CN104409427A - 一种用于SiC功率器件的终端钝化结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于SiC功率器件领域，具体涉及一种用于SiC功率器件的终端钝化结构及其制备方法。该终端钝化结构采用DLC薄膜层替换现有的聚酰亚胺类材料以及非化学计量氮化硅层和化学计量氮化硅层的复合结构。该钝化方法采用DLC薄膜材料对SiC功率器件进行终端钝化保护。该钝化结构在SiC器件工作的温度下，提高器件反向击穿电压，降低反向漏电流，稳定、可靠地承受更高的工作温度，提高器件可靠性，有效地解决了SiC器件高温工作时的终端钝化保护问题，并且结构简单，工艺实现难度低。

Description

一种用于SiC功率器件的终端钝化结构及其制备方法

技术领域

本发明属于SiC功率器件领域，具体涉及一种用于SiC功率器件的终端钝化结构及其制备方法。

背景技术

近年来，随着微电子技术的不断进步，Si基电力电子器件发展迅速，其性能已经有了飞跃式的进步。但是对于高温、高湿等恶劣环境的应用却一直是Si基器件无法突破的瓶颈。SiC作为一种宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子漂移速率高、热导率高等优异的物理特性，SiC电力电子器件在减小通态损耗和开关损耗、提高系统效率的同时也使器件在高温、高湿等恶劣环境中的应用更为可靠，这也是传统的Si基器件无法实现的。

器件工作在高温反偏状态下时，界面电荷是导致漏电流增加、击穿电压下降的一个重要因素。这些界面电荷的主要来源有：①常规工艺生长的氧化层中的正电荷；②氧化层外表面沾污的离子和吸附的水汽。所以，为了保证器件工作的可靠性，一般对器件进行终端钝化保护，该保护层一方面削弱氧化层中正电荷对器件性能的影响，另一方面起到外界环境与器件芯片的隔离作用，降低外界环境中的沾污和水汽对器件性能的影响。

目前，对于SiC器件，最主要的终端钝化保护是采用聚酰亚胺类材料。聚酰亚胺类材料一方面含有大量负电荷，可以有效削弱氧化层中正电荷对器件性能的影响；另一方面，可以起到器件与外界环境的隔离，阻挡外界环境的离子和水汽对器件性能的影响。该终端钝化方案的形成过程为：将以聚酰亚胺为主体材料的PI胶或者SU胶，涂覆在器件芯片表面，再通过光刻等工艺暴露出器件电极，最后通过高温固化完成器件的终端钝化。

在较低的工作温度下，聚酰亚胺类材料可以为器件起到良好的终端钝化保护作用，使器件可以在较长的时间内稳定工作，并表现出良好的性能。但是，以聚酰亚胺为主体材料的PI胶或者SU胶的工作温度在250℃以下，而SiC器件的工作温度可以高达600℃，所以，当SiC器件工作在高温、高压、高湿等恶劣环境下时，聚酰亚胺类材料已经无法实现良好的终端钝化保护效果，其可能在较多的温度循环之后退化，钝化作用减弱，导致器件击穿电压下降、漏电流增加，甚至器件失效。因此，采用聚酰亚胺类材料对SiC器件进行终端钝化保护的效果有限，无法发挥SiC器件的高温工作优势，严重限制了SiC器件的应用范围。

除此之外，使用较多的终端钝化方案就是采用氮化硅层。该方法采用两层结构，靠近内层、紧邻氧化硅层的是一层非化学计量氮化硅层，用于削弱氧化层中正电荷对器件性能的影响；在非化学计量氮化硅层外侧是一层化学计量氮化硅，用于阻挡外界环境对器件的侵蚀。

采用氮化硅层对SiC器件进行终端钝化保护，其保护效果较好，但是，该方案对非化学计量氮化硅层的形成方法要求严格，例如：CVD法的气体中有氢存在，其形成的氮化硅层中也有氢的存在，而这是不被允许的。另一方面，该方法要连续形成一层非化学计量氮化硅和一层化学计量氮化硅，其工艺过程复杂，不宜控制。因此，采用氮化硅层对SiC器件进行终端钝化保护虽然达到良好的钝化保护效果，但是工艺实现难度较大，不利于方法的推广。因此寻找一种用于SiC功率器件的终端钝化结构及其制备方法具有重要意义。

名词解释：

SiC：碳化硅；

DLC：类金刚石薄膜

非化学计量氮化硅：氮化硅化合物中，氮和硅的原子组成可以在一定的比例范围内波动。它们的组成不符合化合价规则，不服从组成定律，不能用小的整数来表示，只能用小数描述。

发明内容

针对现有技术终端钝化结构复杂，钝化结构难以制备、或者不能耐高温等不足，本发明旨在提供一种用于SiC功率器件的终端钝化结构，并提供了制备该钝化结构的方法，该结构采用DLC薄膜层替换现有的非化学计量氮化硅层和化学计量氮化硅层，提高器件反向击穿电压，降低反向漏电流，并在SiC器件工作的温度下，稳定、可靠地承受更多温度循环，提高器件可靠性，且有效地解决了SiC器件高温工作时的终端钝化保护问题，结构简单，容易实现。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

技术方案之一：

如图1所示，一种用于SiC功率器件的终端钝化结构，包括SiC衬底层，设置于SiC衬底层一侧的欧姆接触层、设置于SiC衬底层另一侧的SiC外延层、位于SiC外延层上方中间位置的肖特基接触层、位于SiC外延层上且位于所述肖特基接触层外围的氧化硅层；在所述氧化硅层上以及所述肖特基接触层上均设有DLC薄膜层，且位于肖特基接触层上的DLC薄膜层设有用于暴露肖特基接触层的开口。

如图2所示，进一步的方案，可以在所述肖特基接触层与SiC外延层之间形成P型区。

所述DLC薄膜层的厚度优选为150nm-200nm。

技术方案之二：

一种用于SiC功率器件的终端钝化结构的制备方法，具体为：在SiC衬底上通过外延生长的方法形成外延层；通过原位牺牲氧化和淀积的方法形成氧化硅层，再通过光刻及刻蚀的方法去除部分氧化层；在衬底一侧形成欧姆接触；在外延层一侧形成肖特基接触；在肖特基接触外侧形成DLC膜；通过刻蚀的方法暴露出肖特基接触；其中，所述在肖特基接触外侧形成DLC膜具体为：在器件阳极面形成大面积的DLC膜，采用CVD或者溅射方法形成，根据器件电压等级，选择不同的成膜厚度，成膜厚度一般在150nm-200nm之间。

进一步的，在形成外延层之后且形成欧姆接触之前，通过离子注入的方法形成相互间隔的P型区。

优选方案：所述肖特基接触采用多种金属或多种金属的组合，厚度为通过蒸发或溅射的方法形成，对该肖特基接触进行退火，退火温度为400-600℃，退火时间为1-5min。

下面对本发明做进一步解释和说明

本发明采用DLC膜作为终端钝化层。该DLC膜可以通过溅射、CVD等方法形成，工艺简单；DLC膜高温稳定性好，化学性质稳定，有较大电阻率及较高击穿电压，对器件钝化效果较好，并且不会在高温下退化，提高了器件在高温下工作的稳定性和可靠性；DLC膜可以通过成膜方式的选择以及掺杂等工艺手段的选择，控制膜层电阻率等参数，灵活多变，满足不同器件要求。

本发明采用DLC膜对SiC器件进行终端钝化保护。首先，该保护层一方面削弱氧化层中正电荷对器件性能的影响，另一方面起到外界环境与器件芯片的隔离作用，降低外界环境中的沾污和水汽对器件性能的影响，有效提高了器件反向击穿电压、降低了反向漏电流；其次，该DLC终端钝化层高温性质稳定，不会在温度循环中发生退化现象，提高器件在高温下工作的稳定性和可靠性，解决了SiC器件高温工作的瓶颈问题；再次，该DLC终端钝化层形成方法灵活，工艺简单，并且可以通过工艺处理灵活调节电学参数，适应多种器件需求。

与现有技术相比，本发明的优势在于:

1、本发明的结构采用DLC薄膜层替换现有的非化学计量氮化硅层和化学计量氮化硅层，结构更简单，更易实现。

2、本发明的结构具有DLC薄膜层，提高器件反向击穿电压，降低反向漏电流，并在SiC器件工作的温度下，稳定、可靠地承受更高的工作温度，提高器件可靠性。

3、本发明的结构有效地解决了SiC器件高温工作时的终端钝化保护问题。

4、本发明的方法削弱氧化层中正电荷对器件性能的影响。常规工艺生长的氧化层中的正电荷，DLC膜可以通过离子注入等工艺实现指定浓度的掺杂，提供足够的负电荷，从而可以有效削弱氧化层中正电荷对器件性能的影响；

5、本发明的方法有效实现器件与外界环境之间的隔离。外界环境的沾污离子和吸附水汽所带来的正电荷也是导致器件失效的重要原因。DLC膜化学性质稳定，在高温、高湿等恶劣环境中仍能起到良好的钝化作用，实现器件与外界环境的有效隔离，有效削弱外界环境中的沾污和水汽对器件性能的影响。

6、本发明的方法有效改善器件钝化效果。DLC膜具有较高电阻率和较高击穿场强，电绝缘性好，并且DLC膜采用PECVD或溅射方法形成，其与器件粘附性好，可以有效改善器件的钝化效果。

7、工艺简单。DLC终端钝化层成膜方法灵活，电学参数调节简单，可以满足不同器件要求；

附图说明

图1是实施例1所述用于SiC功率器件的终端钝化结构的剖面结构示意图；

图2是实施例2所述用于SiC功率器件的终端钝化结构的剖面结构示意图；

图3是实施例2所述用于SiC功率器件的终端钝化结构的俯视图；

图4是用于SiC功率器件的终端钝化结构的制备工艺流程图；

其中，1是欧姆接触层；2是SiC衬底层；3是SiC外延层；4是P型区；5是肖特基接触层；6是氧化硅层；7是开口，8是DLC薄膜层。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种用于SiC功率器件的终端钝化结构，包括SiC衬底层2，设置于SiC衬底层2一侧的欧姆接触层1、设置于SiC衬底层2另一侧的SiC外延层3、位于SiC外延层3上方中间位置的肖特基接触层5、位于SiC外延层3上且位于所述肖特基接触层5外围的氧化硅层6；在所述氧化硅层6上以及所述肖特基接触层5上均设有DLC薄膜层8，且位于肖特基接触层5上的DLC薄膜层8设有用于暴露肖特基接触层5的开口7。所述DLC薄膜层8的厚度为150nm-200nm。

实施例2制备方法

采用本方案的SiC器件剖面示意图如图2和3所示(以二极管器件为例)。在SiC衬底上通过外延生长的方法形成外延层；再通过离子注入的方法形成P型区；通过原位牺牲氧化和淀积的方法形成氧化硅层，再通过光刻及刻蚀的方法去除部分氧化层；在衬底一侧形成欧姆接触；在外延层一侧形成肖特基接触；在肖特基接触外侧形成大面DLC膜；通过刻蚀的方法暴露出阳极金属电极。

以SiC肖特基二极管为例说明本发明的工艺实现过程，如图4所示：

①完成器件肖特基接触。该肖特基接触可以采用多种金属(如金属Ti)及多种金属的组合，厚度为可以通过蒸发或溅射的方法形成，对该肖特基接触进行退火，退火温度为400-600℃，退火时间为1-5min，得到合适的肖特基势垒高度和理想因子；

②形成DLC膜。在器件阳极面形成大面积的DLC膜，可以采用CVD或者溅射等方法形成。以CVD方法为例，其生长参数包括甲烷(CH₄)流量200-400sccm，RF功率500-2000W，真空度100-400mtorr，生长时间根据所需厚度而定，例如所需DLC厚度为150nm时，其生长时间为2-5min，所需DLC厚度为200nm时，其生长时间为3-6min。根据器件电压等级，选择不同的成膜厚度，例如1200V器件的DLC厚度为150nm；而1700V器件的DLC厚度为200nm。根据不同器件对DLC膜电学参数的要求，可以通过成膜方法的选择实现，同时也可以通过掺杂、退火等工艺方法实现，得到终端钝化效果最优的DLC膜；

③形成刻蚀掩膜。上步工艺中形成的DLC膜完全覆盖器件芯片阳极面，为了将阳极电极暴露出来，需要对DLC膜进行刻蚀，本步工艺就是形成刻蚀的掩膜层。该掩膜层可以是光刻胶、介质或金属等，从成本及掩膜层去除等方面考虑，建议使用光刻胶作为刻蚀掩膜层。以光刻胶为例简述刻蚀掩膜形成过程：选用光刻正胶AZ9920；匀胶转数为2500-3500转/分钟，时间1min(根据需要得到的光刻胶厚度选择此项参数)；前烘温度95-105℃，时间为60-120s(通过此步工艺去除光刻胶中的部分挥发性溶剂，使光刻胶硬度在一定程度上有所增大)；曝光85-95s；显影时间85-95s；坚膜温度105-115℃，时间5-15min。

④干法刻蚀DLC膜。DLC膜化学性质稳定，建议使用干法刻蚀。可以利用N₂作为刻蚀气体对DLC膜进行干法刻蚀。根据膜厚调节刻蚀的功率、气体流量、压强及时间等参数，获得良好的刻蚀效果；

⑤去除刻蚀掩膜。通过丙酮、乙醇等有机溶剂去除表面刻蚀掩膜层。完成SiC器件DLC终端钝化层的形成。

1、以1200V SiC JBS器件为例

完成器件背面欧姆接触工艺及正面肖特基接触工艺之后，通过CVD或者溅射等方法在器件阳极面形成一层厚度约为150nm的DLC薄膜(该厚度是由DLC的击穿强度和器件电压等级确定的)。利用光刻胶形成刻蚀掩膜(该掩膜除了光刻胶之外也可以是金属、介质及其它材料，此处从掩膜形成和去除的工艺难度方面考虑，选择光刻胶作为DLC薄膜刻蚀掩膜)，刻蚀DLC薄膜，从而暴露出器件阳极电极，去除刻蚀掩膜，完成1200V SiC JBS器件DLC终端钝化结构的形成。

2、以1700V SiC SBD器件为例

完成器件背面欧姆接触工艺及正面肖特基接触工艺之后，通过CVD或者溅射等方法在器件阳极面形成一层厚度约为200nm的DLC薄膜(该厚度是由DLC的击穿强度和器件电压等级确定的)。利用光刻胶形成刻蚀掩膜(该掩膜除了光刻胶之外也可以是金属、介质及其它材料，此处从掩膜形成和去除的工艺难度方面考虑，选择光刻胶作为DLC薄膜刻蚀掩膜)，刻蚀DLC薄膜，从而暴露出器件阳极电极，去除刻蚀掩膜，完成1700V SiC SBD器件DLC终端钝化结构的形成。

Claims (6)

1.一种用于SiC功率器件的终端钝化结构，包括SiC衬底层（2），设置于SiC衬底层（2）一侧的欧姆接触层（1）、设置于SiC衬底层（2）另一侧的SiC外延层（3）、位于SiC外延层（3）上方中间位置的肖特基接触层（5）、位于SiC外延层（3）上且位于所述肖特基接触层（5）外围的氧化硅层（6）；其特征是，在所述氧化硅层（6）上以及所述肖特基接触层（5）上均设有DLC 薄膜层（8），且位于肖特基接触层（5）上的DLC 薄膜层（8）设有用于暴露肖特基接触层（5）的开口（7）。

2.根据权利要求1所述用于SiC功率器件的终端钝化结构，其特征是，所述DLC 薄膜层（8）的厚度为150nm-200nm。

3.根据权利要求1或2所述用于SiC功率器件的终端钝化结构，其特征是，在所述肖特基接触层（5）与SiC外延层（3）之间形成P型区（4）。

4.根据权利要求1-3之一所述用于SiC功率器件的终端钝化结构的制备方法，其特征是，在SiC 衬底上通过外延生长的方法形成外延层；通过原位牺牲氧化和淀积的方法形成氧化硅层，再通过光刻及刻蚀的方法去除部分氧化层；在衬底一侧形成欧姆接触；在外延层一侧形成肖特基接触；在肖特基接触外侧形成DLC 膜；通过刻蚀的方法暴露出肖特基接触；其中，所述在肖特基接触外侧形成DLC 膜具体为：在器件阳极面形成大面积的DLC 膜，采用CVD 或者溅射方法形成，根据器件电压等级，选择不同的成膜厚度，成膜厚度一般在150nm-200nm之间。

5.根据权利要求4所述用于SiC功率器件的终端钝化结构的制备方法，其特征是，在形成外延层之后且形成欧姆接触之前，通过离子注入的方法形成相互间隔的P型区。

6.根据权利要求4所述用于SiC功率器件的终端钝化结构的制备方法，其特征是，所述肖特基接触采用多种金属或多种金属的组合，厚度为1000-2000Å，通过蒸发或溅射的方法形成，对该肖特基接触进行退火，退火温度为400-600℃，退火时间为1-5min。