CN114497181A - 一种功率器件的体内复合终端结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功率器件的体内复合终端结构及制备方法，该复合终端结构包括：第一电极、衬底区、外延区、复合终端结构、氧化层和第二电极，第一电极、衬底区和外延区依次层叠；复合终端结构埋设于外延区中且位于终端区中；复合终端结构包括第一子终端和若干第二子终端，第一子终端靠近有源区的一端与有源区相接触，若干第二子终端间隔分布在第一子终端表层中，且靠近有源区的第二子终端与有源区相接触；氧化层位于外延区上且位于复合终端结构的上方；第二电极位于外延区上且位于有源区中，第二电极与氧化层相邻。该结构中复合终端结构埋设在外延区中，其不易受到表面钝化层内部电荷的影响，降低了器件界面电荷对复合终端结构耐压特性的影响。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种功率器件的体内复合终端结构及制备方法。
背景技术
碳化硅(SiC)作为新一代的宽禁带半导体材料，在功率半导体领域具有极其优异的性能表现，是功率半导体器件发展的前沿和未来方向。SiC是一种由硅(Si)和碳(C)构成的化合物半导体材料，具有优越的电学性能，包括宽禁带(2.3～3.3eV)，是Si的3倍；高击穿场强(0.8E16～3E16V/cm)，是Si的10倍；高饱和漂移速度(2E7cm/s)，是Si的2.7倍；以及高热导率(4.9W/cm K)，约是Si的3.2倍。这些特性使碳化硅材料有禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、饱和速度大、最大工作温度高等优良特性，这些优良的性质，使碳化硅电子器件可以在高电压、高发热量、高频率的环境下工作，故而碳化硅被认为是制作高功率电子器的最佳材料，与砷化镓、硅相比，碳化硅在高压、高温方面有压倒性的优良性质。
对于功率器件，在通常的芯片划片之后，位于芯片边缘的侧面与底部等电位，如果在最边缘区域如果不加任何动作，最边缘区域就需在横向承担很高的电压。因此，通常将芯片的最侧面延长，形成终端保护区，以降低表面电场强度，防止器件的边缘击穿。
目前常见的SiC功率器件终端结构采用表面终端结构。然而，表面终端结构耐压性能易受到表面电荷的影响，造成器件承压稳定性下降。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种功率器件的体内复合终端结构及制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种功率器件的体内复合终端结构，包括：第一电极、衬底区、外延区、复合终端结构、氧化层和第二电极，其中，
所述第一电极、所述衬底区和所述外延区依次层叠；
所述复合终端结构埋设于所述外延区中且位于终端区中，靠近有源区一侧的所述复合终端结构与所述有源区相接触；所述复合终端结构包括第一子终端和若干第二子终端，所述第一子终端靠近所述有源区的一端与所述有源区相接触，若干第二子终端间隔分布在所述第一子终端表层中，且靠近有源区的所述第二子终端与所述有源区相接触；
所述氧化层位于所述外延区上且位于所述复合终端结构的上方；
所述第二电极位于所述外延区上且位于所述有源区中，所述第二电极与所述氧化层相邻。
在本发明的一个实施例中，所述衬底区的材料包括第一N型SiC，掺杂浓度为1e18cm-3～1e20cm-3，厚度为50μm～400μm；
所述外延区的材料包括第二N型SiC，掺杂浓度为1×1014cm-3～5×1016cm-3，厚度为5μm～200μm。
在本发明的一个实施例中，所述第一子终端的掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1018cm-3，长度5μm～800μm，厚度0.5μm～1.5μm，其顶部与所述外延区顶部之间的距离为0.5μm～5μm。
在本发明的一个实施例中，所述第二子终端的掺杂浓度大于所述第一子终端的掺杂浓度。
在本发明的一个实施例中，每个所述第二子终端的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1020cm-3，宽度为2μm～5μm，厚度为0.5μm～1.2μm；相邻所述第二子终端之间的距离为1μm～5μm，远离所述有源区的所述第二子终端尾部与所述第一子终端尾部之间的距离为10μm～400μm。
在本发明的一个实施例中，所述第二子终端的数量为10～200。
在本发明的一个实施例中，所述第一子终端为结终端扩展终端结构，所述第二子终端包括场限环终端。
本发明的另一个实施例提供了一种功率器件的体内复合终端结构的制备方法，包括步骤：
S1、在衬底区表面外延生长第一外延区；
S2、在所述第一外延区的表层中制备第一子终端，使得所述第一子终端靠近有源区的一端与所述有源区相接触；
S3、在所述第一子终端的表层中制备第二子终端，使得所述第二子终端间隔分布在所述第一子终端表层中，且靠近有源区一侧的所述第二子终端与所述有源区相接触；
S4、在所述第一外延区的表面、所述第一子终端的表面和所述第二子终端的表面外延生长第二外延区，形成外延区，其中，所述第二外延区的材料与所述第一外延区的材料相同；
S5、在所述外延区表面制备氧化层，使得所述氧化层位于所述复合终端结构的上方；
S6、在所述衬底区的背面淀积金属层，形成第一电极；
S7、在所述外延区的表面淀积金属层，形成位于所述有源区中且与所述氧化层相邻的第二电极。
在本发明的一个实施例中，步骤S2包括：
在所述第一外延区的表层进行离子注入，注入离子包括Al，注入能量范围为10keV～800keV，形成掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1018cm-3的所述第一子终端。
在本发明的一个实施例中，步骤S3包括：
在所述第一子终端的表层进行离子注入，注入离子包括Al，注入能量范围为10keV～800keV，形成掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1020cm-3的所述第二子终端。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的终端结构中，将复合终端结构埋设在外延区中，使得复合终端结构在空间上远离器件表面，不易受到表面钝化层内部电荷的影响，降低了器件界面电荷对复合终端结构耐压特性的影响，使得功率器件具有更好的抗电荷特性和更好的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种功率器件的体内复合终端结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的功率器件的体内复合终端结构的制备方法的流程示意图；
图3a-图3g为本发明实施例提供的一种功率器件的体内复合终端结构的制备方法的过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种功率器件的体内复合终端结构的结构示意图，该功率器件的体内复合终端结构包括第一电极1、衬底区2、外延区3、复合终端结构4、氧化层5和第二电极6。
具体的，第一电极1、衬底区2和外延区3依次层叠。外延区3的一部分位于有源区中，另一部分位于与有源区相邻的终端区中。复合终端结构4埋设于外延区3中且位于终端区中，复合终端结构4靠近有源区的一端与有源区相接触。氧化层5位于外延区3上且位于若干终端结构4的上方。第二电极6位于外延区3上且位于有源区中，第二电极6与氧化层5相邻。
上述结构中，第二电极6所在的一侧区域为有源区，复合终端结构4所在的一侧区域为终端区，有源区和终端区相邻，从而外延区3的一部分位于有源区中，另一部分位于终端区中；而由于氧化层5位于复合终端结构4的上方，因此氧化层5位于终端区中。
进一步的，在位于有源区中的外延区3中还设置有多个源区结构(图中未示出)，源区结构可以为JBS结构、MOSFET结构、PiN等结构，可以位于外延区3的表面，也可以位于外延区3的内部。由于复合终端结构4中靠近有源区的子终端与有源区相接触，因此，复合终端结构4可以与源区结构交叠，也可以与源区结构连接，以实现复合终端结构4延展器件源区边缘处耗尽层的目的。
具体的，第一电极1为欧姆接触电极，其材料包括Ni、Ti、Al、Ag、Au等中的一种或多种。衬底区2的材料包括第一N型SiC，掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3，厚度为50μm～400μm。外延区3的材料包括第二N型SiC，掺杂浓度为1×1014cm-3～5×1016cm-3，厚度为5μm～200μm。可以理解的是，衬底区2的材料为N+SiC，外延区3的材料为N-SiC。复合终端结构4的材料包括P型SiC，与N-外延区3形成pn结。氧化层5的材料可以为SiO2，也可以为高k材料，例如Al2O3。根据不同类型的功率器件，第二电极6可以为欧姆接触电极，也可以为肖特基接触电极，其材料包括Ni、Ti、Al、Ag、Au等中的一种或多种。
在一个具体实施例中，复合终端结构4包括第一子终端41和若干第二子终端42，第一子终端41靠近有源区的一端与有源区相接触，若干第二子终端42间隔分布在第一子终端41表层中，且靠近有源区的第二子终端42与有源区相接触。
由于复合终端结构4与源区结构存在交叠或者连接，因此，第一子终端41的端部和第二子终端42的端部与源区结构存在交叠或者连接，以达到延展器件源区边缘耗尽层的目的。
具体的，第一子终端41的掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1018cm-3，长度5μm～800μm，厚度0.5μm～1.5μm，其顶部与外延区3顶部之间的距离为0.5μm～5μm。
每个第二子终端42的掺杂浓度大于第一子终端41的掺杂浓度。具体的，第二子终端42的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1020cm-3，宽度为2μm～5μm，厚度为0.5μm～1.2μm，其顶部与外延区3顶部之间的距离为0.5μm～5μm。进一步的，相邻第二子终端42之间的距离为1μm～5μm；远离有源区的第二子终端42尾部与第一子终端尾部之间相距有一定距离，该距离为10μm～400μm。
本实施例中，第一子终端顶部与外延区顶部之间的距离、第二子终端顶部与外延区顶部之间的距离均为0.5μm～5μm，在该距离下，可忽略氧化层电荷对终端的影响。
具体的，第二子终端42的数量为10～200，多个第二子终端42可以等间距分布，也可以非等间距分布，本实施例不做进一步限制。
在一个具体实施例中，第一子终端41可以为结终端扩展(JunctionTerminationExtension，JTE)终端，第二子终端42可以为场限环终端(FLRs)，从而，复合终端结构形成复合FLRs-JTE终端结构。但是，第一子终端和第二子终端的类型并不限于此，只要能实现延展器件源区边缘处耗尽层的目的且位于外延区3体内的子终端结构均可。
上述功率器件的体内复合终端结构在工作时，当其检测承受高偏置电压时，体内复合终端结构会延展器件源区边缘处的耗尽层，降低源区边缘的电场集中效应，提升器件的耐压能力，由于FLRS终端可以有效调制JTE结构内部的峰值电场及耗尽状态，体内复合FLRs-JTE终端结构可有效扩展传统JTE掺杂剂量窗口，提升了工艺容限。与此同时，由于器件终端位于体内，终端不易受到表面钝化层内部电荷的影响，因此相比于传统平面终端结构，具有更好的抗电荷特性，具有更好的稳定性。
综上，本实施例将复合终端结构埋设在外延区中，使得复合终端结构在空间上远离器件表面，降低了器件界面电荷对复合终端结构耐压特性的影响，使得功率器件具有更好的抗电荷特性和更好的稳定性。
实施例二
在实施例一的基础上，请参见图2和图3a-图3g，图2为本发明实施例提供的一种功率器件的体内复合终端结构的制备方法的流程示意图，图3a-图3g为本发明实施例提供的一种功率器件的体内复合终端结构的制备方法的过程示意图，该制备方法包括步骤：
S1、在衬底区2表面外延生长第一外延区31，请参见图3a。
具体的，在N+SiC衬底区2表面通过化学气相沉积方法(ChemicalVaporDeposition，CVD)生长第一外延区31，第一外延区31的材料为N-SiC，生长温度为1600℃～1900℃。
S2、在第一外延区31的表层中制备第一子终端41，使得第一子终端41靠近有源区的一端与有源区相接触，请参见图3b。
具体的，在第一外延区31的表层进行离子注入，注入离子包括Al，注入能量范围为10keV～800keV，形成掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1018cm-3的第一子终端41。所制备的第一子终端41包括但不限于JTE终端结构。
S3、在第一子终端41的表层中制备第二子终端42，使得第二子终端42间隔分布在第一子终端41表层中，且靠近有源区一侧的第二子终端42与有源区相接触，请参见图3c。
具体的，在第一子终端41的表层进行离子注入，注入离子包括Al，注入能量范围为10keV～800keV，形成掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1020cm-3的第二子终端42。所制备的第二子终端42包括但不限于FLRs终端结构。
S4、在第一外延区31的表面、第一子终端41的表面和第二子终端42的表面外延生长第二外延区32，形成外延区3，其中，第二外延区32的材料与第一外延区31的材料相同，请参见图3d。
具体的，在第一外延区31、第一子终端41和第二子终端42的表面通过CVD方法再次外延生长第二外延区32，生长温度为1600℃～1900℃，第二外延区32与第一外延区31共同形成外延区3。其中，第二外延区32的材料可以与第一外延区31的材料相同，为N-SiC。
S5、在外延区3表面制备氧化层5，使得氧化层5位于复合终端结构4的上方，请参见图3e。
具体的，在外延区3表面通过热氧化工艺形成氧化层5，氧化温度为1100℃～1400℃。
S6、在衬底区2的背面淀积金属层，形成第一电极1，请参见图3f。
具体的，在衬底区2的背面淀积金属层，通过退火工艺形成第一电极1，第一电极1的材料可以为Ti，Ni等，退火温度为400℃～1000℃。
S7、在外延区3的表面淀积金属层，形成位于有源区中且与氧化层5相邻的第二电极6，请参见图3g。
具体的，在外延区3的表面电极金属层，通过退火工艺形成第二电极6，第一电极6的材料可以为Ti，Ni等，退火温度为400℃～1000℃。
本实施例的制备方法先生长第一外延区，再进行两次离子注入依次形成第一子终端和第二子终端，之后再生长第二外延区，使得复合终端结构埋设在外延区中，从而复合终端结构在空间上远离器件表面，不易受到表面钝化层内部电荷的影响，降低了器件界面电荷对复合终端结构耐压特性的影响，使得功率器件具有更好的抗电荷特性和更好的稳定性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种功率器件的体内复合终端结构，其特征在于，包括：第一电极(1)、衬底区(2)、外延区(3)、复合终端结构(4)、氧化层(5)和第二电极(6)，其中，
所述第一电极(1)、所述衬底区(2)和所述外延区(3)依次层叠；
所述复合终端结构(4)埋设于所述外延区(3)中且位于终端区中，靠近有源区一侧的所述复合终端结构(4)与所述有源区相接触；所述复合终端结构(4)包括第一子终端(41)和若干第二子终端(42)，所述第一子终端(41)靠近所述有源区的一端与所述有源区相接触，若干第二子终端(42)间隔分布在所述第一子终端(41)表层中，且靠近有源区的所述第二子终端(42)与所述有源区相接触；
所述氧化层(5)位于所述外延区(3)上且位于所述复合终端结构(4)的上方；
所述第二电极(6)位于所述外延区(3)上且位于所述有源区中，所述第二电极(6)与所述氧化层(5)相邻。
2.根据权利要求1所述的功率器件的体内复合终端结构，其特征在于，所述衬底区(2)的材料包括第一N型SiC，掺杂浓度为1×1018cm-3～1×1020cm-3，厚度为50μm～400μm；
所述外延区(3)的材料包括第二N型SiC，掺杂浓度为1×1014cm-3～5×1016cm-3，厚度为5μm～200μm。
3.根据权利要求1所述的功率器件的体内复合终端结构，其特征在于，所述第一子终端(41)的掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1018cm-3，长度5μm～800μm，厚度0.5μm～1.5μm，其顶部与所述外延区(3)顶部之间的距离为0.5μm～5μm。
4.根据权利要求1所述的功率器件的体内复合终端结构，其特征在于，所述第二子终端(42)的掺杂浓度大于所述第一子终端(41)的掺杂浓度。
5.根据权利要求1所述的功率器件的体内复合终端结构，其特征在于，每个所述第二子终端(42)的掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1020cm-3，宽度为2μm～5μm，厚度为0.5μm～1.2μm；相邻所述第二子终端(42)之间的距离为1μm～5μm，远离所述有源区的所述第二子终端(42)尾部与所述第一子终端(41)尾部之间的距离为10μm～400μm。
6.根据权利要求1所述的功率器件的体内复合终端结构，其特征在于，所述第二子终端(42)的数量为10～200。
7.根据权利要求1所述的功率器件的体内复合终端结构，其特征在于，所述第一子终端(41)为结终端扩展终端结构，所述第二子终端(42)包括场限环终端。
8.一种功率器件的体内复合终端结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1、在衬底区(2)表面外延生长第一外延区(31)；
S2、在所述第一外延区(31)的表层中制备第一子终端(41)，使得所述第一子终端(41)靠近有源区的一端与所述有源区相接触；
S3、在所述第一子终端(41)的表层中制备第二子终端(42)，使得所述第二子终端(42)间隔分布在所述第一子终端(41)表层中，且靠近有源区一侧的所述第二子终端(42)与所述有源区相接触；
S4、在所述第一外延区(31)的表面、所述第一子终端(41)的表面和所述第二子终端(42)的表面外延生长第二外延区(32)，形成外延区(3)，其中，所述第二外延区(32)的材料与所述第一外延区(31)的材料相同；
S5、在所述外延区(3)表面制备氧化层(5)，使得所述氧化层(5)位于所述复合终端结构(4)的上方；
S6、在所述衬底区(2)的背面淀积金属层，形成第一电极(1)；
S7、在所述外延区(3)的表面淀积金属层，形成位于所述有源区中且与所述氧化层(5)相邻的第二电极(6)。
9.根据权利要求8所述的功率器件的体内复合终端结构的制备方法，其特征在于，步骤S2包括：
在所述第一外延区(31)的表层进行离子注入，注入离子包括Al，注入能量范围为10keV～800keV，形成掺杂浓度为5×1016cm-3～1×1018cm-3的所述第一子终端(41)。
10.根据权利要求8所述的功率器件的体内复合终端结构的制备方法，其特征在于，步骤S3包括：
在所述第一子终端(41)的表层进行离子注入，注入离子包括Al，注入能量范围为10keV～800keV，形成掺杂浓度为1×1017cm-3～1×1020cm-3的所述第二子终端(42)。
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