CN111180528B - 一种SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构，属于半导体功率器件技术领域。该三阶斜台面结终端结构包括阳极金属Ni接触区、三阶斜台面金属Ni场板、氮化层Si3N4、氧化层SiO2、N‑低浓度外延层、N+高浓度衬底、阴极金属Ni接触区。该结终端结构特点在于：阳极金属Ni接触区1和三阶斜台面金属Ni场板短接在一起，分别作为元胞区阳极和结终端金属场板。氧化层SiO2夹在氮化层Si3N4中间，形成三明治结构。本发明在保证器件的正向导通性能不改变的前提下，通过利用三阶斜台面场板结终端区结构，能够有效地提高器件的反向击穿电压。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构。
背景技术
新一代半导体材料碳化硅(SiC)材料具有很多优点，如禁带宽度很大、临界击穿场强很高、热导率很大、饱和电子漂移速度很高和介电常数很低。首先大的禁带宽度，如4H-SiC其禁带宽度为3.26eV，是硅材料禁带宽度的三倍多，这使得器件能耐高温并且能发射蓝光；高的临界击穿场强，碳化硅的临界击穿场强(2-4MV/cm)很高，4H-SiC的临界击穿场强为2.2MV/cm，这要高出Si和GaAs一个数量级，所以碳化硅器件能够承受高的电压和大的功率；大的热导率，热导率是Si的3.3倍和GaAs的10倍，热导率大，器件的导热性能就好，集成电路的集成度就可以提高，但散热系统却减少了，进而整机的体积也大大减小了；高的饱和电子漂移速度和低的介电常数能够允许器件工作在高频、高速下。
近年来随着需求增长具有更高的工作频率、更小的元胞尺寸和更低功耗的SiC肖特基二极管(SBD)的应用范围不断扩大。SiC肖特基二极管的典型应用包括整流电路、电源保护电路、电压箝位电路等。此外，SiC肖特基二极管的反向恢复时间比快恢复二极管或超快恢复二极管还要小，正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲，因而它是高频电路、超高速开关电路的理想器件。
SiC肖特基二极管由于在结边缘具有严重的不连续性，所以会在结的边、角这些部位存在曲率，使得在半导体器件表面的电力线要比体内的电力线密集很多，产生电场集边效应。所以在实际情况下，SiC肖特基二极管结的边缘电场强度要比体内高很多，导致器件发生提前击穿，严重影响了SiC肖特基二极管的反向阻断特性。
使用一阶台面金属场板SiC肖特基二极管能够有效提高器件的反向击穿电压。一阶台面金属场板对介质中的电荷具有吸附作用，所以该终端技术对器件界面电荷，尤其对可动的界面电荷不是很敏感。缺点主要是场板外边缘的电场比较集中，电场强度比较大，击穿容易提前在该处表面发生，且对介质层的要求很高。另外，场板的实际效果与场板的长度和氧化层的厚度有关。当氧化层厚度较薄且衬底掺杂较低时，击穿通常发生在场板的外边缘。当氧化层厚度较厚时，击穿通常发生在场板内侧。同时，一阶台面金属场板SiC肖特基二极管还存在场板边缘处与外延层的电位相差很大的缺点，导致场板边缘处的电场强度较大，在较低反向偏压下，器件容易发生提前击穿，而且击穿点有可能发生在器件表面处，因此对介质层的质量有较高的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构，使用此结终端技术能够有效弥补一阶台面金属场板的缺点，提高SiC肖特基二极管的反向击穿电压。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构，包括
元胞结构：包括阳极肖特基金属Ni接触区、N-低浓度外延层、N+高浓度衬底层、阴极金属Ni接触区；所述肖特基金属Ni接触区位于N-低浓度外延层上表面；所述N-低浓度外延层位于肖特基金属Ni接触区下表面与N+高浓度衬底层上表面，且N-低浓度外延层掺入n型杂质浓度为3×1015cm-3；所述N+高浓度衬底层介于N-低浓度外延层下表面与阴极金属Ni接触区上表面，且N+高浓度衬底层掺入n型杂质浓度为3×1018cm-3；所述阴极金属Ni接触区位于N+高浓度衬底层下表面；
终端结构：包括三阶斜台面金属Ni场板、氮化层Si3N4、氧化层SiO2、N-低浓度外延层、N+高浓度衬底层、阴极金属Ni接触区；所述三阶斜台面金属Ni场板位于氮化层Si3N4和氧化层SiO2上表面；所述第一层氮化层Si3N4位于三阶斜台面金属Ni场板下表面和氧化层SiO2上表面；所述氧化层SiO2介于第一层氮化层Si3N4下表面与第二层氮化层Si3N4上表面；所述第二层氮化层Si3N4位于氧化层SiO2下表面和N-低浓度外延层上表面；所述N-低浓度外延层介于第二层氮化层Si3N4下表面与N+高浓度衬底层上表面N-低浓度外延层，且N-低浓度外延层掺入n型杂质浓度为3×1015cm-3；所述N+高浓度衬底层介于N-低浓度外延层下表面与阴极金属Ni接触区上表面，且N+高浓度衬底层掺入n型杂质浓度为3×1018cm-3；所述阴极金属Ni接触区位于N+高浓度衬底层下表面。
进一步，所述元胞结构和终端结构中，N-低浓度外延层掺入n型杂质浓度为3×1015cm-3；N+高浓度衬底层掺入n型杂质浓度为3×1018cm-3。
进一步，所述阳极金属接触区的材料为Ti、Al、Pt中的一种。
进一步，所述阴极金属接触区的材料为Ti、Al、Au、Pt、Pb中的一种。
进一步，所述斜台面金属场板的材料为Ti和Al中的一种。
进一步，所述氮化层Si3N4和氧化层SiO2能够使用AlN进行替换。
进一步，所述的三阶斜台面金属场板能够使用二阶斜台面金属场板和四阶斜台面金属场板进行替换。
本发明的有益效果在于：本发明提出的三阶斜台面结终端结构能够有效弥补一阶台面金属场板技术的缺点，还能有效提高SiC肖特基二极管的击穿电压。具有三阶斜台面场板结终端区结构的SBD器件在保证正向导通特性不变的前提下，能够优化器件的体内电场。使用两种不同介电常数的物质作为场板的介质层，将最大的电场引入介质层进行耐压，能够提高器件的击穿电压和工作稳定性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为现有技术中使用SiO2作为介质层一阶台面场板结终端结构的肖特基二极管(FPO-SBD)器件结构示意图；
图2为现有技术中使用Si3N4作为介质层一阶台面场板结终端结构的肖特基二极管(FPN-SBD)器件结构示意图；
图3为现有技术中使用SiO2和Si3N4作为介质层二阶台面场板结终端结构的肖特基二极管(TFP-SBD)器件结构示意图；
图4为本发明提供的一种使用SiO2和Si3N4作为介质层二阶斜台面场板结终端结构的肖特基二极管(TSFP-SBD)器件的实施结构1示意图；
图5为本发明提供的一种使用SiO2和Si3N4作为介质层三阶斜台面场板结终端结构的(MSFP-SBD)器件的实施结构2示意图；
图6为本发明提供的一种使用SiO2和Si3N4作为介质层三阶斜台面场板结终端结构的(MSFP-SBD)器件的实施结构3示意图；
图7为本发明提供的一种使用SiO2和Si3N4作为介质层三阶斜台面场板结终端结构的肖特基结势垒二极管(MSFP-JBS)器件的实施结构4示意图；
图8为本发明提供的一种三阶斜台面场板结终端结构的绝缘栅双极型晶体管(MSFP-IGBT)器件的实施结构4示意图；
图9为本发明提供的TSFP-SBD、MSFP-SBD器件和FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD器件在Nd＝3×1015cm-3时击穿电压仿真对比图；
图10为本发明提供的TSFP-SBD、MSFP-SBD器件和FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD器件击穿状态下在Nd＝3×1015cm-3时X＝80μm处二维电场强度对比图；
图11为本发明提供的TSFP-SBD、MSFP-SBD器件和FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD器件击穿状态下在Nd＝3×1015cm-3时X＝108μm处二维电场强度对比图；
图12为本发明提供的TSFP-SBD、MSFP-SBD器件和FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD器件击穿状态下在Nd＝3×1015cm-3时Y＝0.1μm处二维电场强度对比图；
图13为本发明提供的TSFP-SBD、MSFP-SBD器件和FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD器件击穿状态下在Nd＝3×1015cm-3时Y＝2.1μm处二维电场强度对比图；
图14为本发明提供的TSFP-SBD、MSFP-SBD器件和FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD器件在Nd＝3×1015cm-3时正向导通状态I-V特性曲线对比图；
图15为本发明提供的MSFP-SBD器件的主要工艺流程示意图；
附图标记：1-阳极金属接触区、2-氮化层、3-氧化层、4-N-低浓度外延层、5-N+高浓度衬底层、6-阴极金属接触区、7-斜台阶金属场板。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例1：
如图4所示，本发明涉及一种SiC肖特基二极管二阶斜台面结终端结构，该器件包括阳极肖特基金属Ni接触区1、氮化层Si3N42、氧化层SiO23、N-低浓度外延层4、N+高浓度衬底层5、阴极金属Ni接触区6、二阶斜台面金属Ni场板7。
阴极金属Ni接触区6位于N+高浓度衬底层5下表面，且阴极金属Ni接触区6的宽度为158μm，厚度为100nm。
N+高浓度衬底层5位于N-低浓度外延层4下表面和阴极金属接触区6上表面。N+高浓度衬底层5的宽度为158μm的掺杂碳化硅，厚度为5μm，掺杂浓度选择为18次方。
N-低浓度外延层4完全覆盖在N+高浓度衬底层5上表面。N-低浓度外延层4的宽度为158μm的掺杂碳化硅，厚度为15μm，掺杂浓度选择为15次方。
氮化层2位于N-低浓度外延层4右上表面和氧化层3下表面，其形状为直角梯形。氮化层2的上表面宽度为74μm，下表面的宽度为78μm，厚度为1μm。
氧化层3位于氮化层2右上表面，其形状为直角梯形。氧化层3的上表面宽度为60μm，下表面的宽度为64μm，厚度为1μm。
阳极金属Ni接触区1位于N-低浓度外延层4左上表面。阳极金属Ni接触区1的宽度为80μm，厚度为100nm。
二阶斜台面金属Ni场板7和阳极金属Ni接触区1短接在一起。二阶斜台面金属场板7覆盖于氮化层2和氧化层3的上表面。二阶斜台面金属场板7的第一个台阶宽为14μm，高为1μm，第二个台阶宽为14μm，高为1μm。二阶斜台面金属场板7厚度为100nm，斜台面金属场板的倾斜角度为17.04度。
实施例2：
如图5所示，本发明涉及一种SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构，该器件包括阳极肖特基金属Ni接触区1、氮化层Si3N42、氧化层SiO23、N-低浓度外延层4、N+高浓度衬底层5、阴极金属Ni接触区6、三阶斜台面金属Ni场板7。
阴极金属Ni接触区6位于N+高浓度衬底层5下表面，且阴极金属Ni接触区6的宽度为158μm，厚度为100nm。
N+高浓度衬底层5位于N-低浓度外延层4下表面和阴极金属Ni接触区6上表面。N+高浓度衬底层5的宽度为158μm的掺杂碳化硅，厚度为5μm，掺杂浓度选择为18次方。
N-低浓度外延层4完全覆盖在N+高浓度衬底层5上表面。N-低浓度外延层4的宽度为158μm的掺杂碳化硅，厚度为15μm，掺杂浓度选择为15次方。
第一层氮化层2位于N-低浓度外延层4右上表面和氧化层3下表面，其形状为直角梯形。第一层氮化层2的上表面宽度为75.3μm，下表面的宽度为78μm，厚度为0.666μm。
氧化层3位于第一层氮化层2右上表面和第二层氮化层2下表面，其形状为直角梯形。第二层氧化层3的上表面宽度为56μm，下表面的宽度为68.7μm，厚度为0.666μm。
第二层氮化层2位于N-低浓度外延层4右上表面，其形状为直角梯形。第二层氮化层2的上表面宽度为57μm，下表面的宽度为59.3μm，厚度为0.667μm。
阳极金属接触区1位于N-低浓度外延层4左上表面。阳极金属接触区1的宽度为80μm，厚度为100nm。
三阶斜台面金属Ni场板7和阳极金属Ni接触区1短接在一起。三阶斜台面金属场板7覆盖于氮化层2和氧化层3的上表面。三阶斜台面金属场板7的第一个台阶宽为9.333μm，高为0.666μm，第二个台阶宽为9.333μm，高为0.666μm，第三个台阶宽为9.334μm高为0.667μm。三阶斜台面金属场板7厚度为100nm，斜台面金属场板的倾斜角度为17.04度。
实施例3：
如图6所示，本发明涉及一种SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构，该器件包括阳极肖特基金属Ni接触区1、氮化层Si3N42、氧化层SiO23、N-低浓度外延层4、N+高浓度衬底层5、阴极金属Ni接触区6、三阶斜台面金属Ni场板7。
阴极金属Ni接触区6位于N+高浓度衬底层5下表面，且阴极金属Ni接触区6的宽度为158μm，厚度为100nm。
N+高浓度衬底层5介于N-低浓度外延层4下表面和阴极金属Ni接触区6上表面。N+高浓度衬底层5的宽度为158μm的掺杂碳化硅，厚度为5μm，掺杂浓度选择为18次方。
N-低浓度外延层4完全覆盖在N+高浓度衬底层5上表面。N-低浓度外延层4的宽度为158μm的掺杂碳化硅，厚度为15μm，掺杂浓度选择为15次方。
第一层氧化层2位于N-低浓度外延层4右上表面和氮化层3下表面，其形状为直角梯形。第一层氧化层2的上表面宽度为75.3μm，下表面的宽度为78μm，厚度为0.666μm。
氮化层3位于第一层氧化层2右上表面和第二层氧化层2下表面，其形状为直角梯形。第二层氧化层3的上表面宽度为56μm，下表面的宽度为68.7μm，厚度为0.666μm。
第二层氧化层2位于N-低浓度外延层4右上表面，其形状为直角梯形。第二层氧化层2的上表面宽度为57μm，下表面的宽度为59.3μm，厚度为0.667μm。
阳极金属接触区1位于N-低浓度外延层4左上表面。阳极金属接触区1的宽度为80μm，厚度为100nm。
三阶斜台面金属Ni场板7和阳极金属Ni接触区1短接在一起。三阶斜台面金属场板7覆盖于氮化层2和氧化层3的上表面。三阶斜台面金属场板7的第一个台阶宽为9.333μm，高为0.666μm，第二个台阶宽为9.333μm，高为0.666μm，第三个台阶宽为9.334μm高为0.667μm。三阶斜台面金属场板7厚度为100nm，斜台面金属场板的倾斜角度为17.04度。
实施例4：
如图7所示，本发明涉及一种SiC肖特基势垒二极管(JBS)三阶斜台面结终端结构，该器件包括阳极肖特基金属Ni接触区1、氮化层Si3N42、氧化层SiO23、N-低浓度外延层4、N+高浓度衬底层5、阴极金属Ni接触区6、三阶斜台面金属Ni场板7、高浓度掺杂P+区8、JTE区9。
阴极金属Ni接触区6位于N+高浓度衬底层5下表面，且阴极金属Ni接触区6的宽度为158μm，厚度为100nm。
N+高浓度衬底层5介于N-低浓度外延层4下表面和阴极金属Ni接触区6上表面。N+高浓度衬底层5的宽度为158μm的掺杂碳化硅，厚度为5μm，掺杂浓度选择为18次方。
O-低浓度外延层4完全覆盖在N+高浓度衬底层5上表面。N-低浓度外延层4的宽度为158μm的掺杂碳化硅，厚度为15μm，掺杂浓度选择为15次方。
完全相同的三个处于并排位置的高浓度掺杂P+区8上表面与N-低浓度外延层4上表面平齐，元高浓度掺杂P+区其余表面完全处于N-低浓度外延层4的包围之中。N-低浓度外延层4离子注入窗口宽度为20μm，结深为0.8μm，离子注入浓度数量级选择18次方。
JTE区9上表面与N-低浓度外延层4上表面平齐，JTE区9其余表面完全处于N-低浓度外延层4的包围之中。JTE区9离子注入窗口宽度为35μm，结深为0.8μm，离子注入浓度数量级选择16次方。
第一层氮化层2位于N-低浓度外延层4右上表面和氧化层3下表面，其形状为直角梯形。第一层氮化层2的上表面宽度为75.3μm，下表面的宽度为78μm，厚度为0.666μm。
氧化层3位于第一层氮化层2右上表面和第二层氮化层2下表面，其形状为直角梯形。第二层氧化层3的上表面宽度为56μm，下表面的宽度为68.7μm，厚度为0.666μm。
第二层氮化层2位于N-低浓度外延层4右上表面，其形状为直角梯形。第二层氮化层2的上表面宽度为57μm，下表面的宽度为59.3μm，厚度为0.667μm。
阳极金属接触区1位于N-低浓度外延层4左上表面。阳极金属接触区1的宽度为80μm，厚度为100nm。
三阶斜台面金属Ni场板7和阳极金属Ni接触区1短接在一起。三阶斜台面金属场板7覆盖于氮化层2和氧化层3的上表面。三阶斜台面金属场板7的第一个台阶宽为9.333μm，高为0.666μm，第二个台阶宽为9.333μm，高为0.666μm，第三个台阶宽为9.334μm高为0.667μm。三阶斜台面金属场板7厚度为100nm，斜台面金属场板的倾斜角度为17.04度。
实施例5：
如图8所示，本发明涉及一种SiC绝缘栅双极型晶体管(IGBT)三阶斜台面场板结终端结构，该器件包括栅极接触区1、发射极接触区2、斜台面金属Ni场板3、N型集电极接触区4、发射极5、元胞区P型阱6、过渡区P型阱7、第一场限环8、第二场限环9、场氮化层10、N型集电极11、N型缓冲层12、P型集电极13、N型漂移区14、场氧化层15、栅氧化层16、P型集电极接触区17。
P型集电极13完全覆盖于P型集电极接触区16上表面。P型集电极13为厚度为1μm的掺杂碳化硅，宽度158μm，掺杂浓度选择18次方。P型集电极接触区16宽度为158μm，厚度为2μm。
N型缓冲层12完全覆盖在P型集电极13上界面。N型缓冲层12为厚度4μm的掺杂碳化硅，宽度为158μm，掺杂浓度选择15次方。
N型漂移区14完全覆盖于整个N型缓冲层12上表面。N型漂移区14为厚度60μm，宽度158μm的碳化硅，为满足高电压阻断能力，典型掺杂浓度典型数量级选择14次方。
完全相同的两个处于并排位置的元胞区P型阱6上表面与N型漂移区14上表面平齐，元胞区P型阱6其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中。元胞区P型阱6离子注入窗口宽度为16μm，结深为3μm，离子注入浓度数量级选择13次方。
过渡区P型阱7上表面与N型漂移区14上表面平齐，过渡区P型阱7其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中。过渡区P型阱7离子注入窗口宽度为20μm，结深为10μm，离子注入浓度数量级选择13次方。
第一场限环8上表面与N型漂移区14上表面平齐，第一场限环8其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中。所述第一场限环8离子注入窗口宽度为2μm，结深为10μm，离子注入浓度数量级选择16次方，浓度、两侧间距可调。
第二场限环上9表面与N型漂移区14上表面平齐，第二场限环上9其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中，第二场限环9离子注入窗口宽度为2μm，结深为10μm，离子注入浓度数量级同样选择16次方，略低于第一场限环8，浓度、两侧间距可调。
N型集电极11上表面与N型漂移区14上表面平齐，N型集电极11其余表面完全处于N型漂移区14的包围之中。N型集电极11为掺杂碳化硅，离子注入窗口宽度17μm，结深13μm，掺杂浓度数量级选择20次方。
发射极5为处于完全相同的三个并排位置的元胞区P型阱6中掺杂碳化硅，上表面与元胞区P型阱6平齐，其余表面被元胞区P型阱6紧密包围。发射极5宽度2μm，掺杂峰值浓度数量级为20次方；处于过渡区P型阱7中的发射极5上表面与过渡区P型阱7平齐，其余表面被过渡区P型阱7包围，过渡区P型阱7中的发射极5掺杂峰值浓度为20次方，宽度为8μm。
发射极5上表面部分被栅氧化层15所覆盖，另一部分被发射极接触区2所覆盖。所述栅氧化层15厚度为0.1μm，所述发射极接触区2宽度为12μm，厚度为2μm。
N型集电极11上表面中间部分被N型集电极接触区4所覆盖，N型集电极11上表面右边被场氧化层16所覆盖。N型集电极接触区4宽度为13μm，厚度为2μm；场氧化层16厚度为2μm。
栅氧化层15部分覆盖于N型漂移区14上表面，其余部分分别覆盖于发射极5上表面，元胞区P型阱6或过渡区P型阱7上表面。栅氧化层15厚度为0.1μm。
场氧化层16覆盖过渡区P型阱7右端上表面、N型漂移区14、第一场限环8、第二场限环9、第三场限环10的部分上表面，以及N型集电极11的上表面的两边。所述场氧化层16厚度为2μm。
栅极接触区1处于栅氧化层15之上，与发射极接触区2、N型漂移区14、元胞区P型阱6或过渡区P型阱7、发射极5做介质隔离。所述栅极接触区1宽度为80μm，厚度为0.92μm。
发射极接触区2左右两侧与栅氧化层15或场氧化层16紧邻，覆盖于发射极5、元胞区P型阱6或过渡区P型阱7的上表面。所述发射极接触区2宽度为12μm，厚度为2μm。
三个完全相同的并排的斜台面金属Ni场板3分别覆盖于第一场限环8、第二场限环9的上表面，金属场板3的其余部分表面与场氧化层10接触，与N型漂移区14不直接接触。三阶斜台面金属场板3的第一个台阶宽为9.333μm，高为0.666μm，第二个台阶宽为9.333μm，高为0.666μm，第三个台阶宽为9.334μm，高为0.667μm。三阶斜台面金属场板7厚度为100nm，斜台面金属场板的倾斜角度为17.04度，倾斜角度为17.04度。
图9是室温下T＝300K时，在漂移区浓度Nd为3×1015cm-3时传统FPO-SBD(其结构如图1所示)、FPN-SBD(其结构如图2所示)和TFP-SBD(其结构如图3所示)和新型TSFP-SBD(其结构如图4所示)、MSFP-SBD(其结构如图5所示)器件在雪崩击穿状态下的耐压比较图。由Sentaurus仿真得到的数据结果再通过Origin工具绘制的对比图如图7所示，可以看出：在3×1015cm-3的漂移区掺杂浓度下，新型TSFP-SBD的击穿电压优于传统FP-SBD结构；在相同的结构参数下，新型TSFP-SBD的击穿电压为2419V，比传统FPO-SBD的700V提高了245.5％；比FPN-SBD的1340V提高了80.5％,比TFP-SBD的1805V提高了34％。可以看出新型TSFP-SBD器件比传统FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD器件具有更好的击穿特性。新型MSFP-SBD的击穿电压优于传统FP-SBD结构，在相同的结构参数下，新型MSFP-SBD的击穿电压为2802V，比传统FPO-SBD的700V提高了300.2％；比FPN-SBD的1340V提高了109.1％,比TFP-SBD的1805V提高了55.2％。可以看出新型MSFP-SBD器件比传统FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD器件具有更好的击穿特性。
图10所示为在漂移区浓度Nd为3×1015cm-3时FPO-SBD(其结构如图1所示)、FPN-SBD(其结构如图2所示)和TFP-SBD(其结构如图3所示)和新型TSFP-SBD(其结构如图4所示)、MSFP-SBD(其结构如图5所示)器件在雪崩击穿状态下的X＝80μm处的二维电场比较图。从图10中可以看出，新型TSFP-SBD和MSFP-SBD器件从Y＝2.5μm到Y＝19μm的电场强度均匀且高于FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD器件的电场强度。
图11所示为在漂移区浓度Nd为3×1015cm-3时FPO-SBD(其结构如图1所示)、FPN-SBD(其结构如图2所示)和TFP-SBD(其结构如图3所示)和新型TSFP-SBD(其结构如图4所示)、MSFP-SBD(其结构如图5所示)器件在雪崩击穿状态下的X＝108μm处的二维电场比较图。显然新型TSFP-SBD和MSFP-SBD器件的在Y＝0μm处的尖峰电场强度均大于FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD器件在Y＝0μm处的尖峰电场强度。从图11中可以看出，新型TSFP-SBD和MSFP-SBD器件的电场强度高于FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD器件的电场强度。
图12所示为在漂移区浓度Nd为3×1015cm-3时传统FPO-SBD(其结构如图1所示)、FPN-SBD(其结构如图2所示)和TFP-SBD(其结构如图3所示)和新型TSFP-SBD(其结构如图4所示)、MSFP-SBD(其结构如图5所示)器件在雪崩击穿状态下的Y＝0.1μm处的二维电场比较图。显然新TSFP-SBD和MSFP-SBD器件的在X＝108μm界面上的电场强度最大。
图13所示为在漂移区浓度Nd为3×1015cm-3时传统FPO-SBD(其结构如图1所示)、FPN-SBD(其结构如图2所示)和TFP-SBD(其结构如图3所示)和新型TSFP-SBD(其结构如图4所示)、MSFP-SBD(其结构如图5所示)器件在雪崩击穿状态下的Y＝2.1μm处的二维电场比较图。从图13中可以看出，新型TSFP-SBD在元胞区的电场分布均匀且高于FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD，达到了1.95×106V/cm，比FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD，电场峰值分别提高了1.08×106V/cm、0.69×106V/cm和0.38×106V/cm。另外，相比于FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD，新型TSFP-SBD器件在X＝108μm处的电场峰值分别提高了1.60×106V/cm、0.75×106V/cm和0.51×106V/cm。从图13中可以看出，新型MSFP-SBD在元胞区的电场分布均匀且高于FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD，达到了2.20×106V/cm，比FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD，电场峰值分别提高了1.32×106V/cm、0.94×106V/cm和0.63×106V/cm。另外，相比于FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD，新型MSFP-SBD器件在X＝107μm处的电场峰值分别提高了2.01×106V/cm、1.16×106V/cm和0.92×106V/cm，并且MSFP-SBD器件在X＝89μm处产生了一个新的尖峰电场，电场峰值为2.46×106V/cm。从直观上看，由于电场曲线与X轴所围成的封闭图形面积大小可作为比较电场大小的参考，故可以看到FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD器件在Y＝15μm处的电场均低于新型TSFP-SBD和MSFP-SBD器件。传统FPO-SBD、FPN-SBD和TFP-SBD器件由于场板外边缘的电场比较集中，电场强度比较大，击穿容易提前在该处表面发生。而具有二阶斜台面场板结终端区结构的新型TSFP-SBD和三阶斜台面结终端区结构的MSFP-SBD器件可以使器件的内部电场变得均匀，使终端区的电场强度变化趋于平缓，优化器件的体内电场，达到提高击穿电压的目的。
图14给出了FPO-SBD、FPN-SBD、TFP-SBD、TSFP-SBD和MSFP-SBD器件在漂移区浓度Nd为3×1015cm-3时，使用Origin处理的正向导通时的输出特性曲线横向比较图。根据仿真结果，可得FPO-SBD、FPN-SBD、TFP-SBD、TSFP-SBD和MSFP-SBD器件正向导通曲线几乎没有发生改变，FPO-SBD、FPN-SBD、TFP-SBD、TSFP-SBD和MSFP-SBD器件正向导通压降都为2.0V；在正向偏压为9V时，FPO-SBD、FPN-SBD、TFP-SBD、TSFP-SBD和MSFP-SBD器件的电流密度都为1.6×10-3A/μm。因此，二阶斜台面场板结终端区结构和三阶斜台面结终端区结构对器件的正向导通特性几乎没有什么影响。
本发明提出的一种具有三阶斜台面场板结终端区结构的SBD器件，以示意图5为例，其主要工艺流程如图15所示。其具体实现方法包括：选取N+型<100>晶向区熔单晶衬底，外延生长N-漂移区。其次，利用化学气相沉积CVD在外延层的表面上一层Si3N4，再利用化学气相沉积CVD在Si3N4上表面沉积一层SiO2，以及在SiO2的上表面沉积一层Si3N4，其形状为三明治结构。接下来使用化学刻蚀法将SiO2和Si3N4介质层刻蚀成多阶斜台面状。最后，在高真空炉内电子束蒸发金属Ni，形成良好的欧姆接触；涂胶光刻形成肖特基接触区域和多阶斜台阶金属场板区，淀积100nm厚的金属Ni。
在实施的过程中，根据具体器件的设计要求，本发明提出的一种具有三阶斜台面场板结终端区结构的SBD器件，在具体制作时，衬底材料除了可以用碳化硅SiC材料，还可用硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料代替体碳化硅。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构，其特征在于：包括
元胞结构：包括阳极肖特基金属Ni接触区(1)、N-低浓度外延层(4)、N+高浓度衬底层(5)、阴极金属Ni接触区(6)；所述阳极肖特基金属Ni接触区(1)位于N-低浓度外延层(4)上表面；所述N-低浓度外延层(4)位于阳极肖特基金属Ni接触区(1)下表面与N+高浓度衬底层(5)上表面，且N-低浓度外延层(4)掺入n型杂质浓度为3×1015cm-3；所述N+高浓度衬底层(5)介于N-低浓度外延层(4)下表面与阴极金属Ni接触区(6)上表面，且N+高浓度衬底层(5)掺入n型杂质浓度为3×1018cm-3；所述阴极金属Ni接触区(6)位于N+高浓度衬底层(5)下表面；
终端结构：包括三阶斜台面金属Ni场板(7)、氮化层Si3N4(2)、氧化层SiO2(3)、N-低浓度外延层(4)、N+高浓度衬底层(5)、阴极金属Ni接触区(6)；所述三阶斜台面金属Ni场板(7)位于氮化层Si3N4(2)和氧化层SiO2(3)上表面；第一层氮化层Si3N4(2)位于三阶斜台面金属Ni场板(7)下表面和氧化层SiO2(3)上表面；所述氧化层SiO2(3)介于第一层氮化层Si3N4(2)下表面与第二层氮化层Si3N4(2)上表面；所述第二层氮化层Si3N4(2)位于氧化层SiO2(3)下表面和N-低浓度外延层(4)上表面；所述N-低浓度外延层(4)介于第二层氮化层Si3N4(2)下表面与N+高浓度衬底层(5)上表面N-低浓度外延层(4)，且N-低浓度外延层(4)掺入n型杂质浓度为3×1015cm-3；所述N+高浓度衬底层(5)介于N-低浓度外延层(4)下表面与阴极金属Ni接触区(6)上表面，且N+高浓度衬底层(5)掺入n型杂质浓度为3×1018cm-3；所述阴极金属Ni接触区(6)位于N+高浓度衬底层(5)下表面；
所述元胞结构和终端结构中，N-低浓度外延层(4)掺入n型杂质浓度为3×1015cm-3；N+高浓度衬底层(5)掺入n型杂质浓度为3×1018cm-3；
所述元胞结构和终端结构存在如下几种情况：
①、N-低浓度外延层(4)完全覆盖在N+高浓度衬底层(5)上表面；第一层氮化层Si3N4(2)位于N-低浓度外延层(4)右上表面和氧化层SiO2(3)下表面，其形状为直角梯形；氧化层SiO2(3)位于第一层氮化层Si3N4(2)右上表面和第二层氮化层Si3N4(2)下表面，其形状为直角梯形；第二层氮化层Si3N4(2)位于N-低浓度外延层(4)右上表面，其形状为直角梯形；阳极肖特基金属Ni接触区(1)位于N-低浓度外延层(4)左上表面；斜台面金属Ni场板(7)为三阶斜台面，其与阳极肖特基金属Ni接触区(1)短接在一起，并覆盖于第一层氮化层Si3N4(2)、第二层氮化层Si3N4(2)和氧化层SiO2(3)的上表面；
该种情况的工艺如下：选取N+型<100>晶向区熔单晶衬底，外延生长N-漂移区；其次，利用化学气相沉积CVD在外延层的表面上一层Si3N4，再利用化学气相沉积CVD在Si3N4上表面沉积一层SiO2，以及在SiO2的上表面沉积一层Si3N4，其形状为三明治结构；接下来使用化学刻蚀法将SiO2和Si3N4介质层刻蚀成多阶斜台面状；最后，在高真空炉内电子束蒸发金属Ni，形成良好的欧姆接触；涂胶光刻形成肖特基接触区域和多阶斜台阶金属场板区，淀积100nm厚的金属Ni；
②、N-低浓度外延层(4)完全覆盖在N+高浓度衬底层(5)上表面；第一层氮化层Si3N4(2)位于N-低浓度外延层(4)右上表面和氧化层SiO2(3)下表面，其形状为直角梯形；氮化层Si3N4(2)位于第一层氧化层SiO2(3)右上表面和第二层氧化层SiO2(3)下表面，其形状为直角梯形；第二层氧化层SiO2(3)位于N-低浓度外延层(4)右上表面，其形状为直角梯形；阳极肖特基金属Ni接触区(1)位于N-低浓度外延层(4)左上表面；斜台面金属Ni场板(7)为三阶斜台面，其与阳极肖特基金属Ni接触区(1)短接在一起，并覆盖于第一层氧化层SiO2(3)、第二层氧化层SiO2(3)和氮化层Si3N4(2)的上表面；
③、还包括完全相同的三个处于并排位置的高浓度掺杂P+区(8)，其上表面与N-低浓度外延层(4)上表面平齐，元高浓度掺杂P+区其余表面完全处于N-低浓度外延层(4)的包围之中；还包括JTE区(9)，其上表面与N-低浓度外延层(4)上表面平齐，JTE区(9)其余表面完全处于N-低浓度外延层(4)的包围之中；第一层氮化层Si3N4(2)位于N-低浓度外延层(4)右上表面和氧化层SiO2(3)下表面，其形状为直角梯形；氧化层SiO2(3)位于第一层氮化层Si3N4(2)右上表面和第二层氮化层Si3N4(2)下表面，其形状为直角梯形；第二层氮化层Si3N4(2)位于N-低浓度外延层(4)右上表面，其形状为直角梯形；特基金属Ni接触区(1)位于N-低浓度外延层(4)左上表面；斜台面金属Ni场板(7)为三阶斜台面，其与阳极肖特基金属Ni接触区(1)短接在一起，并覆盖于第一层氮化层Si3N4(2)、第二层氮化层Si3N4(2)和氧化层SiO2(3)的上表面；
④、还包括一种SiC绝缘栅双极型晶体管IGBT三阶斜台面场板结终端结构，包括栅极接触区、发射极接触区、斜台面金属Ni场板、N型集电极接触区、发射极、元胞区P型阱、过渡区P型阱、第一场限环、第二场限环、场氮化层、N型集电极、N型缓冲层、P型集电极、N型漂移区、场氧化层、栅氧化层、P型集电极接触区；P型集电极完全覆盖于P型集电极接触区上表面；N型缓冲层完全覆盖在P型集电极上界面；N型漂移区完全覆盖于整个N型缓冲层上表面；完全相同的两个处于并排位置的元胞区P型阱上表面与N型漂移区上表面平齐，元胞区P型阱其余表面完全处于N型漂移区的包围之中；过渡区P型阱上表面与N型漂移区上表面平齐，过渡区P型阱其余表面完全处于N型漂移区的包围之中；第一场限环上表面与N型漂移区上表面平齐，第一场限环其余表面完全处于N型漂移区的包围之中；第二场限环上表面与N型漂移区上表面平齐，第二场限环上其余表面完全处于N型漂移区的包围之中；N型集电极上表面与N型漂移区上表面平齐，N型集电极其余表面完全处于N型漂移区的包围之中；发射极为处于完全相同的三个并排位置的元胞区P型阱中掺杂碳化硅，上表面与元胞区P型阱平齐，其余表面被元胞区P型阱紧密包围；发射极上表面部分被栅氧化层所覆盖，另一部分被发射极接触区所覆盖；N型集电极上表面中间部分被N型集电极接触区所覆盖，N型集电极上表面右边被场氧化层所覆盖；栅氧化层部分覆盖于N型漂移区上表面，其余部分分别覆盖于发射极上表面，元胞区P型阱或过渡区P型阱上表面；场氧化层覆盖过渡区P型阱右端上表面、N型漂移区、第一场限环、第二场限环、第三场限环的部分上表面，以及N型集电极的上表面的两边；栅极接触区处于栅氧化层之上，与发射极接触区、N型漂移区、元胞区P型阱或过渡区P型阱、发射极做介质隔离；发射极接触区左右两侧与栅氧化层或场氧化层紧邻，覆盖于发射极、元胞区P型阱或过渡区P型阱的上表面；三个完全相同的并排的斜台面金属Ni场板分别覆盖于第一场限环、第二场限环的上表面，金属场板的其余部分表面与场氧化层接触，与N型漂移区不直接接触。
2.根据权利要求1所述的SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构，其特征在于：所述阳极肖特基金属Ni接触区(1)的材料为Ti、Al、Pt中的一种。
3.根据权利要求1所述的SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构，其特征在于：所述阴极金属Ni接触区(6)的材料为Ti、Al、Au、Pt、Pb中的一种。
4.根据权利要求1所述的SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构，其特征在于：所述斜台面金属场板(7)的材料为Ti和Al中的一种。
5.根据权利要求1所述的SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构，其特征在于：所述氮化层Si3N4(2)和氧化层SiO2(3)能够使用AlN进行替换。
6.根据权利要求1所述的SiC肖特基二极管三阶斜台面结终端结构，其特征在于：所述的三阶斜台面金属场板能够使用二阶斜台面金属场板和四阶斜台面金属场板进行替换。
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