳化硅衬底片7进行RCA标准清洗；再在其正面上用低压热壁化学气相淀积法外延生长厚度为10μm、氮离子掺杂浓度为1×1016cm-3的N-集电区5，其外延工艺条件是：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气。
步骤B，在N-集电区上外延生长基区，如图3b。
在N-集电区5上用低压热壁化学气相淀积法外延生长厚度为0.7μm、硼离子掺杂浓度为5×1017cm-3的基区4，其外延工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，杂质源为三甲基铝。
步骤C，刻蚀器件隔离区6，如图3c。
采用ICP刻蚀工艺，对器件的隔离区6进行刻蚀，刻蚀深度为5μm。
步骤D，在基区中多次选择性铝离子注入，形成基区欧姆接触的P+注入区，如图3d。
(3.1)用低压化学汽相淀积方式在整个碳化硅表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，再淀积厚度为0.7μm的Al作为基极P+注入区3铝离子注入的阻挡层，并通过光刻和刻蚀形成基极P+注入区；
(3.2)在650℃的温度下进行2次铝离子注入，注入的剂量分别为1.2×1014cm-2和4.1×1013cm-2，对应的能量分别为110keV和40keV；
(3.3)采用RCA清洗标准对碳化硅表面依次进行清洗、烘干和C膜保护，并在1700～1750℃氩气氛围中作15min的离子激活退火。
步骤E，淀积形成基极接触金属层，如图3e。
(5.1)在整个碳化硅片正面涂光刻胶，然后通过显影形成P+欧姆接触区域；
(5.2)对整个碳化硅片淀积300nm/100nm的Al/Ti合金，之后通过超声波剥离使正面形成接触金属层；
(5.3)在1000℃温度下，氮气气氛中对整个碳化硅片退火3分钟形成欧姆接触。
步骤F，淀积形成集电极接触金属层，如图3f。
对整个碳化硅片背面淀积500nm的Ni金属，在1050℃温度下，氮气气氛中对整个碳化硅片退火3分钟形成欧姆接触。
步骤G，淀积形成发射极肖特基金属层，如图3g。
(7.1)在整个碳化硅片正面涂光刻胶，然后通过显影形成金属发射极1；
(7.2)对整个碳化硅片淀积500nm的LaB6，之后通过超声波剥离使正面形成接触金属层；
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种采用金属发射极的碳化硅双极型晶体管器件制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对N+型碳化硅衬底片(7)进行RCA标准清洗后，在正面上外延生长厚度为9～10μm、氮离子掺杂浓度为5×1015～1×1016cm-3的N-集电区(5)；
S2、在N-集电区(5)上外延生长厚度为0.5～0.7μm、硼离子掺杂浓度5×1016～5×1017cm-3的基区(4)；
S3、采用ICP刻蚀工艺，对N-集电区(5)的两侧进行刻蚀，形成器件隔离槽，刻蚀深度为2～5μm；
S4、在整个碳化硅表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2后，淀积厚度为0.7μm的Al作为基极P+注入区(3)铝离子注入的阻挡层，并通过光刻和刻蚀形成基极P+注入区(3)；在650℃的温度下进行2次铝离子注入，注入的剂量分别为1.2×1014cm-2和4.1×1013cm-2，对应的能量分别为110keV和40keV；采用RCA清洗标准对碳化硅表面依次进行清洗、烘干和C膜保护，并在1700～1750℃氩气氛围中作15min的离子激活退火；
S5、在整个碳化硅片正面涂光刻胶后，通过显影形成P+欧姆接触区域；在整个碳化硅片淀积300nm/100nm的Al/Ti合金后，通过超声波剥离使正面形成接触金属层；在1000℃温度下，氮气气氛中对整个碳化硅片退火3分钟形成欧姆接触电极；
S6、在整个碳化硅片正面涂光刻胶后，通过显影形成金属发射极(1)；在整个碳化硅片淀积500nm的Al合金，之后通过超声波剥离使正面形成基极接触金属(2)。
2.根据权利要求1所述的采用金属发射极的碳化硅双极型晶体管器件制作方法，其特征在于，所述S1的外延工艺条件是：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气。
3.根据权利要求2所述的采用金属发射极的碳化硅双极型晶体管器件制作方法，其特征在于，所述S2的外延工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，杂质源为三甲基铝。
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