CN110739349A - 一种碳化硅横向jfet器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体器件技术领域，公开了一种碳化硅横向JFET器件结构。其主要结构包括一N+衬底，在其上方依次为一P+隔离层，一P‑层，一N‑漂移区。在N‑漂移区的上方左侧有两个P+栅区，两个P+栅区通过N‑沟道区隔开，在N‑沟道区顶部为N+源极接触区。一N‑第二漂移区，位于P+栅区右侧，一N+漏区位于N‑第二漂移区右侧顶部，两个栅极，一源极，一漏极分别位于前述P+栅区、N+源极接触区和N+漏极接触区之上。本发明还提供了制备该碳化硅横向JFET器件制备的工艺方法，利用沟槽外延方法，减小了器件工艺成本和难度。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，具体涉及一种碳化硅横向JFET器件及其制备方法。
背景技术
结型场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor，JFET)是一种电压控制器件，利用PN结的端电压即其栅源电压，改变沟道的导电性来实现对输出漏源电流的控制。利用横向JFET器件和电阻等无源器件的集成，能够实现各类模拟集成电路和数字集成电路。
碳化硅JFET器件具有驱动相对容易、不包含低可靠性的栅氧化层、输入电阻较高、噪声较少等优势。碳化硅材料的少数载流子寿命受到温度的影响较大，通常的工作温度范围内，少子寿命随温度的变化呈上升趋势。在功率集成电路中，大功率器件常常并联存在，当某一器件的温度上升时，其少子寿命增加。对于少子器件而言，其导通电阻会随之降低，导致温度的进一步增加，形成正反馈现象，最终导致器件失效。相比于依靠少子导电的SiCBJT器件，SiC JFET器件依靠多子漂移导电，因此其性能受载流子寿命变化的影响较小，更适用于高温碳化硅基功率集成电路。在大功率，高温的环境下，SiC JFET基集成电路能更大程度的发挥出碳化硅材料的优异性能。
碳化硅JFET横向器件可以在N型衬底、P型衬底及半绝缘衬底上制备，通常P型衬底和半绝缘衬底上制备的SiC JFET器件具有更好的性能，而N型衬底由于与SiC纵向功率器件相兼容，因此具有更低的成本。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是针对碳化硅材料的特点，提出一种碳化硅JFET横向器件，该器件基于商业化的N型衬底，便于进行横向集成，且制备工艺简单，适用于高温大功率碳化硅集成电路。
(二)技术方案
本发明的技术方案综合考虑碳化硅材料特性、工艺难度、器件性能和成本等方面，提供一种碳化硅横向JFET器件。
主要结构包括一N+衬底1，在其上方依次为一P+隔离层2，一P-层3，一N-漂移区4；在N-漂移区4的上方左侧有两个P+栅区5，两个P+栅区5通过N-沟道区7隔开，在N-沟道区7顶部为N+源极接触区8；
一N-第二漂移区6，位于P+栅区右侧，一N+漏区9位于所述N-第二漂移区6右侧顶部，栅极10，一源极11和一漏极12分别位于所述P+栅区5、N+源极接触区8和N+漏极接触区9之上。
器件栅极施加正偏压时沟道打开，电流可以由漏极流入，源极流出。栅极施加负偏压时N-沟道区7中完全由耗尽层占据，沟道关断，此时漏极施加正向偏压，在N-漂移区4和N-第二漂移区6中形成空间电荷区。
优选的，所述P+隔离层2厚度为0.2μm-1μm，掺杂浓度5×1016cm-3-5×1017cm-3；所述P-层3厚度为1μm-5μm，掺杂浓度为1×1015cm-3-2×1016cm-3；所述N-漂移区4厚度为5μm-20μm，掺杂浓度为2×1014cm-3-1×1016cm-3。
优选的，所述P+栅区5掺杂浓度为5×1018cm-3以上，厚度为0.5μm-5μm；所述N-第二漂移区6的厚度与P+栅区5的高度相同，掺杂浓度与N-漂移区4相同。
优选的，所述N+源极接触区8和N+漏极接触区9为离子注入区域，所述离子注入区域深度为0.2μm-0.5μm，氮掺杂浓度2×1018cm-3-5×1019cm-3。
优选的，所述栅极10与所述P+栅区5形成欧姆接触，所述栅极材料包括Ti/TaSi2/Pt；所述源极11和漏极12分别与N+源极接触区8、N+漏区9形成欧姆接触，所述源极材料为TaSi2/Pt。
本发明的另一方面，提供了一种制备该碳化硅横向JFET器件的方法，包括以下步骤：
S1：在N+型碳化硅衬底上依次生长P+/P-/N-/P+型外延层；
S2：刻蚀碳化硅表面形成栅区；
S3：外延生长N型漂移层填充沟槽，表面磨抛、平整化；
S4：离子注入形成源极接触区和漏极接触区；
S5：剥离形成栅极、源极及漏极金属。
优选的，所述S3包括：清洗所述外延片，利用HTCVD设备进行外延生长N-掺杂碳化硅，完全填充沟槽后，磨抛去除覆盖在P+栅区5之上的N型外延层，形成N-沟道区7和N-第二漂移区6。
优选的，所述S5包括：
S5.1清洗所述外延片，涂胶、光刻、显影后溅射金属Ti，在丙酮溶液中浸泡剥离金属Ti；
S5.2涂胶、光刻、显影，并溅射TaSi2/Pt，再次剥离后在栅区10上形成Ti/TaSi2/Pt复合金属，在N+源极接触区8和N+漏极接触区9上形成TaSi2/Pt复合金属，在600℃下退火30分钟形成欧姆接触。
(三)有益效果
本发明设计了一种碳化硅横向JFET器件，该器件基于商业化的N型碳化硅衬底，且器件制备过程中使用的高温工艺数目较少，因此成本较为低廉。
由于碳化硅横向JFET器件依靠多子导电，且不存在容易高温失效的栅氧化层，器件的电极接触均采用高温可靠的TaSi2/Pt基欧姆接触，因此用本发明的碳化硅横向JFET器件构成的集成电路能够在极高的温度下工作，不会发生明显的性能衰退和可靠性问题。
附图说明
图1为本发明的碳化硅横向JFET器件结构图；
图2为本发明的碳化硅横向JFET器件工艺流程图；
图3为本发明实施例所提供的器件制备工艺步骤S1示意图；
图4为本发明实施例所提供的器件制备工艺步骤S2示意图；
图5为本发明实施例所提供的器件制备工艺步骤S3示意图；
图6为本发明实施例所提供的器件制备工艺步骤S4示意图；
N+衬底1，P+隔离层2，P-层3，N-漂移区4，P+栅区5，N-第二漂移区6，N-沟道区7，N+源极接触区8，N+漏区9，栅极10，源极11，漏极12。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明实施例的一方面提供了一种碳化硅横向JFET器件，结构示意图如图1所示，该器件结构包含一N+衬底1，在其上方依次为一P+隔离层2，一P-层3，一N-漂移区4。在N-漂移区4的上方左侧有两个P+栅区5，两个P+栅区5通过N-沟道区7隔开，在N-沟道区7顶部为N+源极接触区8。一N-第二漂移区6，位于P+栅区右侧，一N+漏区9位于N-第二漂移区6右侧顶部，两个栅极10，一源极11，一漏极12分别位于前述P+栅区5、N+源极接触区8和N+漏极接触区9之上。
在本发明实施例中，优选的，所述P+隔离层2厚度为0.2μm至1μm，掺杂浓度5×1016cm-3至5×1017cm-3；所述P-层3厚度为1μm至5μm，掺杂浓度为1×1015cm-3至2×1016cm-3；所述N-漂移区4厚度为5μm至20μm，掺杂浓度为2×1014cm-3至1×1016cm-3。
在本发明实施例中，优选的，所述P+栅区5掺杂浓度为5×1018cm-3以上，高度为0.5μm至5μm；所述N-第二漂移区6的厚度与P+栅区5的高度相同，掺杂浓度与N-漂移区4相同。
在本发明实施例中，优选的，所述N+源极接触区8和N+漏极接触区9均为离子注入区域，深度为0.2μm至0.5μm，掺杂浓度2×1018cm-3至5×1019cm-3，使用N作为掺杂杂质。
在本发明实施例中，优选的，栅极10与P+栅区5形成欧姆接触，可选择的栅极材料为Ti/TaSi2/Pt；源极11、漏极12分别与N+源极接触区8、N+漏区9形成欧姆接触，可选择的材料为TaSi2/Pt。
本发明实施例的另一方面，提供了制备该碳化硅横向JFET器件的方法，包括以下步骤：
步骤S1：在N+型碳化硅衬底上依次生长P+/P-/N-/P+型外延层。
如图3所示，在N+型衬底1上依次外延生长P+外延层2，P-外延层3，N-外延层4，P+外延层5。
步骤S2：刻蚀碳化硅表面形成栅区；
如图4所示，清洗外延片表面后，在碳化硅表面沉积厚度为3μm的二氧化硅。涂胶光刻、显影、坚膜后，以光刻胶为掩膜刻蚀二氧化硅。之后以刻蚀后的二氧化硅为掩膜，刻蚀碳化硅材料至N-层的表面，形成P+栅区5。
步骤S3：再次外延生长N型漂移层填充沟槽，之后做表面磨抛、平整化；
如图5所示，再次清洗外延片，利用HTCVD设备进行外延生长N-掺杂的碳化硅，外延生长的碳化硅完全填充沟槽后，磨抛去除覆盖在P+栅区5之上的N型外延层，使晶片表面平整，形成N-沟道区7和N-第二漂移区6。
S4：离子注入形成源极接触区和漏极接触区；
如图6所示，清洗外延片后，在碳化硅表面沉积厚度为2μm的二氧化硅，利用光刻胶为掩膜刻蚀二氧化硅。以刻蚀后的二氧化硅为掩膜，离子注入氮，溅射碳膜后在1800℃下激活退火2小时。刻蚀去掉碳膜，形成N+源极接触区8和N+漏极接触区9。
S5：剥离形成栅极、源极及漏极金属。
如图1所示，再次清洗晶片，涂胶、光刻、显影后溅射金属Ti，在丙酮溶液中浸泡剥离金属Ti。之后再次涂胶、光刻、显影，并溅射TaSi2/Pt，再次剥离后在栅区10上形成Ti/TaSi2/Pt复合金属，在N+源极接触区8和N+漏极接触区9上形成TaSi2/Pt复合金属，在600℃下退火30分钟形成欧姆接触。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，通过改变某个区域厚度或掺杂浓度，改变横向结构的位置和名称，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种碳化硅横向JFET器件，其特征在于：包括
一N+衬底(1)，在其上方依次为一P+隔离层(2)，一P-层(3)，一N-漂移区(4)；在N-漂移区(4)的上方左侧有两个P+栅区(5)，两个P+栅区(5)通过N-沟道区(7)隔开，在N-沟道区(7)顶部为N+源极接触区(8)；
一N-第二漂移区(6)，位于P+栅区右侧，一N+漏区(9)位于所述N-第二漂移区(6)右侧顶部，栅极(10)，一源极(11)和一漏极(12)分别位于所述P+栅区(5)、N+源极接触区(8)和N+漏极接触区(9)之上。
2.根据权利要求1所述的碳化硅横向JFET器件，其特征在于，所述P+隔离层(2)厚度为0.2μm-1μm，掺杂浓度5×1016cm-3-5×1017cm-3；所述P-层(3)厚度为1μm-5μm，掺杂浓度为1×1015cm-3-2×1016cm-3；所述N-漂移区(4)厚度为5μm-20μm，掺杂浓度为2×1014cm-3-1×1016cm-3。
3.根据权利要求1所述的碳化硅横向JFET器件，其特征在于，所述P+栅区(5)掺杂浓度为5×1018cm-3以上，厚度为0.5μm-5μm；所述N-第二漂移区(6)的厚度与P+栅区(5)的高度相同，掺杂浓度与N-漂移区(4)相同。
4.根据权利要求1所述的碳化硅横向JFET器件，其特征在于，所述N+源极接触区(8)和N+漏极接触区(9)为离子注入区域，所述离子注入区域深度为0.2μm-0.5μm，氮掺杂浓度2×1018cm-3-5×1019cm-3。
5.根据权利要求1所述的碳化硅横向JFET器件，其特征在于：所述栅极10与所述P+栅区(5)形成欧姆接触，所述栅极材料包括Ti/TaSi2/Pt；所述源极(11)和漏极(12)分别与N+源极接触区(8)、N+漏区(9)形成欧姆接触，所述源极材料为TaSi2/Pt。
6.一种碳化硅横向JFET器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在N+型碳化硅衬底上依次生长P+/P-/N-/P+型外延层；
S2：刻蚀所述外延层表面形成栅区；
S3：外延生长N型漂移层填充沟槽，表面磨抛、平整化；
S4：离子注入形成源极接触区和漏极接触区；
S5：剥离形成栅极、源极及漏极金属。
7.根据权利要求6所述的一种碳化硅横向JFET器件的制造方法，其特征在于，所述S3包括：清洗所述外延片，利用HTCVD设备进行外延生长N-掺杂碳化硅，完全填充沟槽后，磨抛去除覆盖在P+栅区(5)之上的N型外延层，形成N-沟道区(7)和N-第二漂移区(6)。
8.根据权利要求6所述的一种碳化硅横向JFET器件的制造方法，其特征在于，所述S5包括：
S5.1清洗所述外延片，涂胶、光刻、显影后溅射金属Ti，在丙酮溶液中浸泡剥离金属Ti；
S5.2涂胶、光刻、显影，并溅射TaSi2/Pt，再次剥离后在栅区(10)上形成Ti/TaSi2/Pt复合金属，在N+源极接触区(8)和N+漏极接触区(9)上形成TaSi2/Pt复合金属，在600℃下退火30分钟形成欧姆接触。
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