CN114300530A - 一种碳化硅功率器件结终端结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅功率器件结终端结构及其制备方法，属于碳化硅功率器件的技术领域，该碳化硅功率器件结终端结构将隔离环的全部或者部分做成为变深度注入的倾斜坡面，倾斜坡面为从内向外逐渐变浅，该结构设计能够缓解以至于几乎消除了电力线聚集的问题，且结终端结构的占用的面积最小，同时，对应的制备方法中提出的利用两层具有不同湿法刻蚀速率的材料实现变厚度介质的方法，利用二者湿法刻蚀材料在湿法刻蚀速率的差别，形成角度可控的倾斜坡面，进而实现结终端结构的P型区进行变深度注入。

Description

一种碳化硅功率器件结终端结构及其制备方法

技术领域

本发明属于碳化硅功率器件的技术领域，具体而言，涉及一种碳化硅功率器件结终端结构及其制备方法。

背景技术

碳化硅是一种新的半导体材料，和之前的硅以及砷化镓等主要半导体材料相比，具有禁带宽度大、电场强度高、导热性好等特点，特别适合高压（大于600V)高频功率器件（二极管和三极管）的，近年来得到了广泛的应用。

对于任何承受相当电压的器件，其局部最大场强都要控制在局部材料能够承受的最大场强之下，并需要留出相当的裕量。在很多情况下，由于几何特征导致的电力线密集，器件各部分的场强最大值都出现在所谓的器件边角处。因此需要在器件设计的时候做特殊的考量。这也就是所谓的边缘保护。

如图1所示，其是一个典型的功率器件示意图，其中A区域是所谓工作区（亦称源区，通流区），B称为隔离环，将器件的工作区A和外围隔离开来，其主要隔离机制是形成一个PN结。在碳化硅功率器件的情形，由于一般的工作载流子采用迁移率较高的电子，所以B隔离环主要是通过注入形成P型材料，隔离环的宽度一般为几十微米。由于角部（D点）的电力线密集更甚于边缘（C点），因此D处需要圆弧化，以便使其局部最大场强接近C点。

如图2所示，其是图1在C点附近的剖面图。其中由于电力线聚集的原因，C处的电场强度高于B处。在器件承受电压时，C处的材料首先出现雪崩击穿。需要采取措施，抑制C处的电场强度，该设计则称为结终端保护设计。

目前是常见的结终端保护设计及其优缺点，如下：

（1）场限环：是目前最流行的结终端保护方式，见图3所示，其为场限环的剖面示意图，其中环的数目和环区域所占的面积都随电压升高而增加，对于650V耐压器件，场限环区域长度大致有几十微米。

优点：可连同工作区（亦称源区，通流区）一次光刻，一次注入完成，工艺简单；其实现的耐压以及瞬时反向过载（雪崩）能力比较稳定，对局部表面状况以及其他一些不易控制的工艺变动不是特别敏感。

缺点：需要比较精密的光刻设备和工艺；占据的面积较大；对干刻工艺（侧壁轮廓和角度）要求较高。

（2）场板：广泛应用在局部电场强度比较低的硅功率器件中，对于局部电场强度较高的碳化硅器件，应用较少，其原因是效果有限，且有介质的可靠性问题。

（3）台阶：对光刻设备要求不高，但需要单独的光刻步骤以及比较困难的碳化硅干刻步骤。

（4）结终端扩展（JTE）：占据的面积比较小，对光刻设备的要求不高；但是受工艺波动（表面状况，激活退火效果）的影响较大，需要单独的光刻和注入步骤，如果为了提高保护效果，减少占用面积，还可能需要多次光刻和注入。如图4所示，其为结终端扩展设计的剖面示意图，其中，显示了两个注入浓度（用浓度表达）依次变低的结终端扩展。

在实际的器件中，可以单独或者结合使用上述的结构进行终端保护设计，但存在明显的设计缺陷，亟待开发改进，以节约芯片面积和成本。

发明内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种碳化硅功率器件结终端结构及其制备方法以达到通过变厚度的离子注入掩膜，从而实现变深度结终端注入，以在控制工艺复杂度和成本的情况下，节约芯片面积和成本的目的。

本发明所采用的技术方案为：一种碳化硅功率器件结终端结构，该结终端结构包括：工作区和环绕于工作区外部的隔离环，所述隔离环与工作区之间形成交界线，且交界线与隔离环的边缘线之间设有一中环线；所述交界线或中环线与隔离环的边缘线之间设为呈变深度的倾斜坡面。

进一步地，所述隔离环通过注入P型材料而成，以通过隔离机制形成一个PN结。

进一步地，所述交界线与隔离环的边缘线之间的宽度间距等于所述倾斜坡面的宽度间距。

进一步地，所述隔离环的底面与倾斜坡面之间设为平滑过渡，旨在能够消除因几何特征所引发的电力线聚集效应。

在本发明中还公开了一种碳化硅功率器件结终端结构的制备方法，该制备方法包括：

S1：在碳化硅的表面划分工作区注入域和P型区注入域；

S2：在工作区注入域进行掩膜图形化形成工序；

S3：在P型区注入域进行注入掩膜形成工序；

S4：通过一次离子注入形成结终端结构的工作区和P型区；

其中，上述步骤S2和步骤S3不分先后顺序。

进一步地，所述掩膜图形化形成工序包括：

S201：在工作区注入域的表面沉积注入掩膜；

S202：在注入掩膜的表面沉积光刻胶；

S203：对光刻胶进行光刻图形化。

进一步地，所述注入掩膜形成工序包括：

S301：在P型区注入域的表面沉积两层不同速率的湿法刻蚀材料，且高刻蚀速率材料位于上层，低刻蚀速率材料位于下层；

S302：在高刻蚀速率材料的表面上沉积光刻胶；

S303：对光刻胶进行光刻图形化；

S304：对光刻图形化部分进行湿法刻蚀并通过湿法刻蚀在湿法刻蚀材料上形成倾斜坡面；

S305：去掉光刻胶；

通过上述各个步骤形成能够变深度注入的注入掩膜。

进一步地，所述注入掩膜形成工序还包括：

S306：去掉位于上层的高刻蚀速率材料，该步骤也可根据工艺要求保留。

进一步地，所述步骤S301中的低刻蚀速率材料为注入掩膜，且低刻蚀速率材料的厚度大于1.5微米，同时，低刻蚀速率材料的厚度应大于高刻蚀速率材料的厚度。

本发明的有益效果为：

1. 采用本发明所提供的碳化硅功率器件结终端结构，其将隔离环的全部或者部分做成为变深度注入的倾斜坡面，倾斜坡面为从内向外逐渐变浅，该结构设计能够缓解以至于几乎消除了电力线聚集的问题，同时，该结终端结构的占用的面积最小，进而在控制工艺复杂度和成本的情况下，节约芯片面积和成本。

2. 采用本发明所提供的碳化硅功率器件结终端结构的制备方法，本制备方法提出的利用两层具有不同湿法刻蚀速率的材料实现变厚度介质的方法，利用二者湿法刻蚀材料在湿法刻蚀速率的差别，形成角度可控的倾斜坡面，进而实现结终端结构的P型区进行变深度注入。

附图说明

图1是典型的功率器件俯视示意图；

图2是典型器件边缘部分的剖面图；

图3是结终端结构设计中场限环的剖面示意图；

图4是结终端扩展设计的剖面示意图；

图5是本发明所提供的碳化硅功率器件结终端结构的剖面示意图；

图6是本发明所提供的碳化硅功率器件结终端结构的制备方法中步骤S301的结构示意图；

图7是本发明所提供的碳化硅功率器件结终端结构的制备方法中步骤S302的结构示意图；

图8是本发明所提供的碳化硅功率器件结终端结构的制备方法中步骤S303的结构示意图；

图9是本发明所提供的碳化硅功率器件结终端结构的制备方法中步骤S304的结构示意图；

图10是本发明所提供的碳化硅功率器件结终端结构的制备方法中步骤S305的结构示意图；

图11是本发明所提供的碳化硅功率器件结终端结构的制备方法中步骤S4的结构示意图。

附图中标注如下：

A-工作区，B-隔离环，C-边缘线，D-角部，E-过渡部。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

如图5所示，在本实施例中提供了一种碳化硅功率器件结终端结构，该结终端结构主要包括：工作区和环绕于工作区外部的隔离环，其中，工作区亦称源区、通流区；隔离环将器件的工作区和外围隔离开来，其主要隔离机制是形成一个PN结，隔离环通过注入P型材料而成。在所述隔离环与工作区之间形成交界线，且交界线与隔离环的边缘线之间设有一中环线，中环线也称为分界线。在实际设计时，可见隔离环的全部或者部分做成为变深度注入，一种为直接将所述交界线与隔离环的边缘线之间设为呈变深度的倾斜坡面，另一种为将所述分界线与隔离环的边缘线之间设为呈变深度的倾斜坡面。

在本实施例中，以交界线与隔离环的边缘线之间的宽度间距等于所述倾斜坡面的宽度间距为例，以典型的0.5 微米深度的P型隔离区注入为例，如果隔离区的宽度为20微米，其中，10微米用做变深度终端区域，那么E处的角度与180度的差别仅为Arctg（0.05），而该几何特征引发的电力线聚集效应是很微弱的，几乎可以忽略不计。在实际应用时，所述隔离环的底面与倾斜坡面之间设为平滑过渡，平滑过渡的几何特征引发的电力线聚集效应是很微弱的。

基于上述所采用的变深度结终端注入结构，能够在控制工艺复杂度和成本的情况下，节约芯片面积和成本。

实施例2

基于实施例1中所公开的碳化硅功率器件结终端结构，在本实施例中公开一种碳化硅功率器件结终端结构的制备方法，旨在通过本制备方法对上述的结终端结构进行制备。由于在上述的结终端结构中设计有变深度注入的结构，对一般碳化硅器件来说，要实现变深度注入，一般需要变厚度的注入硬掩膜（常见的掩膜材料为二氧化硅和多晶硅等）。而变厚度的硬掩膜实现方式是沉积均匀厚度的硬掩膜材料后，再设法通过刻蚀去除一部分掩膜材料，在不同的区域去除的掩膜材料的量不同，则留下的掩膜厚度也就不同。这是通过注入硬掩膜材料上得到变厚度的刻蚀掩膜材料（通常为光刻胶）实现的。而在实际应用中，目前变厚度光刻胶的实现方法，主要有：

（1）光刻胶的热变形：该方法的工艺控制难度大，一般不在功率器件量产产品工艺中采用。

（2）非常规光刻：一般是在的二元光刻掩膜版上形成亚分辨率的微细图形的密度变化，在曝光时形成局部平均光场的差别，得到曝光程度在水平方向的变化，从而在后续的显影过程中，形成变厚度的残留光刻胶。但该方法需要非常规的光刻掩膜版，其密度变化区域需要一个较大的水平尺度，因此其结终端变厚度区域较大（200微米左右以上），只能用于较高压（1700伏以上）器件。对于常规的耐压650V-1200V器件，并不容易节省结终端区域。

而本实施例中所提供的制备方法，其是利用两层具有不同湿法刻蚀速率的材料实现变厚度介质的方法。该制备方法的工艺过程如下：

S1：在碳化硅的表面划分工作区注入域和P型区注入域，工作区注入域和P型区注入域是根据结终端的设计需求进行选定的，记在工作区注入域和P型区注入域分别形成结终端的工作区和P型区（也为隔离环）；

S2：在工作区注入域进行掩膜图形化形成工序，该掩膜图形化形成工序的工艺如下：

S201：在工作区注入域的表面沉积注入掩膜，注入掩膜可采用常见的介质，例如：二氧化硅；

S202：在注入掩膜的表面沉积光刻胶；

S203：对光刻胶进行光刻图形化，光刻图形化是根据工作区的设计需求进行设计，且光刻图形化的部分则作为后续进行离子注入的对应区域部分。

S3：在P型区注入域进行注入掩膜形成工序，该注入掩膜形成工序的工艺如下：

S301：在P型区注入域的表面沉积两层不同速率的湿法刻蚀材料，且高刻蚀速率材料位于上层，低刻蚀速率材料位于下层；其中，低刻蚀速率材料的厚度应大于高刻蚀速率材料的厚度，低刻蚀速率材料为注入掩膜，且低刻蚀速率材料的厚度大于1.5微米，见图6所示，其上层为高刻蚀速率材料且下层为低刻蚀速率材料。在实际应用时，举例如下：

在常见的介质（比如：二氧化硅）掩膜材料之上，再沉积一层湿法刻蚀速率更快的材料 （比如对氢氟酸刻蚀来说，金属钛或者氮化硅的刻蚀速率都超过二氧化硅；而金属钛、氮化硅和二氧化硅的刻蚀速率都超过多晶硅；另外对于同一种类型的材料，沉积工艺参数的差别也会造成湿法刻蚀速率的差别）。

S302：在高刻蚀速率材料的表面上沉积光刻胶，见图7所示，将光刻胶沉积在高刻蚀速率材料的表面上；

S303：对光刻胶进行光刻图形化，见图8所示，其通过光刻图形化部分加入腐蚀剂；

S304：对光刻图形化部分进行湿法刻蚀并通过湿法刻蚀在湿法刻蚀材料上形成倾斜坡面。在进行湿法刻蚀的过程中，由于高刻蚀速率材料的速率较高，而低刻蚀速率材料的速率较低，因此，如图9所示，其高刻蚀速率材料在光刻胶下后退较快，低刻蚀速率材料在光刻胶下后退较慢，因而形成倾斜侧壁，即为倾斜坡面；

S305：去掉光刻胶；

S306：如图10所示，去掉位于上层的高刻蚀速率材料作为注入掩膜的一部分，在实际应用时，根据工艺要求，也可能对高刻蚀速率材料进行保留。

S4：通过一次离子注入形成结终端结构的工作区和P型区，见图11所示，其示意由变厚度注入掩膜通过离子注入形成变深度结终端的示意图，最终形成结终端结构设计。

在上述中，步骤S2和步骤S3不分先后顺序，即掩膜图形化形成工序和注入掩膜形成工序可在不分先后顺序的情况下分别进行，在执行其中一工序对应区域时，另一工序对应的区域则用光刻胶盖住，以防止相互之间产生影响。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种碳化硅功率器件结终端结构，其特征在于，该结终端结构包括：工作区和环绕于工作区外部的隔离环，所述隔离环与工作区之间形成交界线，且交界线与隔离环的边缘线之间设有一中环线；所述交界线或中环线与隔离环的边缘线之间设为呈变深度的倾斜坡面；所述隔离环的底面与倾斜坡面之间设为平滑过渡。

2.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件结终端结构，其特征在于，所述隔离环通过注入P型材料而成。

3.根据权利要求1所述的碳化硅功率器件结终端结构，其特征在于，所述交界线与隔离环的边缘线之间的宽度间距等于所述倾斜坡面的宽度间距。

4.一种碳化硅功率器件结终端结构的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：

S1：在碳化硅的表面划分工作区注入域和P型区注入域；

S2：在工作区注入域进行掩膜图形化形成工序；

S3：在P型区注入域进行注入掩膜形成工序，所述注入掩膜形成工序包括：

S301：在P型区注入域的表面沉积两层不同速率的湿法刻蚀材料，且高刻蚀速率材料位于上层，低刻蚀速率材料位于下层；

S302：在高刻蚀速率材料的表面上沉积光刻胶；

S303：对光刻胶进行光刻图形化；

S304：对光刻图形化部分进行湿法刻蚀并通过湿法刻蚀在湿法刻蚀材料上形成倾斜坡面；

S305：去掉光刻胶；

S4：通过一次离子注入形成结终端结构的工作区和P型区；

其中，上述步骤S2和步骤S3不分先后顺序。

5.根据权利要求4所述的碳化硅功率器件结终端结构的制备方法，其特征在于，所述掩膜图形化形成工序包括：

S201：在工作区注入域的表面沉积注入掩膜；

S202：在注入掩膜的表面沉积光刻胶；

S203：对光刻胶进行光刻图形化。

6.根据权利要求4所述的碳化硅功率器件结终端结构的制备方法，其特征在于，所述注入掩膜形成工序还包括：

S306：去掉位于上层的高刻蚀速率材料。

7.根据权利要求4所述的碳化硅功率器件结终端结构的制备方法，其特征在于，所述步骤S301中的低刻蚀速率材料为注入掩膜，且低刻蚀速率材料的厚度大于1.5微米。

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