CN108461549A - 一种碳化硅二极管器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳化硅二极管器件，其元胞结构包括：自上而下以此设置阳极金属、p型外延层、n型漂移层、n+衬底以及阴极金属，所述p型外延层顶部设有接触槽，所述阳极金属底部设有突起部，所述接触槽与所述突起部相互匹配，本发明还提供一种碳化硅二极管器件的制备方法，解决结势垒肖特基二极管中，由于pn结区域的存在，导通状态下器件有效导通面积较小，导致导通电阻较高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳化硅二极管器件及其制备方法。
背景技术
碳化硅是一种新兴的第三代半导体材料，具有良好的物理特性和电学特性，被广泛地用于制备高压大功率和高温抗辐照电子器件。碳化硅肖特基二极管是最早实现商业化的碳化硅半导体器件，常见的商业化肖特基二极管为肖特基势垒二极管(SchottkyBarrier Diodes)和结势垒肖特基二极管(Junction Barrier Schottky Diodes)。
传统的结势垒肖特基二极管利用反偏PN结的空间电荷区为SBD结构承受反向偏压，从而能够在保证阻断电压的基础上，适当降低肖特基势垒高度以降低正向压降，同时减小二极管反偏漏电。然而，由于在结势垒肖特基二极管中，离子注入结区域并不能够导电，因此器件的有效导通面积减小了，这一缺点限制了JBS器件导通电流密度的进一步提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题，在于提供一种碳化硅二极管器件及其制备方法，解决结势垒肖特基二极管中，由于pn结区域的存在，导通状态下器件有效导通面积较小，导致导通电阻较高的问题。
本发明之一是这样实现的：一种碳化硅二极管器件，其元胞结构包括：自上而下以此设置阳极金属、p型外延层、n型漂移层、n+衬底以及阴极金属，所述p型外延层顶部设有接触槽，所述阳极金属底部设有突起部，所述接触槽与所述突起部相互匹配。
进一步地，所述n型漂移层的掺杂浓度范围为2×1014cm-3至1×1016cm-3，所述n型漂移层的厚度为5um至200um。
进一步地，所述p型外延层的掺杂浓度大于等于1×1019cm-3。
进一步地，所述p型外延层的厚度为0.2um至1um，所述接触槽的宽度为4um至16um，所述接触槽底部至n型漂移层顶部距离小于等于5nm。
进一步地，所述阳极金属为Ni或Ti，所述阴极金属为Ni。
进一步地，所述阳极金属的宽度14um至46um。
本发明之二是这样实现的：一种碳化硅二极管器件的制备方法，具体包括如下步骤：
在n+衬底上通过外延生长n型漂移层；
在所述n型漂移层上通过外延生长p型外延层；
在所述p型外延层上通过刻蚀形成接触槽；
通过电子束蒸发或磁控溅射方法淀积金属，并进行接触退火，形成阴极金属；
通过电子束蒸发或磁控溅射方法淀积金属，光刻形成阳极金属。
进一步地，所述在所述p型外延层上通过刻蚀形成接触槽进一步具体为：
在p型外延层表面通过电子束蒸发的方法，蒸发形成厚度为0.3um的金属Ni作为刻蚀掩膜层材料，对该掩膜层材料进行光刻开孔，RIE刻蚀去掉所需开出接触槽之上的金属Ni掩膜层；
准备与p型外延厚度相同的陪片，采用ICP干法刻蚀对配片以及p型外延层进行垂直刻蚀，刻蚀至距离p型外延层顶部50nm后停止；
利用浓硫酸双氧水混合液，加热条件下去掉表面的金属；
对陪片进行SEM观察，确定剩余p型外延层厚度，并结合Deal–Grove模型计算出氧化剩余5nm厚度p型外延层所需时间；
对p型外延层依照计算所需时间进行氧化形成一氧化层，使用BOE溶液去掉氧化层，最终形成所述接触槽。
进一步地，所述通过电子束蒸发或磁控溅射淀积阴极金属，并进行接触退火进一步具体为：在n+衬底的一面，利用电子束蒸发方法或磁控溅射淀方法淀积金属Ni，在氮气的保护下，进行接触退火，退火时间为2min，退火温度为975℃。
进一步地，所述通过电子束蒸发或磁控溅射方法淀积金属，光刻形成阳极金属进一步具体为：利用电子束蒸发方法或磁控溅射淀方法淀积200nm金属Ni或Ti，在氮气保护下进行接触退火，退火时间为2min，退火温度为500℃。
本发明的优点在于：本发明一种碳化硅二极管器件及其制备方法，可应用于广泛的电压范围，具有良好的导通特性和反向恢复特性。该结构的制备工艺与常规碳化硅二级管器件兼容，由于在相同器件面积的情况下，具有更大的电流导通面积；
并且，本发明在常规SBD器件的基础上，引入高掺杂的p型阳极区域，使器件在正向导通时，载流子能够通过隧穿效应通过p型区域；在反向阻断状态下，外延pn结承受反向偏压，相比于SBD和JBS器件利用肖特基结承受反向偏压，该二极管利用pn结承受反偏电压，能够降低阻断状态下的漏电流。
附图说明
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例的碳化硅二极管器件元胞结构示意图。
图2为本发明实施例的步骤流程图。
图3为本发明实施例提供的一种碳化硅二极管器件的制造方法中形成接触槽的示意图一。
图4为本发明实施例提供的一种碳化硅二极管器件的制造方法中形成接触槽的示意图二。
图5为本发明实施例提供的一种碳化硅二极管器件的制造方法中形成接触槽的示意图三。
图6为本发明实施例提供的一种碳化硅二极管器件的制造方法中形成接触槽的示意图四。
图7为本发明实施例提供的一种碳化硅二极管器件的制造方法中形成接触槽的步骤流程图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明碳化硅二极管器件，其是由多个元胞结构并联形成的，该元胞结构包括：自上而下以此设置阳极金属4、p型外延层3、n型漂移层2、n+衬底1以及阴极金属5，所述p型外延层3顶部设有接触槽，所述阳极金属4底部设有突起部，所述接触槽与所述突起部相互匹配，所述n型漂移层2的掺杂浓度范围为2×1014cm-3至1×1016cm-3，所述n型漂移层2的厚度为5um至200um，所述p型外延层3的掺杂浓度大于等于1×1019cm-3，所述p型外延层3的厚度为0.2um至1um，所述接触槽的宽度为4um至16um，所述接触槽底部至n型漂移层2顶部距离小于等于5nm，所述阳极金属4为Ni或Ti，所述阴极金属5为Ni，所述阳极金属4的宽度14um至46um；通过改变p型外延层3的厚度，掺杂浓度和中央接触槽的宽度和深度，可以在导通电阻和阻断漏电之间做出优选。
所述阳极金属4选择Ni/Ti，目的是形成阳极接触，填充接触槽的同时形成场板结构，场板的长度为5um至15um，目的是降低器件元胞边缘处的电场集中。所述阴极金属5选择Ni，目的是形成阴极欧姆接触。
如图2所示，本发明碳化硅二极管器件的制备方法，具体包括如下步骤：
在n+衬底1上通过外延生长n型漂移层2；
在所述n型漂移层2上通过外延生长p型外延层3；
在所述p型外延层3上通过刻蚀形成接触槽；
通过电子束蒸发或磁控溅射方法淀积金属，并进行接触退火，形成阴极金属5；
通过电子束蒸发或磁控溅射方法淀积金属，光刻形成阳极金属4。
所述在所述p型外延层3上通过刻蚀形成接触槽进一步具体为：
在p型外延层表面通过电子束蒸发的方法，蒸发形成厚度为0.3um的金属Ni作为刻蚀掩膜层材料，对该掩膜层材料进行光刻开孔，RIE刻蚀去掉所需开出接触槽之上的金属Ni掩膜层；
准备与p型外延厚度相同的陪片，采用ICP干法刻蚀对配片以及p型外延层进行垂直刻蚀，刻蚀至距离p型外延层顶部50nm后停止；
利用浓硫酸双氧水混合液，加热条件下去掉表面的金属；
对陪片进行SEM观察，确定剩余p型外延层厚度，并结合Deal–Grove模型计算出氧化剩余5nm厚度p型外延层所需时间；
对p型外延层依照计算所需时间进行氧化形成一氧化层，使用BOE溶液去掉氧化层，最终形成所述接触槽。
所述通过电子束蒸发或磁控溅射淀积阴极金属5，并进行接触退火进一步具体为：在n+衬底1的一面，利用电子束蒸发方法或磁控溅射淀方法淀积金属Ni，在氮气的保护下，进行接触退火，退火时间为2min，退火温度为975℃，可以根据用户需求控制淀积金属的厚度。
所述通过电子束蒸发或磁控溅射方法淀积金属，光刻形成阳极金属4进一步具体为：利用电子束蒸发方法或磁控溅射淀方法淀积200nm金属Ni或Ti，在氮气保护下进行接触退火，退火时间为2min，退火温度为500℃，可以根据用户需求控制淀积金属的厚度。
本发明实施例一
本发明碳化硅二极管器件的制备方法，所述方法包括：
S1、在n+衬底1上通过外延生长n型漂移层2；
S2、在所述n型漂移层2上通过外延生长高掺杂的p型外延层3；
S3、在所述的p型外延层3上，通过刻蚀形成接触槽；
S4、在器件背面，通过电子束蒸发或磁控溅射淀积阴极金属5，并进行接触退火；
S5、在器件正面，通过电子束蒸发或磁控溅射淀积阳极金属4，光刻形成场板图形。
其中所示步骤S3，需要通过刻蚀方法形成接触槽，其底部距离n型漂移层2顶部5nm以下，本发明提供一种在现有工艺条件下可行的方法。
如图3至图7所示，首先，在晶片表面通过电子束蒸发的方法，蒸发形成厚度为0.3um的金属Ni作为刻蚀掩膜层材料，对该掩膜层材料进行光刻开孔，RIE刻蚀去掉接触槽之上的金属Ni掩膜层。之后准备相同外延结构的SiC陪片，采用ICP干法刻蚀对主片(主片即为本发明所制作的p型外延层)和陪片(即为与p型外延层结构以及厚度一样的SiC，用于工艺验证)进行垂直刻蚀，刻蚀至距离p型外延层3顶部约50nm后停止。接着利用浓硫酸双氧水混合液，加热条件下去掉表面的金属。接着，对刻蚀陪片进行SEM观察，确定剩余p型外延层3厚度，并结合Deal–Grove模型计算出氧化剩余5nmp型外延层3所需时间。最后，对主片依照计算条件进行氧化形成SiO2氧化层6，使用BOE溶液去掉SiO2氧化层6，最终形成所述接触槽。
所述步骤S4，使用金属Ni作为阴极欧姆接触材料，过程包括：翻转晶元，在(1)n+衬底1的背面，利用电子束蒸发的方法沉积200nm金属Ni，在N2气体的保护下，进行接触退火2min，退火温度975℃。
所述步骤S5，需要使用阳极金属4Ti/Ni填充接触槽，包括：在晶元的背面，匀胶并坚膜保护背面已形成的欧姆接触。之后翻转晶元，利用电子束蒸发的方法沉积金属Ti/Ni。匀胶、光刻、显影并坚膜后，刻蚀金属形成场板结构。之后在N2气体的保护下，进行肖特基接触退火2min，退火温度500℃。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种碳化硅二极管器件，其特征在于：其元胞结构包括：自上而下以此设置阳极金属、p型外延层、n型漂移层、n+衬底以及阴极金属，所述p型外延层顶部设有接触槽，所述阳极金属底部设有突起部，所述接触槽与所述突起部相互匹配。
2.如权利要求1所述的一种碳化硅二极管器件，其特征在于：所述n型漂移层的掺杂浓度范围为2×1014cm-3至1×1016cm-3，所述n型漂移层的厚度为5um至200um。
3.如权利要求1所述的一种碳化硅二极管器件，其特征在于：所述p型外延层的掺杂浓度大于等于1×1019cm-3。
4.如权利要求1或3所述的一种碳化硅二极管器件，其特征在于：所述p型外延层的厚度为0.2um至1um，所述接触槽的宽度为4um至16um，所述接触槽底部至n型漂移层顶部距离小于等于5nm。
5.如权利要求1所述的一种碳化硅二极管器件，其特征在于：所述阳极金属为Ni或Ti，所述阴极金属为Ni。
6.如权利要求1所述的一种碳化硅二极管器件，其特征在于：所述阳极金属的宽度14um至46um。
7.一种碳化硅二极管器件的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
在n+衬底上通过外延生长n型漂移层；
在所述n型漂移层上通过外延生长p型外延层；
在所述p型外延层上通过刻蚀形成接触槽；
通过电子束蒸发或磁控溅射方法淀积金属，并进行接触退火，形成阴极金属；
通过电子束蒸发或磁控溅射方法淀积金属，光刻形成阳极金属。
8.如权利要求7所述的一种碳化硅二极管器件的制备方法，其特征在于：所述在所述p型外延层上通过刻蚀形成接触槽进一步具体为：
在p型外延层表面通过电子束蒸发的方法，蒸发形成厚度为0.3um的金属Ni作为刻蚀掩膜层材料，对该掩膜层材料进行光刻开孔，RIE刻蚀去掉所需开出接触槽之上的金属Ni掩膜层；
准备与p型外延厚度相同的陪片，采用ICP干法刻蚀对配片以及p型外延层进行垂直刻蚀，刻蚀至距离p型外延层顶部50nm后停止；
利用浓硫酸双氧水混合液，加热条件下去掉表面的金属；
对陪片进行SEM观察，确定剩余p型外延层厚度，并结合Deal–Grove模型计算出氧化剩余5nm厚度p型外延层所需时间；
对p型外延层依照计算所需时间进行氧化形成一氧化层，使用BOE溶液去掉氧化层，最终形成所述接触槽。
9.如权利要求7所述的一种碳化硅二极管器件的制备方法，其特征在于：所述通过电子束蒸发或磁控溅射淀积阴极金属，并进行接触退火进一步具体为：在n+衬底的一面，利用电子束蒸发方法或磁控溅射淀方法淀积金属Ni，在氮气的保护下，进行接触退火，退火时间为2min，退火温度为975℃。
10.如权利要求7所述的一种碳化硅二极管器件的制备方法，其特征在于：所述通过电子束蒸发或磁控溅射方法淀积金属，光刻形成阳极金属进一步具体为：利用电子束蒸发方法或磁控溅射淀方法淀积200nm金属Ni或Ti，在氮气保护下进行接触退火，退火时间为2min，退火温度为500℃。
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| CN114999913A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-09-02 | 瑶芯微电子科技(上海)有限公司 | 一种SiC JBS器件及其制备方法 |
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| KR20130049916A (ko) * | 2011-11-07 | 2013-05-15 | 현대자동차주식회사 | 실리콘 카바이드 쇼트키 베리어 다이오드 및 이의 제조방법 |
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2018
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