CN105304688A - 一种用于碳化硅功率器件的结终端结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于碳化硅功率器件的结终端结构及制作方法，属于功率半导体器件技术领域；本发明在功率半导体器件的结终端耐压区(即第一传导类型浅掺杂区和第二传导类型重掺杂区)的引入一层第二传导类型掺杂层，然后通过多次刻蚀的方法实现多区结终端扩展结构，从而使该区域电荷在横向与纵向实现随着距主结的横向距离而减小。本发明能够提高器件结终端单位长度的耐压，缩小终端的面积，简化工艺，降低制作难度，提高生产效率，降低生产成本，提高产品的合格率。
Description
技术领域
本发明主要涉及高压功率半导体器件领域，更具体地，涉及一种用于碳化硅功率器件的结终端扩展结构及制作方法。
背景技术
碳化硅(SiliconCarbide，简称SiC)作为一种宽禁带半导体材料，不但击穿电场强度高、热稳定性好、还具有载流子饱和漂移速度高、热导率高等特点，在高温、高频、大功率器件和集成电路制作领域有着广阔的应用前景。其物理特性与Si材料的比较如下表1所示，SiC的禁带宽度是常规半导体Si材料的三倍，因此具有很高的临界移位能，这使它具有高的抗电磁波冲击和抗辐射能力，SiC器件的抗中子能力至少是Si器件的4倍。SiC抗辐照的另一个诱人之处在于它的高温特性和高的击穿电场，它的击穿电场几乎为Si和GaAs的10倍。其次，SiC的高击穿电场使其器件设计时，器件的漂移区或基区也不必太长，电阻率不必选择太高，通态比电阻会大大降低。与Si基器件相比，实现相同阻断能力的情况下阻断区仅为Si基器件的1/10，而更薄的阻断区同样可以降低其正向导通电阻。另一方面，SiC材料3倍于Si的高热导率可以极大地降低冷却系统的复杂性与体积，也可以在高温下更长时间的稳定工作。
表1SiC/Si材料物理特性表
以传统功率器件为例，其结构中具有n型SiC衬底，在其上形成有作为漂移区的n-外延层。器件在n-层上形成P-N或肖特基结从而在反向偏置方向时形成阻断电压并在正向偏置时提供电流流动。
由于结的不连续，以及在结的边角存在曲率，从而导致表面电力线密集，结的外边电场强度比体内高等现象，这在碳化硅高压功率器件中尤为值得关注。结终端技术是缓解结外边沿电场集中效应，提高器件击穿电压有效手段，主要的结终端技术根据结构的不同可以分为边缘延伸结构与刻蚀台面结构，具体包括保护环结构、金属场板结构、结终端扩展(JTE)。场板终端作为结终端的传统技术，成本较低，应用广泛。然而，在SiC器件中，由于其在阻断状态的电场非常高，可能导致长期的可靠性问题。因此，场板终端可能不适于用在SiC器件中。而结终端扩展技术1977年由Temple在IEEETransactionsonelectronDevices上提出，目前已经成为较主流的结终端技术，其主要优点是工艺实现简单、对结深的要求没有保护环高、提高击穿电压的效率很高，且具有较小的器件面积，对固态高压功率器件有着十分重要的现实意义。
通常JTE的形成是采用离子注入的方式在主结周围形成P型区域。用于形成JTE区域的注入物可以是铝、硼或其他任何适合的p型掺杂物。然而单个区域的JTE要想实现有效的消除电场集中效应其对注入剂量的区间较小，所以多区结终端扩展技术(MZ-JTE)应运而生。
最典型的形成MZ-JTE的方式如图1所示，在水平方向上采用多次离子注入从而形成具有浓度梯度的P型JTE区域，缓解电场集中现象。这种方法需要多道光刻版进行多次光刻/刻蚀/离子注入，而且对光刻版之间的对准要求较高。
X.Li在2001年IEDL上报道的“MultistepjunctionterminationextensionforSiCpowerdevices”中描述了一种采用多能量Al离子注入与多步刻蚀P+区/JTE相结合从而形成MZ-MJTE的方法，如图2所示。该方法由于P+区域与JTE区域在注入的要求上差别很大，所以难以实现精确调控JTE区域的电荷分布。
Losee在2004年ISPSD上报道的“High-voltage4H-SiCPiNrectifierswithsingle-implant，multi-zoneJTEtermination”中描述了一种通过不同厚度硬掩膜方法实现MZ-JTE的方法，如图3所示。该方法简化了传统的形成MZ-JTE的方法，但该工艺对离子注入的工艺要求高，通过不同厚度SiO2硬掩膜来控制离子浓度的工艺稳定性与工艺窗口难以保证。
AlexanderV.Bolotnikov在2010年的IEDL上报道的“JunctionTerminationExtensionImplementingDrive-inDiffusionofBoronforHigh-VoltageSiCDevices”上提出了在SiC功率器件上采用调节光刻版透光区的位置与大小，在B离子注入后高温退火扩散从而实现水平方向上的掺杂浓度梯度分布，如图4所示。该工艺方法有助于实现相对精确的掺杂离子浓度分布，但是对退火条件要求苛刻。
综合上述因素，一种高效可行的用于碳化硅功率器件的结终端扩展结构及制作方法具有重大意义。本发明可以提供完整的解决方案，且工艺简单，难度要求低，适合大规模产品应用。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于碳化硅功率器件的结终端结构及其制作方法，通过在主结附近形成电荷总量递减的多区结终端扩展结构，进而有效地缓解电场集中现象，提高器件的反向阻断能力。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种用于碳化硅功率器件的结终端扩展结构，其特征在于包括：衬底、第一传导类型层、第二传导类型层，第一传导类型层衬底之上，第二传导类型层位于第一传导类型层之上，第一传导类型层与第二传导类型层的界面处为主结；主结的边缘有由第二传导类型掺杂物形成的结终端扩展区域，结终端扩展区域中具有小于第二传导类型层中的掺杂物浓度，且总电荷在纵向方向上呈现浓度梯度。
所述结终端扩展区域在横向上具有不同深度的刻蚀槽结构，其电荷总量在横向上随着与主结的距离而梯度变小。
制作上述用于碳化硅功率器件的结终端扩展结构的方法，其步骤包含有：
A.在一衬底上形成第一传导类型层；
B.在第一传导类型层表面形成第二传导类型层，在第一传导类型层与第二传导类型层的界面处形成主结；
C.第二传导类型层在第一传导类型层表面实现图形化，形成台阶形结终端；
D.在主结附近采用离子注入法注入第二传导类型掺杂物，通过图形化过程形成结终端扩展区域，结终端扩展区域与第二传导类型层区域存在部分重叠。
优选地，所述衬底为单层或多层具有不同传导类型的碳化硅半导体材料。
所述第一传导类型层为浅掺杂层，第一传导类型层的掺杂物的峰电荷小于或等于E14cm-2。
步骤B中，所述第二传导类型层的形成可以采用离子注入法实现，或者采用外延生长法实现。
步骤C中，第二传导类型层的图形化可采用干法刻蚀的方式来实现，或者湿法腐蚀的方式来实现。
步骤C中，第二传导类型层的图形化的过程中存在过刻蚀，即在光刻版透光区域的第二传导类型层被完全移除，且在该区域第一传导类型层被部分移除。
步骤C中，得到的台阶形结终端的台面结构具有一定的正斜角。
步骤D中，第二传导类型掺杂物的扩展过程中，对掺杂物进行退火处理，退火温度超过1500℃，所述退火采用石墨或灰化光刻胶覆盖在表面。
步骤D中，在第二传导掺杂物离子注入时，可以通过调节能量多次注入同一传导类型掺杂物从而形成浓度梯度，注入离子根据不同种传导类型进行选择，若为空穴传导可考虑B离子与Al离子共掺，若为电子传导可考虑N离子、P离子、As离子、Sb离子共掺等。
步骤D中，结终端扩展区域的形成可以采用多次图形化，图形化过程可采用干法刻蚀，或湿法腐蚀的方式来实现；在图形化过程中，在图形化过程中，远离主结区域相对靠近主结区域刻蚀深度更深。
本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种新的用于碳化硅功率器件的结终端结构，对结深的要求没有保护环高、提高击穿电压的效率很高，且具有较小的器件面积，特别适用于固态高压功率器件；该结终端结构的制作工艺是通过在主结附近形成电荷总量递减的多区结终端扩展，进而有效地缓解电场集中现象，提高器件的反向阻断能力。
附图说明
图1为传统通过多次离子注入形成MZ-JTE结构的方法。
图2为传统通过多步刻蚀形成MZ-JTE结构的方法。
图3为传统采用调节SiO2硬掩膜厚度形成MZ-JTE结构的方法。
图4为传统采用调节离子注入掩膜透光区位置与大小以及后续高温退火形成MZ-JTE结构的方法。
图5为本发明中的用于碳化硅功率器件的MZ-JTE结构。
图6为本发明中实现碳化硅功率器件的MZ-JTE结构具体实施步骤示意图。
图7（a）-（e）为本发明中实现碳化硅功率器件的MZ-JTE结构具体实施过程示意图。
其中，附图标记为：210－衬底，220－第一传导类型层，230－第二传导类型层，J01－第一次第二传导类型掺杂物注入后形成的JTE区域，J02－第二次第二传导类型掺杂物注入后形成的JTE区域，M01－第二传导类型层图形化使用的光刻版，M02－离子注入形成第二传导类型JTE区域使用的光刻版，M03－第一次图形化JTE区域使用的光刻版，M0N－第N-2次图形化JTE区域使用的光刻版。
具体实施方式
如图6所示，为本发明具体实施方式的实施步骤示意图，包括：步骤S110，提供第一传导类型层，所述第一传导类型层布置于碳化硅衬底表面；步骤S120，在所述第一传导类型层表面形成第二传导类型层；步骤S130，图案化所述第二传导类型层，形成台阶形结终端；步骤S140，在主结附近注入第二传导类型掺杂物，高温退火从而实现在纵向上的浓度梯度；步骤S150，采用多步刻蚀从而实现不同区域电荷浓度梯度。
图7(a)~(e)所示为本发明具体实施方式的工艺流程图。
如图7(a)所示，参考步骤S110，提供一衬底210，所述衬底包含一层或多层不同传导类型的碳化硅半导体材料。在衬底210上形成第一传导类型层，所述衬底上的第一传导类型层为浅掺杂层，其第一传导类型的掺杂物的峰电荷大约为E14cm-2或更低。参考步骤S120，在所述第一传导类型层表面形成第二传导类型层230，第二传导类型层的形成包括采用离子注入或采用外延生长实现。
如图7(b)所示，参考步骤S130，图形化过程中可采用干法刻蚀，或湿法腐蚀的方式来实现，进一步地，图形化过程中存在过刻蚀，即未保护区域的第二传导类型层被完全移除且在该区域部分第一传导类型层被部分移除。腐蚀得到的台面结构具有一定的正斜角。
如图7(c)所示，参考步骤S140，在主结附近采用离子注入的方法注入第二传导类型掺杂物形成结终端扩展的区域，该区域与第二传导类型层区域存在部分重叠。参考步骤S140，在该区域可通过调节能量多次注入同一种传导类型掺杂物从而形成浓度梯度，注入离子根据不同种传导类型进行选择。扩散所述第二传导类型的掺杂物包括在超过1500℃的温度对包含第二传导类型掺杂物的碳化硅层进行退火。进一步包括在碳化硅层上形成石墨盖层(或灰化光刻胶)，其中，对所述碳化硅层进行退火包括对所述碳化硅层和所述石墨盖层(或灰化光刻胶)进行退火。
如图7(d)所示，参考步骤S150，JTE区域采用多次图形化从而形成MZ-JTE，该过程可采用干法刻蚀，或湿法腐蚀的方式来实现，进一步地在图形化过程中远离主结区域其刻蚀深度更深。
如图7(e)所示为制得的器件的俯视图。
如图5所示，通过上述工艺形成了用于碳化硅功率器件的结终端扩展结构，包括：衬底、第一传导类型层、第二传导类型层，第一传导类型层衬底之上，第二传导类型层位于第一传导类型层之上，第一传导类型层与第二传导类型层的界面处为主结；主结的边缘有由第二传导类型掺杂物形成的结终端扩展区域，结终端扩展区域中具有小于第二传导类型层中的掺杂物浓度，且总电荷在纵向方向上呈现浓度梯度。
所述结终端扩展区域在横向上具有不同深度的刻蚀槽结构，其电荷总量在横向上随着与主结的距离而梯度变小。
Claims (12)
1.一种用于碳化硅功率器件的结终端结构，其特征在于包括：衬底、第一传导类型层、第二传导类型层，第一传导类型层衬底之上，第二传导类型层位于第一传导类型层之上，第一传导类型层与第二传导类型层的界面处为主结；主结的边缘有由第二传导类型掺杂物形成的结终端扩展区域，结终端扩展区域中具有小于第二传导类型层中的掺杂物浓度，且总电荷在纵向方向上呈现浓度梯度；所述衬底为单层或多层具有不同传导类型的碳化硅半导体材料。
2.根据权利要求1所述的用于碳化硅功率器件的结终端结构，其特征在于：所述结终端扩展区域在横向上具有不同深度的刻蚀槽结构，其电荷总量在横向上随着与主结的距离而梯度变小。
3.一种用于碳化硅功率器件的结终端结构的制作方法，其特征在于步骤包含有：
A.在一衬底上形成第一传导类型层；
B.在第一传导类型层表面形成第二传导类型层，在第一传导类型层与第二传导类型层的界面处形成主结；
C.第二传导类型层在第一传导类型层表面实现图形化，形成台阶形结终端；
D.在主结附近采用离子注入法注入第二传导类型掺杂物，通过图形化过程形成结终端扩展区域，结终端扩展区域与第二传导类型层区域存在部分重叠。
4.根据权利要求3所述的用于碳化硅功率器件的结终端结构的制作方法，其特征在于：所述衬底为单层或多层具有不同传导类型的碳化硅半导体材料。
5.根据权利要求3所述的用于碳化硅功率器件的结终端结构的制作方法，其特征在于：所述第一传导类型层为浅掺杂层，第一传导类型层的掺杂物的峰电荷小于或等于E14cm-2。
6.根据权利要求3所述的用于碳化硅功率器件的结终端结构的制作方法，其特征在于：步骤B中，所述第二传导类型层的形成采用离子注入法实现，或者采用外延生长法实现。
7.根据权利要求3所述的用于碳化硅功率器件的结终端结构的制作方法，其特征在于：步骤C中，第二传导类型层的图形化采用干法刻蚀的方式来实现，或者湿法腐蚀的方式来实现。
8.根据权利要求7所述的用于碳化硅功率器件的结终端结构的制作方法，其特征在于：步骤C中，第二传导类型层的图形化的过程中存在过刻蚀，即在光刻版（M01）透光区域的第二传导类型层被完全移除，且在该光刻版（M01）透光区域的第一传导类型层被部分移除。
9.根据权利要求7所述的用于碳化硅功率器件的结终端结构的制作方法，其特征在于：步骤C中，得到的台阶形结终端的台面结构具有一定的正斜角。
10.根据权利要求3所述的用于碳化硅功率器件的结终端扩展结构的制作方法，其特征在于：步骤D中，第二传导类型掺杂物的扩展过程中，对第二传导类型掺杂物进行退火处理，退火温度超过1500℃，所述退火采用石墨或灰化光刻胶覆盖在第二传导类型掺杂物的表面。
11.根据权利要求3所述的用于碳化硅功率器件的结终端扩展结构的制作方法，其特征在于：步骤D中，结终端扩展区域的形成采用多次图形化，图形化过程采用干法刻蚀，或湿法腐蚀的方式来实现；在图形化过程中，远离主结区域相对靠近主结区域刻蚀深度更深。
12.根据权利要求3所述的用于碳化硅功率器件的结终端扩展结构的制作方法，其特征在于：步骤D中，在第二传导掺杂物离子注入时，通过调节能量多次注入同一传导类型掺杂物从而形成浓度梯度，注入离子根据不同种传导类型进行选择。
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