CN113707710A - 碳化硅功率器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅功率器件及其制作方法，碳化硅功率器件包括碳化硅衬底、碳化硅外延层、介质层、金属层、第一钝化层、第二钝化层和第三钝化层，金属层覆盖在介质层的边缘上方，并具有高于介质层的金属台阶；金属层远离碳化硅外延层的表面具有凹槽和位于凹槽边缘的第一端面，第一端面连接金属台阶朝向介质层的侧壁和凹槽，凹槽内设置有金属层窗口；第一钝化层设置在所述金属台阶的侧壁上，并从金属台阶的侧壁向介质层延伸；第二钝化层设置在凹槽内，覆盖金属层窗口以外的区域，因此可以有效减小钝化层与金属层之间的应力，避免因封装工艺对器件施加的压力导致钝化层产生裂纹，从而增强器件阻隔水汽侵入的能力，提高器件的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅功率器件领域，尤其涉及一种碳化硅功率器件及其制作方法。
背景技术
随着科技的进步和发展，半导体材料也发生了更新换代的变化。第三代半导体材料拥有体积小、污染少、运行损耗低等经济和环保效益，可以满足现代社会对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等要求，因此第三代半导体材料正逐步成为发展的重心。当前主流的第三代半导体材料为碳化硅与氮化硅，碳化硅材料多用于高压场合如智能电网、轨道交通；氮化硅材料则在高频领域有更大的应用。
目前碳化硅功率器件主要定位于功率在1kw-500kw之间、工作频率在10KHz-100MHz之间的场景，特别是在一些对于能量效率和空间尺寸要求较高的应用中可取代部分硅基MOSFET与IGBT。碳化硅功率器件的制作过程需要经过器件制备工艺和封装工艺。在器件制备工艺的最后需要在介质层和金属层上方设置钝化层结构以阻隔外部的水汽侵入，提高器件的稳定性。在封装工艺中通过填充塑封料和外壳以形成封装器件。
在碳化硅功率器件的封装过程中，封装器件需要经过TCT(温度循环)/TS(热冲击)等可靠性测试，由于塑封料/介质层/金属层之间线性膨胀系数失配，过大的应力导致钝化层结构出现裂纹或金属变形等情况，不仅会影响器件的外观，更重要的是会降低器件防水汽侵蚀的能力，从而影响器件长期工作的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种碳化硅功率器件及其制作方法。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种碳化硅功率器件，所述碳化硅功率器件包括：
碳化硅衬底；
设置于所述碳化硅衬底上的碳化硅外延层；
设置于所述碳化硅外延层层中的有源区和边缘终端区；
设置于所述边缘终端区上的介质层；
设置于所述有源区上的金属层，所述金属层与所述有源区之间为肖特基接触，所述金属层覆盖在所述介质层的边缘上方，并具有高于所述介质层的金属台阶；
所述金属层远离所述碳化硅外延层的表面具有凹槽和位于所述凹槽边缘的第一端面，所述第一端面连接所述金属台阶朝向所述介质层的侧壁和所述凹槽，所述凹槽内设置有金属层窗口；
第一钝化层，所述第一钝化层设置在所述金属台阶的侧壁上，并从所述金属台阶的侧壁向所述介质层延伸；
第二钝化层，所述第二钝化层设置在所述凹槽内，覆盖所述金属层窗口以外的区域。
在可选的实施例中，所述第一钝化层至少包覆所述金属台阶的侧壁的一半。
在可选的实施例中，所述第一钝化层远离所述碳化硅外延层的端面与所述第一端面平齐。
在可选的实施例中，所述第二钝化层远离所述碳化硅外延层的端面与所述第一端面平齐。
在可选的实施例中，所述第一钝化层的材料为氧化硅、氮化硅；或，
所述第一钝化层为一层氧化硅和一层氮化硅构成的叠层。
在可选的实施例中，所述第二钝化层的材料为氧化硅、氮化硅；或，
所述第二钝化层为一层氧化硅和一层氮化硅构成的叠层。
在可选的实施例中，所述第一钝化层的厚度小于或等于0.1μm。
在可选的实施例中，所述碳化硅功率器件还包括从所述金属层窗口边缘向所述边缘终端区延伸，覆盖所述第二钝化层、第一端面和所述第一钝化层的第三钝化层。
在可选的实施例中，所述第三钝化层的材料为聚酰亚胺；和/或，所述介质层材料为氧化硅。
一种碳化硅功率器件的制作方法，包括以下步骤：
提供第一器件结构，所述第一器件结构包括碳化硅衬底，设置于所述碳化硅衬底上的碳化硅外延层，设置于所述碳化硅外延层层中的有源区和边缘终端区，设置于所述边缘终端区上的介质层，设置于所述有源区上的金属层，所述金属层覆盖在所述介质层的边缘上方并具有高于所述介质层的金属台阶，所述金属层与所述有源区之间为肖特基接触，所述金属层远离所述碳化硅外延层的表面具有凹槽和位于所述凹槽边缘的第一端面，所述第一端面连接所述金属台阶朝向所述介质层的侧壁和所述凹槽；
在所述介质层和金属层上方沉积钝化层材料；
蚀刻所述钝化层材料，形成第一钝化层、第二钝化层和金属层窗口，所述第一钝化层设置在所述金属台阶的侧壁上，并从所述金属台阶的侧壁向所述介质层延伸；所述金属层窗口设置在所述凹槽内；所述第二钝化层设置在所述凹槽内，覆盖所述金属层窗口以外的区域。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的碳化硅功率器件中金属台阶上的第一端面没有被第一钝化层和第二钝化层所包裹，因此可以有效减小钝化层与金属层之间的应力，避免因封装工艺对器件施加的压力导致钝化层裂开，从而增强器件阻隔水汽侵入的能力，且各层之间衔接更加紧密，明显提高器件可靠性。
(2)避免封装器件在TCT(温度循环)/TS(热冲击)等条件下，塑封料/介质层/金属层之间的线性膨胀系数失配，导致金属台阶处的钝化层产生裂纹或者金属层变形。
(3)可以通过调整刻蚀机台的刻蚀速率对不同位置不同高度的钝化层材料进行蚀刻以形成第一端面及金属层窗口，无需增加额外的复杂的工艺。
附图说明
图1为本申请的实施例的碳化硅功率器件的示意图；
图2a-2e为本申请的实施例的碳化硅功率器件的工艺流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
请参考图1，本申请的实施例公开了一种碳化硅功率器件，所述碳化硅功率器件包括碳化硅衬底1、碳化硅外延层2、介质层3、金属层4、第一钝化层51、第二钝化层52和第三钝化层53。碳化硅外延层2设置在碳化硅衬底1上方，所述碳化硅外延层2层中设有有源区21和边缘终端区22，介质层3和金属层4设置在所述碳化硅外延层2上方。其中，介质层3设置于所述边缘终端区22上，金属层4设置于所述有源区21上，所述金属层4与所述有源区21之间为肖特基接触。介质层4为氧化硅材料，其厚度为0.8～1.2微米，金属层4为Al或其他金属，其厚度为3～5微米。所述金属层4采用溅镀或蒸镀等工艺形成在碳化硅外延层2上方，其厚度较为一致。由于介质层3和金属层4之间存在部分重叠，因此金属层4的边缘区域与中间区域存在高度差，所述金属层4覆盖在所述介质层3的边缘上方并具有高于所述介质层3的金属台阶41，并且在所述金属层4远离所述碳化硅外延层2的表面上具有凹槽和位于所述凹槽边缘的第一端面42，所述第一端面42连接所述金属台阶41朝向所述介质层的侧壁43和所述凹槽。
在具体的实施例中，所述第一钝化层51设置在所述金属台阶41的侧壁上，并从所述金属台阶41的侧壁43向所述介质层3延伸；所述第二钝化层52设置在所述凹槽内，并且在凹槽内设置有金属层窗口，所述第二钝化层52覆盖所述金属层窗口以外的区域，第三钝化层53从所述金属层窗口边缘向所述边缘终端区22延伸，覆盖所述第二钝化层52、第一端面42和所述第一钝化层51。通过第一钝化层51、第二钝化层52和第三钝化层53的结构可以对金属层4及有源区21进行保护，隔绝塑封料，避免器件被水汽侵蚀，提高器件的稳定性。
在具体的实施例中，第一钝化层51和第二钝化层52为氧化硅、氮化硅或者氧化硅和氮化硅叠层形成的复合结构，其厚度为0.5～1微米，第三钝化层53为聚酰亚胺，其厚度为4～5微米。在其中一个实施例中，所述第一钝化层51至少包覆所述金属台阶41的侧壁的一半。在另外一个实施例中，所述第一钝化层51远离所述碳化硅外延层2的端面与所述第一端面42平齐。所述第二钝化层52远离所述碳化硅外延层2的端面与所述第一端面42平齐。因此使金属层4的第一端面41上方未覆盖有第一钝化层51和第二钝化层52，从而可以有效减小应力对器件稳定性的影响，达到保护器件及增强器件阻隔侵入的水汽的能力。所述第三钝化层53设置在第一钝化层51、金属层4的第一端面42和第二钝化层52上方，可以保证器件中各膜层之间的衔接性，提高器件的稳定性。具体地，金属层4可以作为用于焊接的金属电极，裸露出来的金属层窗口可用于焊接。第三钝化层53可以将下方膜层完全包覆住，避免水汽进入腐蚀器件，对器件稳定性和可靠性造成影响。
参考图2a-2e所示流程图，上述碳化硅功率器件通过以下方法制备：
1)见图2a，提供第一器件结构，所述第一器件结构包括碳化硅衬底1、碳化硅外延层2以及设于所述碳化硅外延层2上方的介质层3和金属层4。所述碳化硅外延层2层中设有有源区21和边缘终端区22，其中，介质层3设置于所述边缘终端区22上，金属层4设置于所述有源区21上，所述金属层4与所述有源区21之间为肖特基接触。介质层3为氧化硅，厚度为0.8～1.2微米，金属层4为Al或其他金属，厚度为3～5微米。所述金属层4覆盖在所述介质层3的边缘上方并具有高于所述介质层3的金属台阶41，所述金属层4远离所述碳化硅外延层2的表面具有凹槽和位于所述凹槽边缘的第一端面42，所述第一端面42连接所述金属台阶41朝向所述介质层的侧壁43和所述凹槽。在所述介质层3和金属层4上方沉积厚度为0.5～1微米的钝化层材料5，钝化层材料5可以为氧化硅、氮化硅或者氧化硅和氮化硅层叠形成的复合结构。
2)见图2b，在所述钝化层材料上方涂覆第一光阻6，对所述第一光阻6进行曝光、显影以去除部分第一光阻6。
3)见图2c，采用干法刻蚀工艺蚀刻钝化层材料以形成第一钝化层51、第二钝化层52和金属层窗口，所述第一钝化层51设置在所述金属台阶41的侧壁上，并从所述金属台阶41的侧壁43向所述介质层3延伸；所述第二钝化层52设置在所述凹槽内，并且在凹槽内设置有金属层窗口，所述第二钝化层52覆盖所述金属层窗口以外的区域，然后用N-甲基吡咯烷酮等化学药液将剩余的第一光阻6剥离。
4)见图2d，在第一钝化层51、第一端面42、第二钝化层52上方涂覆厚度为4～5微米的聚酰亚胺(PI)作为聚酰亚胺，烘烤后聚酰亚胺硬化。
5)见图2e，在聚酰亚胺上方涂覆第二光阻7，对所述第二光阻7进行曝光、显影以去除部分第二光阻7。
6)用ICP或者RIE对聚酰亚胺干法刻蚀形成第三钝化层53。然后用N-甲基吡咯烷酮等化学药液将剩余的第二光阻7剥离，得到图1所示的碳化硅功率器件。
本发明可以在保证碳化硅功率器件金属电极工艺实现的基础上，可以有效减小钝化层与金属层之间的应力，解决了因封装工艺导致的钝化层裂开或金属层变形而引起的器件可靠性不良问题。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种碳化硅功率器件及其制作方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种碳化硅功率器件，其特征在于，所述碳化硅功率器件包括：
碳化硅衬底；
设置于所述碳化硅衬底上的碳化硅外延层；
设置于所述碳化硅外延层层中的有源区和边缘终端区；
设置于所述边缘终端区上的介质层；
设置于所述有源区上的金属层，所述金属层与所述有源区之间为肖特基接触，所述金属层覆盖在所述介质层的边缘上方，并具有高于所述介质层的金属台阶；
所述金属层远离所述碳化硅外延层的表面具有凹槽和位于所述凹槽边缘的第一端面，所述第一端面连接所述金属台阶朝向所述介质层的侧壁和所述凹槽，所述凹槽内设置有金属层窗口；
第一钝化层，所述第一钝化层设置在所述金属台阶的侧壁上，并从所述金属台阶的侧壁向所述介质层延伸；
第二钝化层，所述第二钝化层设置在所述凹槽内，覆盖所述金属层窗口以外的区域。
2.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件，其特征在于：所述第一钝化层至少包覆所述金属台阶的侧壁的一半。
3.根据权利要求2所述的碳化硅功率器件，其特征在于：所述第一钝化层远离所述碳化硅外延层的端面与所述第一端面平齐。
4.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件，其特征在于：所述第二钝化层远离所述碳化硅外延层的端面与所述第一端面平齐。
5.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件，其特征在于：所述第一钝化层的材料为氧化硅、氮化硅；或，
所述第一钝化层为一层氧化硅和一层氮化硅构成的叠层。
6.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件的钝化层结构，其特征在于：所述第二钝化层的材料为氧化硅、氮化硅；或，
所述第二钝化层为一层氧化硅和一层氮化硅构成的叠层。
7.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件，其特征在于：所述第一钝化层的厚度小于或等于0.1μm。
8.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件，其特征在于：所述碳化硅功率器件还包括从所述金属层窗口边缘向所述边缘终端区延伸，覆盖所述第二钝化层、所述第一端面和所述第一钝化层的第三钝化层。
9.根据权利要求8所述的碳化硅功率器件，其特征在于：所述第三钝化层的材料为聚酰亚胺；和/或，所述介质层材料为氧化硅。
10.一种碳化硅功率器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供第一器件结构，所述第一器件结构包括碳化硅衬底，设置于所述碳化硅衬底上的碳化硅外延层，设置于所述碳化硅外延层层中的有源区和边缘终端区，设置于所述边缘终端区上的介质层，设置于所述有源区上的金属层，所述金属层覆盖在所述介质层的边缘上方并具有高于所述介质层的金属台阶，所述金属层与所述有源区之间为肖特基接触，所述金属层远离所述碳化硅外延层的表面具有凹槽和位于所述凹槽边缘的第一端面，所述第一端面连接所述金属台阶朝向所述介质层的侧壁和所述凹槽；
在所述介质层和金属层上方沉积钝化层材料；
蚀刻所述钝化层材料，形成第一钝化层、第二钝化层和金属层窗口，所述第一钝化层设置在所述金属台阶的侧壁上，并从所述金属台阶的侧壁向所述介质层延伸；所述金属层窗口设置在所述凹槽内；所述第二钝化层设置在所述凹槽内，覆盖所述金属层窗口以外的区域。
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