CN106409663A - 一种制备高阻断电压碳化硅功率器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备高阻断电压碳化硅功率器件的方法，包括以下步骤：先通过化学清洗、刻蚀及离子注入等工艺在碳化硅外延层上制备正面的台阶及结终端结构；将上述碳化硅晶片在湿氧气氛中进行热氧氧化形成牺牲氧化层，再在稀氢氟酸中进行浸泡去除牺牲氧化层；在台阶及结终端结构上利用原子层沉积法（ALD）生长Al2O3薄膜，再通过等离子体增强化学沉积法（PECVD）生长Si3N4薄膜；刻蚀碳化硅晶片背面的Al2O3层和Si3N4层，沉积金属制备背面欧姆接触；正面光刻开窗，沉积金属制备正面欧姆接触。本发明工艺简单、成本低廉，相比常规制备工艺，获得的碳化硅功率器件的阻断电压具有显著的提升。
Description
技术领域
本发明属于宽禁带半导体功率器件领域，尤其涉及一种制备高阻断电压功率器件的方法。
背景技术
碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，较传统硅（Si）材料具有更为优异的物理和化学性质，使得其在功率半导体领域有着巨大的应用潜力。相比Si材料，SiC具有更宽的禁带宽度，更高的临界击穿场强，更高的饱和电子漂移速度及更高的热导率等优点，使其可以在功率半导体领域能够满足Si材料不具备的高温、高压、高频及抗辐照等应用。
反向阻断电压是功率器件非常重要的性能指标，将直接决定功率器件的应用领域，如200 V以下低压器件主要应用于功率因数校正（PFC）及功率放大、600 V~1.7 kV中压器件主要应用于光伏逆变器及UPS电源、3.3 kV~6.5 kV高压器件主要应用于智能电网及机车牵引。发展SiC高压功率器件的过程中，要完全达到材料赋予的最佳性能，尽可能获得最大的反向阻断电压，需要降低结边缘的电场集中效应，合理的结终端设计尤为重要。目前，结终端技术根据结构的不同可以分为边缘延伸型与刻蚀台阶型，主要包括场限环结构、金属场板结构以及结终端扩展（JTE）技术。通过以上结终端技术，及使用厚外延SiC漂移层，目前已制备了反向阻断电压高达21.7 kV的功率器件。但要进一步提升反向阻断电压，需不断优化设计结终端结构或使用更厚的外延层材料，这是比较困难的。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种制备高阻断电压碳化硅功率器件的方法，对常规制备工艺进行了调整和优化，工艺简单、成本低廉，相比常规制备工艺，获得的碳化硅功率器件的阻断电压具有显著的提升。
本发明的技术方案如下：
一种制备高阻断电压碳化硅功率器件的方法，其特征在于包括以下步骤：
首先，通过化学清洗、刻蚀及离子注入的工艺，在碳化硅晶片的外延层上制备正面的台阶及结终端结构；
将所述碳化硅晶片在湿氧气氛中进行热氧氧化形成牺牲氧化层，再在稀氢氟酸中进行浸泡去除牺牲氧化层；
在制备的台阶及结终端结构上利用原子层沉积法（ALD）生长Al2O3薄膜层，再通过等离子体增强化学沉积法（PECVD）生长Si3N4薄膜层；
刻蚀碳化硅晶片背面的Al2O3层和Si3N4层，沉积金属制备背面欧姆接触；
在碳化硅晶片的正面光刻开窗，沉积金属制备正面欧姆接触；
最后得到碳化硅功率器件。
制备得到的碳化硅功率器件可以是PiN二极管、肖特基二极管（SBD）、结势垒二极管（JBS）、双极性晶体管（BJT）或门极关断晶闸管（GTO）。
优选地，所述湿氧氧化形成牺牲氧化层的温度为1100 ℃，时间为30分钟。
优选地，所述原子层沉积法生长的Al2O3薄膜层厚度为5~100 nm。
优选地，所述等离子体增强化学沉积法生长的Si3N4薄膜层厚度为200~500 nm。
本发明具有以下优点：
本发明利用Al2O3与碳化硅界面产生的负电荷来缓解结边缘的电场集中效应，工艺简单、成本低廉，相比常规制备工艺，获得的碳化硅功率器件的阻断电压具有显著的提升。
附图说明
图1为碳化硅功率器件常规制备工艺流程图；
图2为本发明提供的碳化硅功率器件制备工艺流程图；
图3为本发明实施例中碳化硅PiN二极管横截面结构示意图。
其中，附图比较为：1-背面欧姆接触，2-N+ Sub，3-N- Drift层，4-台阶及结终端结构，5-Al2O3薄膜层，6-Si3N4薄膜层，7-P+层，8-正面欧姆接触。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，为碳化硅功率器件常规制备工艺流程图；如图2所示，为本发明的碳化硅功率器件制备工艺流程图。
相比常规制备工艺，本发明提供的制备工艺仅需在钝化阶段做了相应的优化调整，具体为：常规制备工艺在去除湿氧氧化形成的牺牲氧化层后，先通过湿氧氧化形成SiO2永久钝化层，再通过PECVD沉积SiO2薄膜层和Si3N4薄膜层；本发明提供的制备工艺在去除湿氧氧化形成的牺牲氧化层后，先通过ALD沉积Al2O3薄膜层，再通过PECVD沉积Si3N4薄膜层。
具体地，以碳化硅PiN二极管制备为例，器件横截面结构如图3所示，包括了如下具体结构：1-背面欧姆接触，2-N+ Sub，3-N- Drift层，4-台阶及结终端结构，5-Al2O3薄膜层，6-Si3N4薄膜层，7-P+层，8-正面欧姆接触。
先对碳化硅晶片进行清洗、刻蚀及离子注入等工艺形成正面的台阶及结终端结构4。将上述碳化硅晶片在湿氧气氛中进行氧化，温度为1100 ℃，时间为30分钟，再在体积分数为5%的稀氢氟酸中进行浸泡5分钟，去除牺牲氧化层。利用ALD沉积厚度100 nm的Al2O3薄膜层5，再利用PECVD沉积厚度300
nm的Si3N4薄膜层6。利用等离子体刻蚀机刻蚀碳化硅晶片背面的Al2O3薄膜层5和Si3N4薄膜层6，磁控溅射沉积金属Ni（厚度为150 nm），并在快速热退火炉（RTP）中进行1000 ℃/2 min退火形成背面欧姆接触1。正面阳极金属位置光刻开窗，依次溅金属Ni（60 nm）、Ti（30
nm）和Al（80 nm），并在RTP中进行800 ℃/2 min退火形成正面欧姆接触8。
Claims (5)
1.一种制备高阻断电压碳化硅功率器件的方法，其特征在于包括以下步骤：
首先，通过化学清洗、刻蚀及离子注入的工艺，在碳化硅晶片的外延层上制备正面的台阶及结终端结构；
将所述碳化硅晶片在湿氧气氛中进行热氧氧化形成牺牲氧化层，再在稀氢氟酸中进行浸泡去除牺牲氧化层；
在制备的台阶及结终端结构上利用原子层沉积法生长Al2O3薄膜层，再通过等离子体增强化学沉积法生长Si3N4薄膜层；
刻蚀碳化硅晶片背面的Al2O3层和Si3N4层，沉积金属制备背面欧姆接触；
在碳化硅晶片的正面光刻开窗，沉积金属制备正面欧姆接触；
最后得到碳化硅功率器件。
2.根据权利要求1所述的一种制备高阻断电压碳化硅功率器件的方法，其特征在于：所述制备得到的碳化硅功率器件是PiN二极管、或肖特基二极管、或结势垒二极管、或双极性晶体管、或门极关断晶闸管。
3.根据权利要求1所述的一种制备高阻断电压碳化硅功率器件的方法，其特征在于：所述湿氧氧化形成牺牲氧化层的温度为1100 ℃，时间为30分钟。
4.根据权利要求1所述的一种制备高阻断电压碳化硅功率器件的方法，其特征在于：所述原子层沉积法生长的Al2O3薄膜层厚度为5~100 nm。
5.根据权利要求1所述的一种制备高阻断电压碳化硅功率器件的方法，其特征在于：所述等离子体增强化学沉积法生长的Si3N4薄膜层厚度为200~500 nm。
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