CN112038398A - 一种碳化硅功率二极管器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳化硅功率二极管器件的制备方法，在SiC衬底的第一表面生长具有N型有源区的SiC外延层；在SiC外延层表面沉积第一阻挡层，通过蚀刻打开N型有源区内的注入窗口，在N型有源区的注入窗口进行离子注入；通过高温激活，N型有源区形成间隔设置的P型区；在与P型区形成欧姆接触的第一金属层上覆盖第二金属层，防止在湿法腐蚀去除第二阻挡层的过程中造成BOE溶液腐蚀第一金属层，极大地保证第一金属层的完整性，避免产生金属颗粒沾污器件的问题，进而降低了由于金属颗粒沾污带来的可靠性风险，大大提高器件制造的良率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，更具体地说，涉及一种碳化硅功率二极管器件的制备方法。
背景技术
SiC器件相较于传统Si基器件具有工作频率更快，工作损耗更小，工作温度更高等特点，SiC二极管作为SiC功率器件的代表性器件，被广泛应用在功率电源，新能源汽车等领域。
SiC材料由于和Si材料特性上的差异，造成了其器件制备上的工艺差别。例如SiC器件高温激活工艺的温度要达到1600℃以上，就需要在晶圆的正背面做保护层防止碳颗粒析出，影响器件的界面态。
在SiC MPS(Merged PiN Schottky)器件制备中，欧姆金属的制备是极为关键的工艺步骤。首先，需要使用保护层保护器件正面欧姆金属接触的其他区域，防止欧姆高温回火后界面直接裸露在空气中，造成SiC表面形貌粗糙，影响器件界面态，导致漏电流的增大。欧姆退火后，金属与SiC形成金属半导体接触，在去除正面保护层时，为了防止干法刻蚀造成的微沟槽现场，保证界面的完整性，往往会采用湿法腐蚀的方式。而湿法腐蚀使用的BOE(Buffered Oxide Etch)溶液，即缓冲氧化物刻蚀液，会对正面欧姆金属造成腐蚀现象，金属颗粒随着BOE溶液会沾染在器件的各个位置，包括有源区或者终端区，形成漏电通道，造成器件电性失效，甚至会对器件的可靠性造成影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种碳化硅功率二极管器件的制备方法，避免出现金属颗粒沾污器件，提高器件制造的良率。
本发明的技术方案如下：
一种碳化硅功率二极管器件的制备方法，包括如下步骤：
1)在SiC衬底的第一表面生长具有N型有源区的SiC外延层；
2)在SiC外延层表面沉积第一阻挡层，通过蚀刻打开N型有源区内的注入窗口，在N型有源区的注入窗口进行离子注入；通过高温激活，N型有源区形成间隔设置的P型区；
3)去除第一阻挡层，在SiC外延层表面依次沉积第二阻挡层、光刻胶，通过蚀刻打开N型有源区的P型区，在SiC外延层表面覆盖第一金属层，在第一金属层表面覆盖第二金属层；
4)去除光刻胶；P型区表面覆盖的第一金属层，通过高温退火，形成欧姆接触；
5)利用BOE溶液刻蚀，去除SiC外延层表面的第二阻挡层；
6)在N型有源区表面覆盖第三金属层，通过高温退火，形成肖特基接触；在第三金属层表面沉积第一电极层。
作为优选，步骤2)中，还通过蚀刻打开终端区内的注入区，在终端区的注入区进行离子注入；通过高温激活，终端区形成终端结构；
还包括步骤7)在终端结构表面生长第一钝化层，在第一钝化层表面生成第二钝化层；蚀刻得到第一电极层的接触区域。
作为优选，步骤7)中，先去除覆盖于终端结构的第三金属层、第一电极层，再在终端结构表面生长第一钝化层。
作为优选，第一钝化层为氧化硅或氮化硅；第二钝化层为聚酰亚胺。
作为优选，步骤5)中，BOE溶液刻蚀前还包括如下步骤：
在SiC衬底的第二表面覆盖第四金属层，通过高温退火，形成欧姆接触；
在第四金属层表面涂覆保护层。
作为优选，步骤5)中，BOE溶液刻蚀后还包括如下步骤：去除保护层。
作为优选，步骤5)中，去除保护层后，在第四金属层表面沉积形成第二电极层。
作为优选，形成欧姆接触的高温退火工艺，温度为800℃-1100℃，时间为60s-300s；形成肖特基接触的高温退火工艺，温度为300℃-500℃，时间为60s–300s。
作为优选，第一金属层为Ti、Ni、Ag、Al或Au中的任意一种或者多种组合。
作为优选，第二金属层为W、Ta、Mo、Pt、Pd、Au、Ru或Hf中的任意一种或者多种组合。
作为优选，P型区包括复数第一P型区、复数第二P型区、N型区，第一P型区与第二P型区间隔设置；
步骤3)中，第一P型区表面覆盖第一金属层，第二P型区不覆盖金属；
其中，第一金属层完全覆盖第一P型区；或者，第一金属层为不完全覆盖第一P型区的块状金属层。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的碳化硅功率二极管器件的制备方法，用于制备碳化硅功率二极管器件，在与P型区形成欧姆接触的第一金属层上覆盖第二金属层，防止在湿法腐蚀去除第二阻挡层的过程中造成BOE溶液腐蚀第一金属层，极大地保证第一金属层的完整性，避免产生金属颗粒沾污器件的问题，进而降低了由于金属颗粒沾污带来的可靠性风险，大大提高器件制造的良率。
本发明制备的碳化硅功率二极管器件，通过两种不同规格的P型区，表面面积较大、较宽裕的第一P型区表面覆盖欧姆金属，表面面积较小、较细狭的第二P型区表面不设欧姆接触金属，在小电流的条件下，电流从有源区的N型区通过；在大电流的条件下，二极管的正向电压升高，第一P型区表面覆盖欧姆接触形成的PiN二极管势垒开启，电流可以从该区域通过，从而提升二极管的浪涌电流能力。本发明将二者相结合，在保持二极管浪涌能力相同条件下，提升二极管的电流密度，降低导通压降。
附图说明
图1是步骤1)对应的结构示意图；
图2是步骤2)对应的结构示意图；
图3是步骤3.1)对应的结构示意图；
图4是步骤3.2)对应的结构示意图；
图5是步骤3.3)对应的结构示意图；
图6是步骤4)对应的结构示意图；
图7是步骤5)对应的结构示意图；
图8是步骤6)对应的结构示意图；
图9是步骤7)对应的结构示意图；
图10是碳化硅功率二极管器件的有源区的示意图(第一P型区与第二P型区均实施为条状，第一金属层完全覆盖第一P型区)；
图11是碳化硅功率二极管器件的有源区的示意图(第一P型区与第二P型区均实施为条状，第一金属层不完全覆盖第一P型区)；
图12是碳化硅功率二极管器件的有源区的示意图(第一P型区与第二P型区均实施为块状区域)；
图13是碳化硅功率二极管器件的有源区的示意图(第一P型区与第二P型区实施为条状与块状区域的组合)；
图中：10是SiC衬底，20是SiC外延层，21是有源区，22是P型区，221是第一P型区，222是第二P型区，23是N型区，24是终端区，25是终端结构，31是第二阻挡层，32是光刻胶，40是第一金属层，50是第二金属层，60是第三金属层，70是第四金属层，71是保护层，81是第一电极层，82是第二电极层，91是第一钝化层，92是第二钝化层。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
为了解决现有技术的制备方法容易出现金属颗粒沾污器件表面的不足，提供一种碳化硅功率二极管器件的制备方法，能够降低了由于金属颗粒沾污带来的可靠性风险，避免产生金属颗粒沾污器件的问题，进而大大提高器件制造的良率。
本发明所述的碳化硅功率二极管器件的制备方法，包括如下步骤：
1)在SiC衬底10的第一表面生长具有N型有源区21的SiC外延层20，如图1所示。具体的，在SiC衬底10进行RCA清洗流程，SiC衬底10晶型为4H-SiC，厚度为350μm，掺杂浓度为1E19-1E20/cm3。使用MOCVD，在N型SiC衬底10上生长具有N型有源区21的SiC外延层20，厚度为5-80μm，浓度为1E14-5E16/cm3。
2)在SiC外延层20表面沉积第一阻挡层(图中未示出)，沉积方式可以为PVD或者CVD，通过干法蚀刻打开终端区24的注入区与N型有源区21内的注入窗口，在终端区24的注入区与N型有源区21的注入窗口进行离子注入；在1600℃-1800℃的真空或者惰性气体的氛围下进行高温激活，在终端区24形成终端结构25，在N型有源区21形成P型区22，如图2所示。
3.1)如图3所示，去除第一阻挡层，然后在SiC外延层20表面依次沉积第二阻挡层31、光刻胶32，沉积方式可以为PVD或者CVD；其中，第一阻挡层为SiO2，具体实施中，通常利用BOE溶液去除第一阻挡层，可采用干法蚀刻或湿法蚀刻。
3.2)通过蚀刻打开N型有源区21的P型区22，如图4所示；
3.3)在SiC外延层20表面覆盖第一金属层40，在第一金属层40表面覆盖第二金属层50，在SiC衬底10的第二表面覆盖第四金属层70，如图5所示。
具体地，通过沉积或者溅镀方法，在P型区22形成第一金属层40，在第一金属层40表面形成第二金属层50，在SiC衬底10的第二表面形成第四金属层70。其中，第一金属层40、第四金属层70为Ti、Ni、Ag、Al或Au中的任意一种或者多种组合；第二金属层50采用过渡金属，如W、Ta、Mo、Pt、Pd、Au、Ru或Hf中的任意一种或者多种组合，以避免受BOE溶液的腐蚀。
4)如图6所示，通过湿法或干法蚀刻去除第二阻挡层31上的第一金属层40、第二金属层50、光刻胶32(即保留P型区22表面的第一金属层40、第二金属层50)；P型区22表面覆盖的第一金属层40，通过高温退火，第一金属层40与P型区22表面形成欧姆接触，第四金属层70与SiC衬底10的第二表面形成欧姆接触；在第四金属层70表面涂覆保护层71，在步骤5)中利用BOE溶液通过湿法腐蚀去除SiC外延层20表面的第二阻挡层31的同时，能够保护第四金属层70。其中，形成欧姆接触的高温退火工艺，温度为800℃-1100℃，时间为60s-300s。
5)利用BOE溶液通过湿法腐蚀去除SiC外延层20表面的第二阻挡层31，然后去除保护层71，如图7所示。在湿法腐蚀过程中，第二金属层50能够防止BOE溶液对第一金属层40的影响，避免出现第一金属层40因接触BOE溶液而形成金属颗粒，保护层71能够防止BOE溶液对第四金属层70的影响，保证第四金属层70的完整性。
6)如图8所示，在N型有源区21表面覆盖第三金属层60，通过高温退火，形成肖特基接触；在第三金属层60表面沉积第一电极层81。具体地，在N型有源区21表面通过沉积或者溅镀方法形成第三金属层60；其中，第三金属层60为Ti、W，Ta、Ni、Mo或Pt中的任意一种或者多种组合；形成肖特基接触的高温退火工艺，温度为300℃-500℃，时间为60s–300s。在第三金属层60上通过蒸镀或者溅镀工艺沉积2-5μm的第一电极层81，作为正面电极。
7)如图9所示，先去除覆盖于终端结构25的第三金属层60、第一电极层81，再在终端结构25表面生长第一钝化层91，再在第一钝化层91表面生成第二钝化层；蚀刻得到第一电极层81的接触区域。其中，第一钝化层91为氧化硅或氮化硅，第一钝化层91的厚度为0.5-3μm；第二钝化层92为聚酰亚胺，第二钝化层92的厚度为2-5μm，用于对第一钝化层91形成保护。通过湿法或者干法刻蚀方法刻蚀出第一电极层81的接触区域。在第四金属层70表面沉积形成第二电极层82，作为背面电极；第二电极层82的厚度为2-5μm。步骤7)中的第二电极层82制备也可以在步骤5)中的去除保护层71后进行。
本实施例中，步骤1)中，SiC衬底10的厚度为350μm，SiC外延层20的厚度优选为10μm，掺杂浓度优选为1E16/cm3。
步骤2)中，第一阻挡层为厚度2μm的SiO2。
步骤3)中，第二阻挡层31为厚度500nm的SiO2。第一金属层40、第四金属层70为Ti/Ni组合的多层金属；第二金属层50为W、Mo或Ta。
步骤4)中，在950℃的氮气氛围下退火，形成欧姆接触；保护层71通常采用光刻胶PI，也可以采用其他抗BOE的材料。
步骤5)中，通过H2SO4和离子洗的方式去除保护层71。
步骤6)中，第三金属层60为优选为Ti；工艺温度优选为450℃，时间优选为100s；第一电极层81优选为Al，厚度优选为4μm。并通过湿法刻蚀方法去除其他区域的金属。
步骤7)中，第一钝化层91优选为氧化硅SiO2，厚度优选为1.2μm，第二钝化层92的厚度优选为5μm；第二电极层82优选为Ti/Ni/Ag组合的多层金属，厚度优选为2μm。
本实施例中，制备的碳化硅功率二极管器件为MPS器件，P型区22包括至少一个第一P型区221、复数第二P型区222、N型区23，第一P型区221与第二P型区222间隔设置；其中，第一P型区221表面覆盖第一金属层40，第二P型区222不覆盖金属。即，第一P型区221与第一金属层40为欧姆接触，第二P型区222直接被第三金属层60覆盖。
基于第一P型区221表面设有第一金属层40、第二P型区222不设欧姆接触金属层的结构，本发明中，第二P型区222的宽度可实施为尽可能窄，在N型有源区21大小一定的情况下，可通过减少第一P型区221与第二P型区222表面的总平面面积，使得N型区23表面的平面面积增加，进而在不增加器件面积的情况下，即可降低正向压降，提高正向导通特性。本发明中，第一P型区221范围内可供电流通过的有效范围大小实际上受第一P型区221与第一金属层40形成相交的范围大小而决定，进而，在任意一个第一P型区221都足够大的基础上，可使得第一金属层40的形状具有多样化，且满足良好的正向浪涌能力，同时第二P型区222能够尽可能地窄。本发明中，第一P型区221与第二P型区222的大小关系，可由如下原则进行选择，即，任意一个第一P型区221的表面完全覆盖或部分覆盖欧姆接触的情况下，假设任意一个第二P型区222的表面完全覆盖欧姆接触，通过第一P型区221的电流量必定大于第二P型区222。
本发明中，第一P型区221与第二P型区222间隔设置，避免相邻的第一金属层40因工作产生的热量形成相互影响，进而影响器件的整体散热，导致器件的性能不稳定。本实施例中，第一P型区221的宽度相同且等间隔设置；或者，第一P型区221的宽度不全相同，相邻第一P型区221之间相对边的距离相同；进而，第一金属层40因工作产生的热量均匀分布，既有利于散热，且有效地控制整体温升，保证器件工作的稳定性。具体实施时，相邻的第一P型区221之间的几何中心距离为10μm-300μm。
具体实施时，第一金属层40可实施为完全覆盖第一P型区221，或者不完全覆盖第一P型区221，即仅覆盖第一P型区221的部分区域。
如图10所示，第一P型区221与第二P型区222均实施为条状，任意一个第一P型区221表面的宽度大于任意一个第二P型区222表面的宽度。当第一P型区221与第二P型区222均为条状时，第一P型区221与第二P型区222的长度差较小，则通过表现宽度值即可确定第一P型区221与第二P型区222表面的平面面积之差的大小关系。
作为另一种实施方式，如图11所示，第一金属层40为不完全覆盖第一P型区221的块状金属层，每个第一P型区221上至少设置一个第一金属层40。当第一金属层40为块状金属层时，相邻的第一金属层40的质心距离为10μm-300μm；且第一金属层40呈均匀布置，既有利于均匀散热，且有效地控制整体温升，保证器件工作的稳定性。
如图12所示，第一P型区221与第二P型区222均为块状区域，任意一个第一P型区221表面的平面面积大于任意一个第二P型区222表面的平面面积。具体实施时，第一P型区221、第二P型区222为矩形区域、正多边形区域、圆形区域、异形区域或其组合，第一金属层40通常完全覆盖第一P型区221，进而第一金属层40的形状与第一P型区221相同。
如图13所示，第一P型区221与第二P型区222为条状与块状区域的组合，当第一P型区221为条状、第二P型区222为块状区域时，第一P型区221表面的平面面积大于第二P型区222表面的平面面积；当第一P型区221为块状区域、第二P型区222为条状时，第一P型区221表面任一方向的径向宽度大于第二P型区222表面宽度。
具体实施时，第一P型区221、第二P型区222为矩形条状、梯形条状、异形条状、矩形区域、正多边形区域、圆形区域、异形区域或其组合，本实施例中，第一P型区221为矩形区域，第二P型区222为矩形条状；且第一金属层40通常完全覆盖第一P型区221，进而第一金属层40的形状与第一P型区221相同。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种碳化硅功率二极管器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在SiC衬底的第一表面生长具有N型有源区的SiC外延层；
2)在SiC外延层表面沉积第一阻挡层，通过蚀刻打开N型有源区内的注入窗口，在N型有源区的注入窗口进行离子注入；通过高温激活，N型有源区形成间隔设置的P型区；
3)去除第一阻挡层，在SiC外延层表面依次沉积第二阻挡层、光刻胶，通过蚀刻打开N型有源区的P型区，在SiC外延层表面覆盖第一金属层，在第一金属层表面覆盖第二金属层；
4)去除光刻胶；P型区表面覆盖的第一金属层，通过高温退火，形成欧姆接触；
5)利用BOE溶液刻蚀，去除SiC外延层表面的第二阻挡层；
6)在N型有源区表面覆盖第三金属层，通过高温退火，形成肖特基接触；在第三金属层表面沉积第一电极层。
2.根据权利要求1所述的碳化硅功率二极管器件的制备方法，其特征在于，步骤2)中，还通过蚀刻打开终端区内的注入区，在终端区的注入区进行离子注入；通过高温激活，终端区形成终端结构；
还包括步骤7)在终端结构表面生长第一钝化层，在第一钝化层表面生成第二钝化层；蚀刻得到第一电极层的接触区域。
3.根据权利要求2所述的碳化硅功率二极管器件的制备方法，其特征在于，步骤7)中，先去除覆盖于终端结构的第三金属层、第一电极层，再在终端结构表面生长第一钝化层。
4.根据权利要求2所述的碳化硅功率二极管器件的制备方法，其特征在于，第一钝化层为氧化硅或氮化硅；第二钝化层为聚酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的碳化硅功率二极管器件的制备方法，其特征在于，步骤5)中，BOE溶液刻蚀前还包括如下步骤：
在SiC衬底的第二表面覆盖第四金属层，通过高温退火，形成欧姆接触；
在第四金属层表面涂覆保护层。
6.根据权利要求5所述的碳化硅功率二极管器件的制备方法，其特征在于，步骤5)中，BOE溶液刻蚀后还包括如下步骤：去除保护层。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的碳化硅功率二极管器件的制备方法，其特征在于，形成欧姆接触的高温退火工艺，温度为800℃-1100℃，时间为60s-300s；形成肖特基接触的高温退火工艺，温度为300℃-500℃，时间为60s–300s。
8.根据权利要求1至6中任意一项所述的碳化硅功率二极管器件的制备方法，其特征在于，第一金属层为Ti、Ni、Ag、Al或Au中的任意一种或者多种组合。
9.根据权利要求1至6中任意一项所述的碳化硅功率二极管器件的制备方法，其特征在于，第二金属层为W、Ta、Mo、Pt、Pd、Au、Ru或Hf中的任意一种或者多种组合。
10.根据权利要求1至6中任意一项所述的碳化硅功率二极管器件的制备方法，其特征在于，P型区包括复数第一P型区、复数第二P型区、N型区，第一P型区与第二P型区间隔设置；
步骤3)中，第一P型区表面覆盖第一金属层，第二P型区不覆盖金属；
其中，第一金属层完全覆盖第一P型区；或者，第一金属层为不完全覆盖第一P型区的块状金属层。
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