CN111799338B - 一种沟槽型SiC JBS二极管器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沟槽型SiC JBS二极管器件及其制备方法，属于微电子技术领域，包括自下而上依次设置的阴极、N+衬底、N‑外延层、P+注入区和阳极，两个所述P+注入区之间设置有沟槽结构，在沟槽结构两侧与P+注入区之间分别设有N+掺杂区；本发明在两个P+注入区之间的肖特基接触面下方设置有沟槽结构，沟槽的引入可以增大肖特基接触面积，同时减小寄生电阻，降低了导通电阻，使器件更容易开启，在沟槽结构的基础上，进行N+掺杂，进一步减小导通电阻，提升器件特性。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种沟槽型SiC JBS二极管器件及其制备方法。
背景技术
近年来，随着电力电子系统的不断发展，对系统中的功率器件提出了更高的要求。Si基电力电子器件由于材料本身的限制已无法满足系统应用的要求。碳化硅（SiC）材料作为第三代半导体材料的代表，在诸多特性上均远好于Si材料。
SiC功率系统中，一个好的整流器需要小开启电压、大导通电流、低漏电流，高击穿电压以及高开关速度，而同时具有这些特点是我们追求的最理想目标。JBS（J型 BarrierSchottky）便是一种结合了PiN和SBD优点的器件，该结构的正向特性类似于SBD，具有小开启电压、大导通电流、快开关速度；而反向特性则更像PiN二极管，具有低漏电流、高击穿电压。采用JBS结构可使我们灵活地选择势垒低的金属作为肖特基接触而不用担心反向漏电流会增加。此外，SiC材料的优良性能与JBS结构的优势相结合能发挥更大的优势，也成为当今功率整流器件发展的趋势。
如图1所示，传统SiC JBS二极管结构包括自下而上依次设置的阴极、N+衬底、N-外延层、P+注入区和阳极，传统SiC JBS二极管在正向导通时由于载流子调制能力较弱，电流密度由于P型区的原因而略小，同时导通电阻过大，增大了器件开启的难度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种沟槽型SiC JBS二极管器件及其制备方法，沟槽的引入可以增大肖特基接触面积，同时减小寄生电阻，降低了导通电阻，在沟槽结构的基础上，进行N+掺杂后，可以进一步减小导通电阻，使器件更容易开启，提升器件特性。
本发明的第一个目的是提供一种沟槽型SiC JBS二极管器件，包括自下而上依次设置的阴极、N+衬底、N-外延层、P+注入区和阳极，相邻的两个所述P+注入区之间设置有沟槽结构，所述沟槽结构位于两个P+注入区之间的肖特基接触界面下方（即在传统的SiC JBS的两个P+注入区之间的肖特基接触界面下方设置有沟槽结构），所述沟槽结构的深度小于所述P+注入区的深度；
所述沟槽结构两侧与所述P+注入区之间分别设有N+掺杂区，所述N+掺杂区的深度小于所述沟槽结构的深度。
优选地，所述沟槽结构的深度为0.5~1μm，所述沟槽结构的深度与所述P+注入区的深度差值为0.1~3μm，宽度为1~3μm。
优选地，所述沟槽结构边缘与两个P+注入区的间距相等，均为0.2~0.8μm。
优选地，所述N+掺杂区的深度为0.2~0.4μm。
优选地，两个所述N+掺杂区的两端分别与相邻的P+注入区和沟槽结构边缘相连。
优选地，所述N+掺杂区的浓度为5×1016atom/cm3~1×1017atom/cm3。
优选地，与所述肖特基接触界面接触的金属为Ti或Ni。
本发明的第二个目的是提供上述沟槽型SiC JBS二极管器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、在N+衬底上通过外延生长形成N-外延层；通常，将形成N-外延层后的整体结构称为外延片；
S2、在N-外延层上制备SiO2掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，通过Al离子注入手段形成P+注入区；
S3、清洗掉注入掩模层，在表面形成新的掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，通过P离子注入手段形成N+掺杂区；
S4、清洗掉注入掩模层，在表面形成新的掩膜层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，再通过ICP刻蚀的方法形成沟槽结构；
S5、在N-外延层表面进行碳膜保护，通过高温退火对注入离子进行激活，通过氧化方法去除碳膜；
S6、淀积SiO2形成隔离介质，光刻刻蚀开出P+注入区肖特基接触区域，在外延片正面和背面淀积肖特基接触金属，同时在正面沟槽结构刻蚀形成肖特基接触窗口，淀积肖特基金属，通过光刻刻蚀工艺形成电极图形，并通过低温快速热退火工艺在沟槽结构形成肖特基接触；
S7、在外延片正面和背面通过淀积金属工艺形成厚电极。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
本发明在两个P+注入区之间的肖特基接触面下方设置有沟槽结构，沟槽的引入可以增大肖特基接触面积，同时减小寄生电阻，降低了导通电阻，使器件更容易开启，在沟槽结构的基础上，进行N+掺杂，进一步减小导通电阻，提升器件特性。
附图说明
图1为传统的SiC JBS二极管器件剖面示意图；
图2为本发明提供的沟槽型SiC JBS二极管器件结构剖面示意图；
图3 为实施例1制得的沟槽型SiC JBS二极管器件正向特性曲线；
附图标记说明：
其中，1、阳极；2、P+注入区；3、N-外延层；4、N+衬底；5、阴极；6、N+掺杂区；7、沟槽结构。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下述检测方法，如没有特殊说明，均为常规方法；所述的材料，如没有特殊说明，均为现有技术常用材料，均可在市场购买得到。
本发明提供了一种沟槽型SiC JBS二极管器件，如图2所示，包括自下而上依次设置的阴极5、N+衬底4、N-外延层3、P+注入区2和阳极1，相邻的两个所述P+注入区2之间设置有沟槽结构7，所述沟槽结构7位于两个P+注入区2之间的肖特基接触界面下方，所述沟槽结构7的深度小于所述P+注入区2的深度；所述沟槽结构7两侧与所述P+注入区2之间分别设有N+掺杂区6，所述N+掺杂区6的深度小于所述沟槽结构7的深度。
通过在两个P+注入区之间的肖特基接触面下方设置有沟槽结构，沟槽的引入可以增大肖特基接触面积，同时减小寄生电阻，降低了导通电阻，使器件更容易开启，在沟槽结构的基础上，进行N+掺杂，进一步减小导通电阻，提升器件特性。
上述沟槽型SiC JBS二极管器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、在N+衬底上通过外延生长形成N-外延层；通常，将形成N-外延层后的整体结构称为外延片；
S2、在N-外延层上制备SiO2掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，通过Al离子注入手段形成P+注入区；
S3、清洗掉注入掩模层，在表面形成新的掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，通过P离子注入手段形成N+掺杂区；
S4、清洗掉注入掩模层，在表面形成新的掩膜层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，再通过ICP刻蚀的方法形成沟槽结构；
S5、在N-外延层表面进行碳膜保护，通过高温退火对注入离子进行激活，通过氧化方法去除碳膜；
S6、淀积SiO2形成隔离介质，光刻刻蚀开出P+注入区肖特基接触区域，在外延片正面和背面淀积肖特基接触金属，同时在正面沟槽结构刻蚀形成肖特基接触窗口，淀积肖特基金属，通过光刻刻蚀工艺形成电极图形，并通过低温快速热退火工艺在沟槽结构形成肖特基接触；
S7、在外延片正面和背面通过淀积金属工艺形成厚电极。
下面通过实施例1~3来具体说明上述沟槽型SiC JBS二极管器件及其制备方法。
实施例1
一种沟槽型SiC JBS二极管器件结构，包括N+衬底4，由掺杂浓度为5×1018 atom/cm3的SiC材料构成，厚度350μm；轻掺杂N-外延层3位于N+衬底层4之上；阴极5位于N+衬底4之下；N-外延层3表面设有沟槽结构7；P+注入区2位于沟槽结构7周围的N-外延层3表面；沟槽结构7与P+注入区2之间，进行N+掺杂，形成N+掺杂区6；阳极1覆盖整个P+注入区2表面和沟槽结构7的表面。
其工艺制作步骤如下：
第一步，在N+衬底4上通过外延生长形成N-外延层3，N-外延层3的浓度5×1015atom/cm3，厚度10μm；通常，将形成N-外延层3后的整体结构称为外延片；
第二步，在N-外延层3上淀积形成SiO2掩模层，掩模厚度2μm，通过光刻刻蚀工艺形成掩模图形，再通过ICP刻蚀的方法形成沟槽结构7，沟槽结构宽度1μm，深度0.5μm；
第三步，清洗掩模层，在表面通过淀积工艺新的掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形；通过Al离子注入手段形成P+注入区2结构，P+注入区表面浓度1×1019 atom/cm3，深度为0.8μm，且沟槽结构7边缘与P+注入区2间距为0.5μm；
第四步，清洗掩膜层，在P+注入区边沿做阻挡层，用光刻刻蚀工艺形成掩膜图形，通过P离子注入手段形成N+掺杂区6结构，N+掺杂区6的表面浓度5×1016 atom/cm3,且注入深度不超过沟槽区下边缘，注入深度为0.2μm；
第五步，利用C膜溅射机在外延层表面进行碳膜保护，通过高温退火对注入离子进行激活，退火温度1650ºC，退火时间45min；并通过氧化方法去除碳膜；
第六步，淀积SiO2形成隔离介质，光刻刻蚀开出P+区肖特基接触区域。在外延片正面和背面淀积肖特基接触金属Ni，同时在正面沟槽处刻蚀形成肖特基接触窗口，淀积肖特基金属Ni，通过光刻刻蚀工艺形成电极图形，并通过低温快速热退火工艺在肖特基区域形成肖特基接触，退火温度700ºC，退火时间2min；
第七步，正面通过淀积Al金属形成阳极，背面通过淀积Ti/Ni/Ag金属形成背电极。
实施例2
一种沟槽型SiC JBS二极管器件结构：包括N+衬底4，由掺杂浓度为5×1018 atom/cm3的SiC材料构成，厚度350μm，轻掺杂N-外延层3位于N+衬底4之上；阴极5位于N+衬底4之下；N-外延层3表面设有沟槽结构7；P+注入区2位于沟槽结构7周围的N-外延层3表面；沟槽结构7与P+注入区2之间，进行N+掺杂，形成N+掺杂区6；阳极覆盖整个P+注入区2表面和沟槽结构7的表面。
其工艺制作步骤如下：
第一步，在N+衬底4上通过外延生长形成N-外延层3，N-外延层浓度6×1015 atom/cm3，厚度10μm；通常，将形成N-外延层3后的整体结构称为外延片；
第二步，在N-外延层3上淀积形成SiO2掩模层，掩模厚度2μm。通过光刻刻蚀工艺形成掩模图形。再通过ICP刻蚀的方法形成沟槽结构7，沟槽结构宽度3μm，深度1μm；
第三步，清洗掩模层，在表面通过淀积工艺新的掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形；通过Al离子注入手段形成P+注入区2结构，P+注入区表面浓度1×1019 atom/cm3，深度为2μm，且沟槽结构边缘与P+注入区间距为0.8μm；
第四步，清洗掩膜层，在P+注入区边沿做阻挡层，用光刻刻蚀工艺形成掩膜图形；通过P离子注入手段形成N+掺杂区6结构，N+掺杂区表面浓度1×1017 atom/cm3，且注入深度不超过沟槽区下边缘，注入深度为0.4μm；
第五步，利用C膜溅射机在外延层表面进行碳膜保护，通过高温退火对注入离子进行激活，退火温度1650ºC，退火时间45min；并通过氧化方法去除碳膜；
第六步，淀积SiO2形成隔离介质，光刻刻蚀开出P+区肖特基接触区域。在外延片正面和背面淀积肖特基接触金属Ni，同时在正面沟槽处刻蚀形成肖特基接触窗口，淀积肖特基金属Ni，通过光刻刻蚀工艺形成电极图形，并通过低温快速热退火工艺在肖特基区域形成肖特基接触，退火温度700ºC，退火时间2min；
第七步，正面通过淀积Al金属形成阳极，背面通过淀积Ti/Ni/Ag金属形成背电极。
实施例3
一种沟槽型SiC JBS二极管器件结构：包括N+衬底4，由掺杂浓度为5×1018 atom/cm3的SiC材料构成，厚度350μm，轻掺杂N-外延层3位于N+衬底4之上；阴极5位于N+衬底4之下；N-外延层3表面设有沟槽结构7；P+注入区2位于沟槽结构7周围的N-外延层3表面；沟槽结构7与P+注入区2之间，进行N+掺杂，形成N+掺杂区6；阳极覆盖整个P+注入区2表面和沟槽结构7的表面。
其工艺制作步骤如下：
第一步，在N+衬底4上通过外延生长形成N-外延层3，N-外延层浓度6×1015 atom/cm3，厚度10μm；通常，将形成N-外延层3后的整体结构称为外延片；
第二步，在N-外延层3上淀积形成SiO2掩模层，掩模厚度2μm。通过光刻刻蚀工艺形成掩模图形。再通过ICP刻蚀的方法形成沟槽结构7，沟槽结构宽度1μm，深度1μm；
第三步，清洗掩模层，在表面通过淀积工艺新的掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，通过Al离子注入手段形成P+注入区2结构，P+注入区表面浓度1×1019 atom/cm3，深度为2μm，且沟槽结构边缘与P+注入区间距为0.8μm；
第四步，清洗掩膜层，在P+注入区边沿做阻挡层，用光刻刻蚀工艺形成掩膜图形，通过P离子注入手段形成N+掺杂区6结构，N+掺杂区表面浓度1×1017 atom/cm3,且注入深度不超过沟槽区下边缘，注入深度为0.4μm；
第五步，利用C膜溅射机在N-外延层3表面进行碳膜保护，通过高温退火对注入离子进行激活，退火温度1650ºC，退火时间45min；并通过氧化方法去除碳膜；
第六步，淀积SiO2形成隔离介质，光刻刻蚀开出P+区肖特基接触区域。在外延片正面和背面淀积肖特基接触金属Ni，同时在正面沟槽处刻蚀形成肖特基接触窗口，淀积肖特基金属Ni，通过光刻刻蚀工艺形成电极图形，并通过低温快速热退火工艺在肖特基区域形成肖特基接触，退火温度700ºC，退火时间2min；
第七步，正面通过淀积Al金属形成阳极，背面通过淀积Ti/Ni/Ag金属形成背电极。
实施例1~3制得的沟槽型SiC JBS二极管器件性能近似，下面以实施例1为例，检测器件的性能，结果如图3所示，相比平面的JBS器件，带有沟槽结构的器件，有效的降低了导通电阻，同时带有N+掺杂的沟槽型结构，相比沟槽结构，其导通电阻进一步降低，这也是所提出结构的重要优势。这是因为在两个P+注入区之间的肖特基接触面下方设置有沟槽结构，沟槽的引入可以增大肖特基接触面积，同时减小寄生电阻，降低了导通电阻，在沟槽结构的基础上，进行N+掺杂，进一步减小导通电阻，使器件更容易开启，从而提升器件特性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种沟槽型SiC JBS二极管器件，包括自下而上依次设置的阴极(5)、N+衬底(4)、N-外延层(3)、P+注入区(2)和阳极(1)，其特征在于：
两个所述P+注入区(2)之间设置有沟槽结构(7)，所述沟槽结构(7)位于两个P+注入区(2)之间的肖特基接触界面下方，所述沟槽结构(7)的深度小于所述P+注入区(2)的深度；
所述沟槽结构(7)两侧与所述P+注入区(2)之间分别设有N+掺杂区(6)，所述N+掺杂区(6)的深度小于所述沟槽结构(7)的深度；
所述沟槽型SiC JBS二极管器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、在N+衬底(4)上通过外延生长形成N-外延层(3)；
S2、在N-外延层(3)上制备SiO2掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，通过Al离子注入手段形成P+注入区(2)；
S3、清洗掉注入掩模层，在表面形成新的掩模层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，通过P离子注入手段形成N+掺杂区(6)；
S4、清洗掉注入掩模层，在表面形成新的掩膜层，用光刻刻蚀工艺形成掩模图形，再通过ICP刻蚀的方法形成沟槽结构(7)；
S5、在N-外延层(3)表面进行碳膜保护，通过高温退火对注入离子进行激活，通过氧化方法去除碳膜；
S6、淀积SiO2形成隔离介质，光刻刻蚀开出P+注入区(2)肖特基接触区域，在外延片正面和背面淀积肖特基接触金属，同时在正面沟槽结构(7)刻蚀形成肖特基接触窗口，淀积肖特基金属，通过光刻刻蚀工艺形成电极图形，并通过低温快速热退火工艺在沟槽结构(7)形成肖特基接触；
S7、在外延片正面和背面通过淀积金属工艺形成厚电极。
2.根据权利要求1所述的沟槽型SiC JBS二极管器件，其特征在于，所述沟槽结构(7)的深度为0.5～1μm，所述沟槽结构(7)的深度与所述P+注入区(2)的深度差值为0.1～3μm，宽度为1～3μm。
3.根据权利要求1所述的沟槽型SiC JBS二极管器件，其特征在于，所述沟槽结构(7)边缘与两个P+注入区(2)的间距均为0.2～0.8μm。
4.根据权利要求1所述的沟槽型SiC JBS二极管器件，其特征在于，所述N+掺杂区(6)的深度为0.2～0.4μm。
5.根据权利要求1所述的沟槽型SiC JBS二极管器件，其特征在于，两个所述N+掺杂区(6)的两端分别与相邻的P+注入区(2)和沟槽结构(7)边缘相连。
6.根据权利要求1所述的沟槽型SiC JBS二极管器件，其特征在于，所述N+掺杂区(6)的浓度为5×1016atom/cm3～1×1017atom/cm3。
7.根据权利要求1所述的沟槽型SiC JBS二极管器件，其特征在于，与所述肖特基接触界面接触的金属为Ti或Ni。
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