CN107910360A - 一种新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可应用于SiC大尺寸高压器件终端结构的新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构及其制备方法，此类高压器件包括SiC GTO、SiC PiN以及其他使用小角度倾斜台面终端结构的SiC器件；本发明的刻蚀技术使用AZ4620厚光刻胶作为掩膜方式及实现了大面积的光刻胶均匀回流，依据光刻胶回流条件的不同，刻蚀出的SiC小角度倾斜台面底角可以在0°~20°之间。根据不同类型器件对倾斜台面刻蚀深度的不同可使用该刻蚀技术制成单一倾斜台面刻蚀终端结构或多次使用形成多级的倾斜台面刻蚀终端结构。本发明相较于其他的多台面终端刻蚀方案工艺得到了显著简化且由于该方案是理想的斜坡其对器件边缘场强聚集的抑制效果理论上也要优于其他近似方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种可应用于碳化硅大尺寸高压器件的新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构及其制备方法，属于半导体电力电子器件技术领域。
背景技术
以碳化硅（SiC）材料为代表的宽禁带半导体材料是近年来在国内外都广受重视和被重点发展的新型第三代半导体材料，具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强大、抗辐照及高工作温度等特点，目前SiC材料的外延生长技术在宽禁带半导体材料中是相对发展较为成熟的，其非常适合用来制备各类性能优良的功率电子器件。
作为宽禁带半导体的SiC材料与传统的硅材料相比，由于SiC的击穿场强是Si的几乎十倍，这意味着制备相同电压等级的功率器件，采用SiC材料的器件其承受电压的漂移层厚度将远小于Si基器件，这一方面可以大幅缩减器件的重量体积，另一方面也将显著改善器件的正向导通电阻，从而显著降低器件的功率损耗。除去体积与功耗的改进以外，SiC材料制备的器件能在更高的温度下工作并且热导率也更高，这将显著降低器件对散热系统的要求，从而进一步降低系统整体的体积与重量。除此之外，SiC材料的抗辐照能力也比Si材料更强，其严酷环境适应性更为优良。
正是由于SiC材料相对于Si材料的诸多显著优势，又由于近年来SiC材料外延技术也不断走向成熟，四英寸的SiC外延片已经商用，因而基于SiC材料的各类型功率器件也相继的被开发出来。诸多类型的SiC功率器件在科研及产业领域都是关注的热点，目前已有报道的基于SiC材料的功率器件包括：整流器件的PIN、SBD以及JBS；开关器件的MOSFET、JFET、BJT、IGBT以及GTO。其中SiC肖特基二极管（SBD）已经在光伏发电领域被用来和硅基IGBT组成混合功率模块而得到了广泛应用。目前基于SiC材料的功率开关器件的研发一直是学术及产业热点。其中碳化硅的晶闸管（Thyristor）器件在超大功率的开关应用场景中，例如高压直流输电（HVDC）、超大电流电解、脉冲功率应用中，以其耐压高、正向导通压降小、通态功耗低而相较于其他类型功率开关器件具有较大优势，目前对碳化硅晶闸管的研究大多集中在门极可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）器件上。
和其他的高压器件对终端结构有着严苛的要求类似，对于门极可关断晶闸管器件GTO来说，一个可靠的终端结构（termination）设计与实现是GTO器件能够获得较高的阻断电压的关键，而这一终端结构的要求对于基于SiC半导体材料的GTO器件来说实现起来却并不容易，这是因为一方面SiC半导体的临界击穿场强远远高于常规的Si基或GaAs基半导体，另一方面SiC的器件加工工艺技术却远远落后于Si基器件的工艺技术，许多在Si基功率器件制备过程中较为成熟的终端结构目前还无法在SiC半导体材料中实现。例如：常用的保护环和结终端扩展（JTE）结构都依赖于有效的离子注入或扩散技术，而目前扩散掺杂方法还无法在SiC半导体中实现；离子注入掺杂虽然已经在SiC器件工艺中得到应用，但其离子注入过程需要在高温条件下进行，且后续还需要极高温度的后退火处理进行杂质的激活，工艺的成熟度远远不及Si材料。
对于SiC GTO器件的终端结构设计，目前文献上有报道的大致有以下三种类型：离子注入JTE、梯度刻蚀JTE以及近似负倾角结构，这几种结构要么损伤晶体质量要么工艺复杂。它们的结构示意图如图1所示。对于离子注入JTE这种终端结构，其存在一个很大的固有不足，便是离子注入过程以及后续的超高温退火过程会对SiC的晶体质量以及表面粗糙度造成严重的损害，这些会对器件的性能造成显著的负面影响。因而相较于离子注入的终端结构，近年来发展刻蚀型的终端结构成为了SiC GTO器件终端设计领域的研究热点。相继有数个研究小组都报道了基于台阶刻蚀型的SiC GTO终端结构。法国的研究人员G. Paques等人于2011年第一个报道了采用梯度刻蚀JTE（graded etched junction terminationextension）终端结构的SiC GTO器件。在这之后应用于SiC GTO器件的刻蚀终端技术继续发展，CREE公司的A. Agarwal等人甚至将这一技术发展到了极致，他们通过刻蚀超过十级的台阶形成了一个近似的负倾角终端结构。制作这种小角度负倾角终端结构的目的是抑制器件台面边缘的场强聚集效应，防止器件在高压下边缘发生提前击穿。其作用原理是通过展宽空间电荷区在斜面上的宽度来降低边缘处的场强大小，斜面的角度越小，其斜面上距离展宽越多，相应的对边缘场强尖峰的抑制效果越明显。基于这种近似负倾角终端结构，近年来CREE公司相继报道了12kV、20kV阻断电压的SiC GTO器件。然而这种采用多台阶刻蚀的终端结构尽管是十分有效的，但是其工艺实施上却极端复杂，需要通过大量的光刻掩膜及ICP离子刻蚀步骤才能完成，如果要实现诸如CREE公司报道的这种超过十级的近似负倾角终端结构工艺成本极大。因此，如果能够开发出可用于诸如GTO这类功率器件终端结构的SiC材料小角度倾斜台面刻蚀技术，则其在学术及产业上都将具有重要意义。
尽管目前国内外还没有过采用真正意义上的理想负倾角终端结构的SiC GTO器件的相关报道，然而关于SiC材料的倾斜台面刻蚀在SiC雪崩光电探测器（APD）的技术方案中，有采用光刻胶回流（reflow）的方法。然而要成功的将探测器领域的一些经验借鉴到GTO功率器件的终端设计中其面临的挑战是巨大的。首先是器件尺寸的巨大差异导致的光刻胶能否均匀回流的问题，目前SiC APD的典型器件尺寸为百微米级而GTO器件的典型尺寸是毫米甚至厘米级的，单个GTO器件的尺寸是APD器件的数百倍；其次是刻蚀深度的显著差异问题，由于光刻胶的掩膜阻挡能力有限，对于APD器件1μm左右的台面刻蚀深度是比较容易实现的，而对于典型GTO器件至少4μm的刻蚀深度要实现起来则比较困难。光刻胶回流技术的核心是采用光刻胶而非金属或氧化物作为阻挡掩膜，器件面积和刻蚀深度这两个方面的问题导致要开发能够应用于SiC GTO器件的小角度倾斜台面终端结构非常困难。
发明内容
本发明提供了一种可应用于碳化硅大尺寸高压器件的新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构及其制备方法，这种新型碳化硅小角度倾斜台面特别适合应用于诸如SiC GTO这类大尺寸（>1 mm2）功率器件的终端结构，但并不限于碳化硅门极可关断晶闸管，SiCGTO；本发明这种结构的工艺流程非常简化，其对边缘场强的抑制效果也更好。
本发明所采用的技术方案如下：
一种小角度倾斜台面终端结构，其特征在于：所述倾斜台面为上小下大的锥状台面结构，台面结构的面积大于1mm2；所述倾斜台面的斜面与水平面之间的夹角小于20°。
采用新型小角度倾斜台面终端结构的碳化硅GTO器件其典型的材料外延结构从上到下依次为P+/N/P-/P/N+，衬底为N+的SiC本征衬底；其中最上方的P+层及N层在SiC GTO器件中的典型厚度约各为2μm，漂移层P-的典型厚度范围为5~200μm。器件边缘刻蚀的小角度倾斜台面用于抑制台面边缘的电场聚集和器件隔离，小角度倾斜台面的倾角定义为小角度倾斜台面的倾斜面与衬底平面之间的夹角，为了有效的抑制边缘场强，该倾斜角的值通常应小于20°。为了实现一个有效的倾斜台面终端结构，其倾斜台面刻蚀深度必须达到漂移层P-并最好有一定的过刻蚀深度。这就要求SiC小角度倾斜台面的刻蚀深度必须达到4μm以上，同时由于目前的SiC GTO器件典型器件直径已经达到了0.2cm~2cm。因此所采用的技术方案必须能够实现在直径0.2cm~2cm的SiC台面边缘刻蚀出均匀的小角度倾斜台面，这样才能真正满足当前SiC GTO器件对终端结构的要求。
考虑到目前通过金属掩膜或SiO2掩膜的方式并没有能够刻蚀出小角度倾斜台面的文献报道，CREE公司已有的SiC GTO负倾角终端结构也仅仅是一个多级台面刻蚀的近似方案且工艺过程十分复杂；而在SiC APD探测器件领域采用光刻胶回流技术制成的小尺寸（100μm量级）倾斜台面刻蚀已经有一些相关文献的报道。因此本发明决定借鉴探测器领域已有的光刻胶回流经验来研制开发适合于SiC GTO器件以及其他大尺寸SiC功率器件的终端设计方案。
通过光刻胶回流工艺刻蚀出SiC倾斜台面是近十年来才出现的一种新兴刻蚀技术，截止目前绝大多数有关SiC倾斜台面刻蚀的文献都集中在SiC APD领域，功率器件领域极少有见到采用类似终端结构的SiC功率器件。一方面是因为光刻胶回流技术目前还只是处于实验室开发的阶段，能够利用这一技术制备出角度小于10°的倾斜台面的研究组世界范围内并不多；另一方面如前所述，SiC功率器件对倾斜台面终端刻蚀的诸多技术要求（例如器件面积、刻蚀深度）与SiC APD并不相同，制备碳化硅大尺寸高压器件的小角度倾斜台面终端结构并没有现成的经验可以直接借鉴。也正因为如此，有关SiC GTO器件终端结构的文献才会出现多达10级以上阶梯刻蚀的近似负倾角这样复杂的终端结构设计方案。
光刻胶回流刻蚀SiC倾斜台面与常规的SiC掩膜干法刻蚀最大的不同是其采用的掩膜方式是光刻胶掩膜而非常规的金属掩膜或二氧化硅掩膜。但是光刻胶掩膜的一个固有缺点是其在ICP干法刻蚀中掩膜阻挡能力有限，即使采用厚胶掩膜的方式对SiC材料的刻蚀深度通常也很难超过1μm，而如果过度考虑增加光刻胶的留胶厚度又很有可能会因为光刻胶的上下层曝光剂量不均匀严重影响光刻的图案成型质量。采用光刻胶掩膜带来的技术挑战除了刻蚀深度很难满足碳化硅功率器件的要求之外，大面积的光刻胶均匀回流以及干法刻蚀的条件控制对最终倾斜台面终端的形貌及倾角大小都有重大的影响。
SiC小角度倾斜台面终端结构的刻蚀工艺流程主要如下：在对样片进行RCA标准清洗之后，旋涂AZ4620光刻胶进行掩膜，之后使用设计好相应图案的光刻板进行光刻曝光及显影，接下来对样片进行后烘工艺从而使光刻胶进行回流，光刻胶回流工艺之后再将样片置于感应耦合等离子体（ICP）刻蚀系统腔体进行干法刻蚀，刻蚀使用的气体为CF4/O2。样片达到所需的刻蚀深度之后取出样品，再利用浓硫酸和30%双氧水的混合溶液（3:1）洗去剩余光刻胶便得到了SiC的小角度倾斜台面刻蚀结构。类似的刻蚀工艺如重复数次便可得到相应的多级小角度倾斜台面刻蚀终端结构，从而满足不同类型SiC器件对刻蚀深度的多样化要求。
本发明实现的新型碳化硅大尺寸小角度倾斜台面终端刻蚀方案根据需求可应用于包括但不限于SiC GTO的多种类型的SiC器件的台面刻蚀终端结构。这一技术相较于目前的梯度刻蚀JTE终端其对边缘场强的抑制效果明显要好；和通过大量多级台阶刻蚀形成近似负倾角的终端方案相比其工艺流程则简化得多，由于本发明的大尺寸小角度倾斜台面刻蚀方案是一种理想的斜坡结构，所以相较于近似负倾角方案，在倾角相同的情况下，理论上其对边缘场强的抑制效果也更好。
附图说明
图1为SiC GTO器件目前常见的三种终端结构类型：（a）离子注入JTE、（b）梯度刻蚀JTE、（c）近似负倾角结构。
图2为本发明实验刻蚀出的SiC小角度倾斜台面实物俯视图。
图3为本发明实际刻蚀出的SiC小角度倾斜台面的台阶仪测试结果示意图。
测试结果显示倾斜台面倾角大小达到了创记录的2°，是目前已知报道的最小的SiC斜角刻蚀角度。
图4是本发明的结构示意图。
图5是可实际应用于SiC GTO器件终端结构的三步小角度倾斜台面终端刻蚀方案。
图6是可应用于SiC PiN器件的一种两步倾斜台面终端刻蚀方案。
图中，101为N+型SiC本征衬底，102为N+型SiC场截止层，103为P型SiC缓冲层，104为P-型SiC漂移层，105为 N型SiC base层，106为P+型SiC接触层，201为N+型SiC本征衬底，202为N+型SiC场截止层，203为N-型SiC漂移层，204为P+型SiC接触层。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明能制备出尺寸达到0.25cm×0.5cm的斜面形貌均匀的SiC小角度倾斜台面，基本满足了SiC GTO器件对倾斜台面终端结构尺寸的要求，实际刻蚀出的倾斜台面倾角大小达到了创记录的2°，是最小的SiC倾斜台面刻蚀角度。其倾斜台面刻蚀实物图如图2所示，台阶仪测试结果如图3所示，小角度倾斜台面结构示意图如图4所示。初步刻蚀试验刻蚀出的SiC倾斜台面的刻蚀深度为1.67μm。虽然在目前通过单次刻蚀还不能直接实现SiC GTO器件的完整终端结构，但如图5所示通过一个三步倾斜台面的刻蚀方案设计完全能够满足GTO器件终端结构对刻蚀深度的要求。另外该小角度倾斜台面刻蚀技术也可迁移应用到其他类型器件（例如SiC的PiN，SBD，MOSFET，IGBT及JFET等）的终端结构设计。
实施例 1
一种应用于碳化硅GTO器件的新型小角度倾斜台面终端，其SiC样品材料的外延结构从上到下为GTO器件中典型的P+/N/P-/P/N+结构，各外延层依次为P+接触层（厚度2μm，掺杂浓度1×1019cm-3）、N base层（厚度2μm，掺杂浓度2×1017cm-3）、P-漂移层（厚度60μm，掺杂浓度2×1014cm-3）、P缓冲层（厚度2μm，掺杂浓度2×1017cm-3）、N+场截止层（厚度1μm，掺杂浓度5×1018cm-3），最下方为N+的4H-SiC本征衬底。该GTO器件的器件台面为5mm*2.5mm的圆角矩形。
如图5所示，是该碳化硅GTO器件终端结构示意图，该终端结构是被制备在N+型SiC本征衬底101上的，从导电的N+型SiC衬底101由下至上分别为N+型SiC场截止层102、P型SiC缓冲层103、P-型SiC漂移层104、N型SiC base层105和P+型SiC接触层106；台面倾角θ小于5o，台面刻蚀深度需要穿过P+型SiC接触层106和N型SiC base层105，一直刻蚀到达P-型SiC漂移层104内部。工艺实施过程中每级倾斜台面的刻蚀深度被设置为1.5μm，因而为了刻蚀到P-型SiC漂移层104内部，一共需要实施三次倾斜台面刻蚀工序才能最终完成图5所示的SiC GTO器件倾斜台面刻蚀终端结构。
图5所示的SiC GTO器件小角度倾斜台面刻蚀终端结构的工艺流程包括：清洗样片；旋涂AZ4620光刻胶进行掩膜；使用设计好相应图案的光刻板进行光刻曝光及显影；对样片进行后烘光刻胶回流工艺；光刻胶回流之后使用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀系统进行干法刻蚀，刻蚀使用的气体为CF4/O2；刻蚀完成之后使用浓硫酸和30%双氧水的混合溶液（3:1）洗去剩余掩膜光刻胶便得到了SiC的小角度倾斜台面刻蚀结构。类似的刻蚀工艺配合使用相应的掩膜光刻板再重复两次便可得到用于GTO器件的小角度三级倾斜台面刻蚀终端结构。
实施例2
一种应用于碳化硅PiN器件的新型小角度倾斜台面终端，其SiC样品材料的外延结构从上到下为P+/N-/N+结构，各外延层依次为P+接触层（厚度2μm，掺杂浓度1×1019cm-3）、N-漂移层（厚度60μm，掺杂浓度2×1014cm-3）、N+场截止层（厚度1μm，掺杂浓度5×1018cm-3），最下方为N+的4H-SiC本征衬底。该PiN器件的器件台面为5mm*2.5mm的圆角矩形。
如图6所示，是该碳化硅PiN器件终端结构示意图，该终端结构是被制备在N+型SiC本征衬底201上的，从导电的N+型SiC衬底201由下至上分别为N+型SiC场截止层202、N-型SiC漂移层203、P+型SiC接触层204；台面倾角θ小于5o，台面刻蚀深度需要穿过P+型SiC接触层204，一直刻蚀到达N-型SiC漂移层203内部。工艺实施过程中每级倾斜台面的刻蚀深度被设置为1.5μm，因而为了刻蚀到N-型SiC漂移层203内部，一共需要实施两次倾斜台面刻蚀工序才能最终完成图6所示的SiC PiN器件倾斜台面刻蚀终端结构。
图6所示的SiC PiN器件小角度倾斜台面刻蚀终端结构的工艺流程和前面所述的图5中的SiC GTO器件的刻蚀终端工艺流程类似，在此便不再赘述。
Claims (8)
1.一种新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构，其特征在于：所述倾斜台面为上小下大的锥状台面结构，台面结构的面积大于1mm2；所述倾斜台面的斜面与水平面之间的夹角小于20°。
2.如权利要求1所述的新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构，其特征在于：所述小角度倾斜台面刻蚀结构应用于SiC GTO器件的刻蚀终端结构设计中，具体结构采用由上至下的P+/N/P-/P/N+外延结构，其中依次为：P+接触层、N base层、P- 漂移层、P缓冲层、N+场截止层，衬底为N+的4H-SiC本征衬底；所述P+接触层的厚度介于0.2-5μm之间，平均掺杂浓度介于2×1018-1×1020cm-3之间；所述N base层的厚度介于0.2-5μm之间，平均掺杂浓度介于2×1016-2×1018cm-3之间；所述P- 漂移层的厚度介于5-200μm之间，平均掺杂浓度介于5×1013-5×1015cm-3之间；所述P缓冲层的厚度介于0.2-5μm之间，平均掺杂浓度介于2×1016-2×1018cm-3之间；所述N+场截止层的厚度介于0.2-5μm之间，平均掺杂浓度介于2×1018-1×1020cm-3之间。
3.如权利要求1所述的新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构，其特征在于：所述小角度倾斜台面刻蚀结构应用于SiC PiN器件的刻蚀终端结构设计中，具体结构采用由上至下的P+/i/N+外延结构，其中依次为：P+接触层、本征i漂移层、N+场截止层，衬底为N+的4H-SiC本征衬底；所述P+接触层的厚度介于0.2-5μm之间，平均掺杂浓度介于2×1018-1×1020cm-3之间；所述本征i漂移层的厚度介于5-200μm之间，平均掺杂浓度介于5×1013-5×1015cm-3之间；所述N+场截止层的厚度介于0.2-5μm之间，平均掺杂浓度介于2×1018-1×1020cm-3之间。
4.如权利要求1所述的新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构，其特征在于：所述小角度倾斜台面刻蚀结构应用于SiC PiN器件的刻蚀终端结构设计中，具体结构采用由上至下的N+/i/P+外延结构，其中依次为：N+接触层、本征i漂移层、P+场截止层，衬底为N+的4H-SiC本征衬底；所述N+接触层的厚度介于0.2-5μm之间，平均掺杂浓度介于2×1018-1×1020cm-3之间；所述本征i漂移层的厚度介于5-200μm之间，平均掺杂浓度介于5×1013-5×1015cm-3之间；所述P+场截止层的厚度介于0.2-5μm之间，平均掺杂浓度介于2×1018-1×1020cm-3之间。
5.如权利要求1所述的新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构，其特征在于：所述小角度倾斜台面刻蚀结构可应用于碳化硅SBD、MOSFET、IGBT及JFET的器件台面终端结构设计。
6.如权利要求1所述的新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构，其特征在于：利用光刻胶回流技术制成的面积大于1mm2且倾斜台面的斜面与水平面之间的夹角小于20°的SiC单一倾斜台面刻蚀结构，或者通过多次使用光刻胶回流刻蚀技术形成的n级SiC小角度倾斜台面刻蚀结构，其中n≥2。
7.制备如权利要求1-6任意一项所述的新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构的方法，其特征在于：使用了AZ4620厚光刻胶作为掩膜方式及实现了大面积的光刻胶均匀回流，依据光刻胶回流条件的不同，通过ICP干法刻蚀工艺刻蚀出的SiC小角度倾斜台面的底角在0°~ 20°之间。
8.如权利要求7中所述的新型碳化硅小角度倾斜台面终端结构的制备方法，其特征在于刻蚀工艺流程主要如下：
（1）对样片进行RCA标准清洗之后，旋涂AZ4620光刻胶进行掩膜；
（2）使用设计好相应图案的光刻板进行光刻曝光及显影；
（3）接下来对样片进行后烘工艺从而使光刻胶进行回流；
（4）光刻胶回流工艺之后再将样片置于感应耦合等离子体刻蚀系统腔体内进行干法刻蚀，刻蚀使用的气体为CF4/O2；
（5）当样片达到所需的刻蚀深度之后取出样品，再利用浓硫酸和30%双氧水的混合溶液洗去剩余光刻胶便得到了SiC的小角度倾斜台面刻蚀结构；所述混合溶液中浓硫酸和30%双氧水的比例为3：1。
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