CN104078516A - 基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅sbd器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件，所述碳化硅SBD器件包括金属、Si02隔离介质、沟槽、一次N-外延层、P+离子注入区、二次N-外延层、N+衬底区、欧姆接触区，其中，所述沟槽与P+离子注入区上下对齐，形状相同，或者与非P+离子注入区，上下对齐，形状相同，沟槽和P+离子注入区为水平分布的条状的沟槽和浮动结。本发明集合了沟槽式碳化硅SBD和和浮动结碳化硅SBD的优点，提高了击穿电压，降低了导通电阻。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种具有沟槽的浮动结碳化硅SBD器件及其制造方法。
背景技术
碳化硅材料比Si具有更优良的电学性能，这使它十分适合于高压、大功率以及高频等领域。而它的发展步伐已经超过其他宽禁带半导体，比其他宽禁带半导体有更广泛的应用。
SiC材料禁带宽度大，可达到3eV以上，是Si的3倍，临界击穿电场可达到2MV/cm以上，比Si高出一个数量级，而在高压大功率器件中，往往需要较厚的轻掺杂的外延层来获得较高的反向击穿电压，但是这会导致正向导通特性的降低，这就使SiC在高压大功率领域显现出了巨大的优势，在相同击穿电压下，SiC功率器件的导通电阻只有Si功率器件的1/100到1/200，而在相同的特征导通电阻下，Si功率器件的击穿电压是SiC功率器件的1/10到1/20。此外SiC材料热导率高(4.9W/cm.K左右)，是Si的8倍，并且器件耐高温，比Si更适合于大电流器件。SiC载流子寿命短，只有几纳秒到几百纳秒。在相同导通电阻下，SiC器件的开关速度远远小于Si器件的开关速度，更适合制造高频功率器件。SiC材料的抗辐照特性也十分优秀，在相同辐射条件下，SiC材料中引入的电子-空穴对比Si材料要少得多。因此，SiC优良的物理特性使得SiC器件在航空航天电子，高温辐射恶劣环境、军用电子、石油勘探、、自动化、核能、无线通信、雷达、汽车电子、大功率相控阵雷、射频RF和微波等领域有广泛的应用，并且在未来的新能源如水能、风能和太阳能等领域也有极其良好的应用前景。
功率半导体器件在发展过程中一直追求更大的电流和更大的反向阻断电压，为了实现高击穿电压，在近几年功率器件新结构的研究中，最热的就是超结结构、半超结结构以及浮结结构。“超结”的概念由Tarsuhiko等人再1997年提出，但是超结的制造难度很大，多次交替的离子注入和外延生长尤其对SiC更难。相比来说，浮动结器件更容易实现。SiC浮动结器件已经在实验室由T Hatakeyama等人首次制造成功。
浮动结碳化硅肖特基二极管(SiC FJ-SBD)相对于传统肖特基二极管，在器件的外延层中引入了埋层，增大了器件的击穿电压。而沟槽式肖特基二极管通过在器件表面引入沟槽增大了正向导通电流，这两种碳化硅器件在近几年都在功率器件倍领域关注。
但是浮动结碳化硅SBD引入的埋层导致正向导通电流的导电沟道变窄，降低了器件的正向导通特性。而沟槽式碳化硅SBD的沟槽拐角处导致了器件在反向电压的作用下引入峰值电场，降低了器件的击穿电压。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件及其制造方法，用以克服上述技术缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件，其包括金属、SiO2隔离介质、沟槽、一次N-外延层、P+离子注入区、二次N-外延层、N+衬底区、欧姆接触区，其中，
所述沟槽与P+离子注入区上下对齐，形状相同，或者与非P+离子注入区，上下对齐，形状相同，沟槽和P+离子注入区为水平分布的条状的沟槽和浮动结。
进一步，所述沟槽与此沟槽下方的P+离子注入区形状相同，面积相等，边缘对齐，或者每个沟槽与此沟槽下方的非P+离子注入区的面积相等，边缘对齐。
进一步，所述沟槽3的深度为1～3μm，位于金属1下方，二次N-外延层的表面。
进一步，所述一次N-外延层位于N+衬底之上，厚度为5～15μm，其中氮离子的掺杂浓度为掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3。
进一步，所述P+离子注入区位于一次N-外延层表面，其铝离子的掺杂浓度为1x1017cm-3～1x1019cm-3，离子注入深度为0.5μm；二次N-外延层位于一次N-外延层上方，厚度是5～15μm，其中氮离子的掺杂浓度为掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3一次N-外延层和二次N-外延层的总厚度为20μm。
本发明还提供一种基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的制作方法，该具体过程为：
步骤a，在N+碳化硅衬底上样片外延生长一次N-外延层，外延层厚度为5～15μm，，氮离子掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3；
步骤b，在一次N-外延层上进行四次选择性铝离子注入，形成所述的P+离子注入区，即浮动结，掺杂浓度为1x1017cm-3～1x1019cm-3，离子注入深度为0.5μm；
步骤c，在一次N-外延层上外延生长二次N-外延层，外延层厚度为5～15μm，，氮离子掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3；
步骤d，采用干氧氧化和湿氧氧化结合的工艺，在SiC样片正面形成厚度为200nm的SiO2隔离介质；
步骤e，在SiC样片的背面淀积300nm/100nm的Al/Ti合金，在1050℃下氮气气氛中对SiC样片进行退火3min；
步骤f，以光刻胶作为掩膜，对SiO2进行选择性刻蚀，形成肖特基接触窗口。刻蚀为RIE刻蚀，反应气体为CHF3；
步骤g，以Ni作为掩膜，对SiC样片正面进行ICP刻蚀，形成沟槽。ICP刻蚀在SF6和O2气氛中进行，沟槽的刻蚀深度为1～3μm；
步骤h，在SiC样片淀积厚度为分别为1nm/200nm/1000nm的金属Ti/Ni/Al，正面涂胶、光刻后形成肖特基接触；
步骤i，对SiC样片正面进行PI胶钝化。
进一步，在上述步骤a和c中，外延层厚度为5μm，，氮离子掺杂浓度为3x1015cm-3，生长气压为100mbar，生长温度是1600℃。
步骤b20,离子注入后在硅烷气氛下进行退火，退火温度为1650℃，退火时间为10min。
进一步，上述步骤c的具体过程为：
步骤c10，对SiC样片使用标准RCA工艺进行清洗；
步骤c20,在一次N-外延层上外延生长二次N-外延层，氮离子掺杂浓度为3x1015cm-3，生长气压为100mbar，反应气体为硅烷和丙烷，生长时间为3h。
进一步，在上述步骤f中，反应气体为CHF3，刻蚀时间为1.5min，气体流量为40cm3/min，射频电源功率为200W，反应室气体压力为5Pa。
与现有技术相比较本发明的有益效果在于：在保留了浮动结碳化硅SBD和沟槽式碳化硅SBD优点的基础上，对浮动结碳化硅SBD和沟槽式碳化硅SBD进行了结构上合理的改进，将两种器件以一定方式进行了合理的组合和排列，克服了沟槽式碳化硅SBD击穿电压低和浮动结碳化硅SBD导通电流小的缺点。从而提高了击穿电压，降低了导通电阻。
本发明提供的器件引入了条形的沟槽和P+离子注入区，条形为传统的浮动结形状，经过国内外多次实验验证。本发明提供的器件具有耐高温、开关时间短和抗辐射能力强等优点，可应用于汽车电子、航空航天电子和电力电子领域。
附图说明
图1a为本发明沟槽与P+离子注入区上下对齐的条形沟槽的浮动结碳化硅SBD器件的剖面图；
图1b为本发明具有条形沟槽的浮动结碳化硅SBD器件的俯视图；
图2为本发明沟槽与非P+离子注入区上下对齐的条形沟槽的浮动结碳化硅SBD器件的剖面图；
图3为本发明制作具有条形沟槽的浮动结碳化硅SBD器件的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
请参阅图1a、1b和2所示，本发明基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件包括金属1、SiO2隔离介质2、沟槽3、一次N-外延层4、P+离子注入区5、二次N-外延层6、N+衬底区7、欧姆接触区8，其中，
其中，所述N+衬底7是重掺杂的N型碳化硅(SiC)衬底片，掺杂浓度为1×1018cm-3或5×1018cm-3。
所述一次N-外延层4位于N+衬底7之上，厚度为5～15μm，其中氮离子的掺杂浓度为掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3。
所述P+离子注入区5位于一次N-外延层4表面，其铝离子的掺杂浓度为1x1017cm-3～1x1019cm-3，离子注入深度为0.5μm。二次N-外延层6位于一次N-外延层4上方，厚度是5～15μm，其中氮离子的掺杂浓度为掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3。一次N-外延层4和二次N-外延层6的总厚度为20μm。
所述金属1和SiO2隔离介质2位于二次N-外延层6上方，金属1和SiO2隔离介质2相邻，且金属1与和SiO2隔离介质2有交界处12，如图2所示。
所述沟槽3的深度为1～3μm，位于金属1下方，且具有交界处13。二次N-外延层6的表面。每个沟槽3与下方相对应的P+离子注入区5或和非P+离子注入区5形状相同，面积相等，上下对齐。
所述沟槽3与此沟槽3下方的P+离子注入区形状相同，面积相等，边缘对齐，或者每个沟槽3与此沟槽3下方的非P+离子注入区的面积相等，边缘对齐。
上方和下方才能同时有效分担峰值电场，击穿电压才能最大。在N-外延层4掺杂浓度越大，浮动结位置越往上。
图3为本发明制作具有条形沟槽的浮动结碳化硅SBD器件的流程图，该具体过程为：
步骤a，在N+碳化硅衬底上样片外延生长一次N-外延层，外延层厚度为5～15μm，，氮离子掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3；
步骤b，在一次N-外延层上进行四次选择性铝离子注入，形成所述的P+离子注入区，即浮动结，掺杂浓度为1x1017cm-3～1x1019cm-3，离子注入深度为0.5μm；
步骤c，在一次N-外延层上外延生长二次N-外延层，外延层厚度为5～15μm，，氮离子掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3；
步骤d，采用干氧氧化和湿氧氧化结合的工艺，在SiC样片正面形成厚度为200nm的SiO2隔离介质；
步骤e，在SiC样片的背面淀积300nm/100nm的Al/Ti合金，在1050℃下氮气气氛中对SiC样片进行退火3min；
步骤f，以光刻胶作为掩膜，对SiO2进行选择性刻蚀，形成肖特基接触窗口；刻蚀为RIE刻蚀，反应气体为CHF3；
步骤g，以Ni作为掩膜，对SiC样片正面进行ICP刻蚀，形成沟槽。ICP刻蚀在SF6和O2气氛中进行，沟槽的刻蚀深度为1～3μm；
步骤h，在SiC样片淀积厚度为分别为1nm/200nm/1000nm的金属Ti/Ni/Al，正面涂胶、光刻后形成肖特基接触；
步骤i，对SiC样片正面进行PI胶钝化。
基于上述方法的各实施例，如下述所示：
实施例一：
步骤a1，对N+碳化硅衬底上样片使用标准RCA工艺进行清洗，如图3中a所示，
采用VP508外延生长系统在为掺杂浓度为1×1018cm-3的N+SiC衬底上样片外延生长一次N-外延层，如图3中b所示。
其中外延层厚度为5μm，，氮离子掺杂浓度为3x1015cm-3，生长气压为100mbar，生长温度是1600℃，反应气体为硅烷和丙烷，生长时间为1h。
步骤b1，离子注入形成P+离子注入区，如图3中c所示；
步骤b11，在650℃下，以铝作为掩膜，对一次N-外延层进行三次选择性离子注入，使铝离子形成稳定的盒状分布，注入能量为450KeV、250keV和120keV，注入剂量为8x1013cm-2、6x1013cm-2和3x1013cm-2、注入后铝离子掺杂浓度为3x1018cm-3，离子注入深度为0.5μm；
步骤b12，离子注入后在硅烷气氛下进行退火，退火温度为1650℃，退火时间为10min。
步骤c1，使用二次外延工艺形成二次N-外延层，如图3中d所示；
步骤c11，对SiC样片使用标准RCA工艺进行清洗；
步骤c12，在一次N-外延层上外延生长二次N-外延层，外延层厚度为15μm，氮离子掺杂浓度为3x1015cm-3，生长气压为100mbar，生长温度是1600℃，反应气体为硅烷和丙烷，生长时间为3h。
步骤d1，在1200℃下对SiC样片进行干氧氧化1h，再在950℃下湿氧氧化5h，然后在1200℃下对SiC样片进行干氧氧化1.5h，再SiC样片正面形成厚度为200nm的SiO2隔离介质，如图3中e所示；
步骤e1，在SiC样片的背面淀积300nm/100nm的Al/Ti合金，在1050℃下氮气气氛中对SiC样片进行退火3min，在SiC样片背面形成欧姆接触，如图3中f所示；
步骤f1，以光刻胶作为掩膜，对SiO2进行RIE选择性刻蚀，形成肖特基接触窗口，如图3中g所示；
反应气体为CHF3，刻蚀时间为1.5min，气体流量为40cm3/min，射频电源功率为200W，反应室气体压力为5Pa。
步骤g1，以Ni作为掩膜，对SiC样片正面进行ICP刻蚀，形成沟槽，如图3中h所示；ICP刻蚀在SF6和O2气氛中进行，沟槽的刻蚀深度为3μm。沟槽与其下方的P+离子注入区上下对齐。
ICP线圈的功率为850W，源功率为100W，反应气体SF6为48sccm，O2为12sccm。
步骤h1，制作肖特基接触。
步骤h11，对SiC样片使用标准RCA工艺进行清洗；
步骤h12，在SiC样片淀积厚度为分别为1nm/200nm/1000nm的金属Ti/Ni/Al，正面涂胶、光刻后形成肖特基接触，如图3中i所示。
步骤i1，预PA膜预固化，涂胶，刻蚀PA膜，湿法去胶，亚胺化，完成PI表面钝化。
实施例二：
步骤a2,使用标准RCA工艺清洗N+碳化硅衬底样片；
采用VP508外延生长系统在为掺杂浓度为5×101Scm-3的N+SiC衬底上样片外延生长一次N-外延层，外延层厚度为10μm，，氮离子掺杂浓度为5x1015cm-3，生长气压为100mbar，生长温度是1600℃，反应气体为硅烷和丙烷，生长时间为12min。
步骤b2,在650℃下，以铝作为掩膜对一次N-外延层进行三次选择性离子注入注入能量为，450KeV、250keV和120keV，注入剂量为8x1013cm-2、6x1013cm-2和3x1013cm-2、注入后铝离子掺杂浓度为3x1018cm-3，离子注入深度为0.5μm。
离子注入后在硅烷气氛下进行退火，退火温度为1650℃，退火时间为10min。
步骤c2,对SiC样片使用标准RCA工艺进行清洗。
在一次N-外延层上外延生长二次N-外延层，外延层厚度为10μm，，氮离子掺杂浓度为5x1015cm-3，生长气压为100mbar，生长温度是1600℃，反应气体为硅烷和丙烷，生长时间为2h。
步骤d2，在1200℃下对SiC样片进行干氧氧化1h，再在950℃下湿氧氧化5h，然后在1200℃下对SiC样片进行干氧氧化1.5h，再SiC样片正面形成厚度为200nm的SiO2隔离介质。
步骤e2,在SiC样片的背面淀积300nm/100nm的Al/Ti合金，在1050℃下氮气气氛中对SiC样片进行退火3min，在SiC样片背面形成欧姆接触。
步骤f2，以光刻胶作为掩膜，对SiO2进行RIE选择性刻蚀，形成肖特基接触窗口。反应气体为CHF3，刻蚀时间为1.5min，气体流量为40cm3/min，射频电源功率为200W，反应室气体压力为5Pa。
步骤g2，以Ni作为掩膜，对SiC样片正面进行ICP刻蚀，形成沟槽；ICP刻蚀在SF6和O2气氛中进行，沟槽的刻蚀深度为2μm。沟槽与其下方的非P+离子注入区上下对齐。ICP线圈的功率为850W，源功率为100W，反应气体SF6为48sccm，O2为12sccm。
步骤h2,对SiC样片使用标准RCA工艺进行清洗。在SiC样片淀积厚度为分别为1nm/200nm/1000nm的金属Ti/Ni/Al，正面涂胶、光刻后形成肖特基接触。
步骤i2，预PA膜预固化，涂胶，刻蚀PA膜，湿法去胶，亚胺化，完成PI表面钝化。
实施例子三：
参照图3，本发明制作具有条形沟槽的浮动结SiC SBD器件的步骤如下：
步骤a3，使用标准RCA工艺清洗N+碳化硅衬底样片；采用VP508外延生长系统在掺杂浓度为5×1018cm-3的N+碳化硅衬底上样片外延生长一次N-外延层，外延层厚度为15μm，，氮离子掺杂浓度为1x1016cm-3，生长气压为100mbar，生长温度是1600℃，反应气体为硅烷和丙烷，生长时间为3h。
步骤b3，在650℃下，以铝作为掩膜对一次N-外延层进行三次选择性离子注入，注入能量为，450KeV、250keV和120keV，注入剂量为8x1013cm-2、6x1013cm-2和3x1013cm-2、注入后铝离子掺杂浓度为3x1018cm-3，离子注入深度为0.5μm。
离子注入后在硅烷气氛下进行退火，退火温度为1650℃，退火时间为10min。
步骤c3，对SiC样片使用标准RCA工艺进行清洗。
在一次N-外延层上外延生长二次N-外延层，外延层厚度为5μm，，氮离子掺杂浓度为1x1016cm-3，生长气压为100mbar，生长温度是1600℃，反应气体为硅烷和丙烷，生长时间为3h。
步骤d3，在1200℃下对SiC样片进行干氧氧化1h，再在950℃下湿氧氧化5h，然后在1200℃下对SiC样片进行干氧氧化1.5h，再SiC样片正面形成厚度为200nm的SiO2隔离介质。
步骤e3，在SiC样片的背面淀积300nm/100nm的Al/Ti合金，在1050℃下氮气气氛中对SiC样片进行退火3min，在SiC样片背面形成欧姆接触。
步骤f3，以光刻胶作为掩膜，对SiO2进行RIE选择性刻蚀，形成肖特基接触窗口。反应气体为CHF3，刻蚀时间为1.5min，气体流量为40cm3/min，射频电源功率为200W，反应室气体压力为5Pa。
步骤g3，以Ni作为掩膜，对SiC样片正面进行ICP刻蚀，形成沟槽；ICP刻蚀在SF6和O2气氛中进行，沟槽的刻蚀深度为1μm。沟槽与其下方的P+离子注入区上下对齐。ICP线圈的功率为850W，源功率为100W，反应气体SF6为48sccm，O2为12sccm。
步骤h3，对SiC样片使用标准RCA工艺进行清洗。在SiC样片淀积厚度为分别为1nm/200nm/1000nm的金属Ti/Ni/Al，正面涂胶、光刻后形成肖特基接触。
步骤i3，预PA膜预固化，涂胶，刻蚀PA膜，湿法去胶，亚胺化，完成PI表面钝化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，其包括金属、SiO2隔离介质、沟槽、一次N-外延层、P+离子注入区、二次N-外延层、N+衬底区、欧姆接触区，其中，
所述沟槽与P+离子注入区上下对齐，形状相同，或者与非P+离子注入区，上下对齐，形状相同，沟槽和P+离子注入区为水平分布的条状的沟槽和浮动结。
2.根据权利要求1所述的基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，所述沟槽与此沟槽下方的P+离子注入区形状相同，面积相等，边缘对齐，或者每个沟槽与此沟槽下方的非P+离子注入区的面积相等，边缘对齐。
3.根据权利要求1或2所述的基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，所述沟槽的深度为1～3μm，位于金属1下方，二次N-外延层的表面。
4.根据权利要求3所述的基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，所述一次N-外延层位于N+衬底之上，厚度为5～15μm，其中氮离子的掺杂浓度为掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3。
5.根据权利要求3所述的基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，所述P+离子注入区位于一次N-外延层表面，其铝离子的掺杂浓度为1x1017cm-3～1x1019cm-3，离子注入深度为0.5μm；二次N-外延层位于一次N-外延层上方，厚度是5～15μm，其中氮离子的掺杂浓度为掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3；一次N-外延层和二次N-外延层的总厚度为20μm。
6.一种基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的制作方法，其特征在于，该具体过程为：
步骤a，在N+碳化硅衬底上样片外延生长一次N-外延层，外延层厚度为5～15μm，，氮离子掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3；
步骤b，在一次N-外延层上进行四次选择性铝离子注入，形成所述的P+离子注入区，即浮动结，掺杂浓度为1x1017cm-3～1x1019cm-3，离子注入深度为0.5μm；
步骤c，在一次N-外延层上外延生长二次N-外延层，外延层厚度为5～15μm，，氮离子掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3；
步骤d，采用干氧氧化和湿氧氧化结合的工艺，在SiC样片正面形成厚度为200nm的SiO2隔离介质；
步骤e，在SiC样片的背面淀积300nm/100nm的Al/Ti合金，在1050℃下氮气气氛中对SiC样片进行退火3min；
步骤f，以光刻胶作为掩膜，对SiO2进行选择性刻蚀，形成肖特基接触窗口；刻蚀为RIE刻蚀，反应气体为CHF3；
步骤g，以Ni作为掩膜，对SiC样片正面进行ICP刻蚀，形成沟槽。ICP刻蚀在SF6和O2气氛中进行，沟槽的刻蚀深度为1～3μm；
步骤h，在SiC样片淀积厚度为分别为1nm/200nm/1000nm的金属Ti/Ni/Al，正面涂胶、光刻后形成肖特基接触；
步骤i，对SiC样片正面进行PI胶钝化。
7.根据权利要求6所述的基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的制作方法，其特征在于，在上述步骤a和c中，外延层厚度为5-15μm，，氮离子掺杂浓度为3x1015cm-3，生长气压为100mbar，生长温度是1600℃。
8.根据权利要求6所述的基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的制作方法，其特征在于，上述步骤c的具体过程为：
步骤c10，对SiC样片使用标准RCA工艺进行清洗；
步骤c20，在一次N-外延层上外延生长二次N-外延层，氮离子掺杂浓度为3x1015cm-3，生长气压为100mbar，反应气体为硅烷和丙烷。
9.根据权利要求6所述的基于离子注入的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的制作方法，其特征在于，在上述步骤f中，反应气体为CHF3，气体流量为40cm3/min，射频电源功率为200W，反应室气体压力为5Pa。
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