CN115377200A - 一种半导体器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体器件及其制备方法，本发明刻蚀的沟槽结构使得导电沟道位于沟槽的侧壁之上，元胞尺寸取决于SiC刻蚀精细程度，不受沟道长度、栅‑源隔离和JFET区宽度的限制，可实现元胞尺寸减小、沟道密度提高、导通电阻下降的有益效果，并且本发明的基区位于沟槽之下，具有屏蔽强电场，保护栅氧介质的有益效果，且不增加源区到漏区的导通电阻。

Description

一种半导体器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种半导体器件及其制备方法，具体涉及一种SiC MOSFET器件及其制备方法，属于半导体功率器件制备技术领域。
背景技术
SiC MOSFET作为一种重要的开关型功率器件，兼备了硅MOSFET的高频开关特性及硅IGBT的高电压阻断和低导通损耗能力，且易于驱动控制，是SiC功率器件领域内研究的重点。
SiC MOSFET器件技术不断推陈出新，据报导目前阻断电压超过10kV，单芯片通流能力超过200A。在器件结构上已经发展出了平面栅、沟槽栅等传统硅功率器件的关键技术；其中，平面栅技术的大部分结构都处于同一平面上，元胞尺寸受限，且导电沟道处于表面，沟道迁移率受限于现有工艺，沟道电阻降低的幅度有限；沟槽栅技术则需要单独对沟槽栅底部进行合适的电场屏蔽，以确保栅氧不会暴露在过强的电场下，难以兼顾强场屏蔽和低阻电流通路。
发明内容
本发明提供了一种半导体器件及其制备方法，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种半导体器件，包括SiC单晶衬底，SiC单晶衬底的背面设置有漏极金属电极，SiC单晶衬底正面外延有第一掺杂外延层，第一掺杂外延层的顶面外延有第二掺杂外延层，第二掺杂外延层的顶面两侧均注入有第二掺杂类型杂质，形成第二重掺杂基区，第二重掺杂基区延伸至第一掺杂外延层内，第二重掺杂基区的顶面和第二掺杂外延层的顶面构成注入面，注入面的部分区域注入有第一掺杂类型杂质，形成第一重掺杂源区，第一重掺杂源区的顶面和第二重掺杂基区的顶面构成刻蚀面，刻蚀面上刻蚀有沟槽，沟槽的两侧延伸至第二重掺杂基区内，沟槽的中部延伸至第一掺杂外延层内，沟槽的内壁上氧化有栅氧介质，沟槽内从上往下依次设置有栅极金属电极、栅-源隔离介质和多晶硅栅，刻蚀面上设置有源极金属电极。
SiC单晶衬底正面和第一掺杂外延层之间设置有第一掺杂缓冲层。
第一掺杂为N掺杂，第二掺杂为P掺杂。
第一掺杂为P掺杂，第二掺杂为N掺杂。
所有沟槽相互平行，沟槽横穿刻蚀面，沟槽与所述半导体器件的纵向线垂直或有一定夹角。
多晶硅栅覆盖整个沟槽槽底和槽壁、或者部分覆盖沟槽槽底和槽壁。
一种半导体器件的制备方法，包括：
准备SiC单晶衬底，在SiC单晶衬底正面外延形成第一掺杂外延层；
在第一掺杂外延层上，外延形成第二掺杂外延层；
在第二掺杂外延层上形成掩蔽层，图形化去除掩蔽层两侧部分，离子注入第二掺杂类型杂质，形成第二重掺杂基区，去除剩余掩蔽层；
在第二重掺杂基区的顶面和第二掺杂外延层的顶面形成掩蔽层，图形化去除部分区域的掩蔽层，离子注入第一掺杂类型杂质，形成第一重掺杂源区，去除剩余掩蔽层；
退火，以激活注入的掺杂杂质；
在第一重掺杂源区的顶面和第二重掺杂基区的顶面形成掩蔽层，并刻蚀形成沟槽；
牺牲氧化，在沟槽的内壁形成栅氧介质；
淀积掺杂多晶硅填充沟槽，图形化形成多晶硅栅；
淀积栅-源隔离介质，并图形化形成接触孔；
淀积金属，退火形成源极接触，图形化形成栅极金属电极和源极金属电极；
制作SiC单晶衬底背面漏电极，并退火形成漏极金属电极；
制作正面钝化保护介质，并图形化形成栅极金属电极和源极金属电极接触窗口。
本发明所达到的有益效果：1、本发明刻蚀的沟槽结构使得导电沟道位于沟槽的侧壁之上，元胞尺寸取决于SiC刻蚀精细程度，不受沟道长度、栅-源隔离和JFET区宽度的限制，可实现元胞尺寸减小、沟道密度提高、导通电阻下降的有益效果，并且本发明的基区位于沟槽之下，具有屏蔽强电场，保护栅氧介质的有益效果，且不增加源区到漏区的导通电阻；2、本发明的沟槽方向可以与基区成一定的偏角，使得位于沟槽侧壁的导电沟道可以在特定偏角的晶向上，以取得更高的沟道迁移率，而不牺牲电压阻断能力。
附图说明
图1为本发明第一实例的俯视图；
图2为本发明第一实例的内部结构图；
图3为本发明第二实例的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1和2所示，一种半导体器件，包括SiC单晶衬底、漏极金属电极8、第一掺杂外延层1、第二掺杂外延层2、第二重掺杂基区4、第一重掺杂源区3、沟槽5、栅氧介质、栅极金属电极、栅-源隔离介质、多晶硅栅6和源极金属电极7。
SiC单晶衬底的背面设置漏极金属电极8，SiC单晶衬底的正面具有一定厚度的第一掺杂缓冲层，在第一掺杂缓冲层上外延，形成第一掺杂外延层1。
第一掺杂可以为N掺杂，那么相应的第二掺杂为P掺杂，当然第一掺杂也可以为P掺杂，那么相应的第二掺杂就为N掺杂，这里的实施例中以第一掺杂为N掺杂，第二掺杂为P掺杂为例，即上述第一掺杂缓冲层为N掺杂缓冲层，即N掺杂外延层（4H-SiC层），N掺杂外延层的厚度在2~200μm之间，掺杂浓度在1×1015cm-3~1×1017cm-3之间，N掺杂外延层的掺杂浓度小于N掺杂缓冲层的掺杂浓度。
在第一掺杂外延层1的顶面外延形成第二掺杂外延层2，即低掺杂浓度的P掺杂外延层（4H-SiC层），外延厚度在0.1~2μm之间，掺杂浓度在1×1016cm-3~1×1018cm-3之间。可选的，在此之前在第一掺杂外延层1的顶面外延一层高掺杂浓度外延层，即N型掺杂的4H-SiC层，掺杂浓度大于第一掺杂外延层1。
第二掺杂外延层2的顶面两侧均离子注入第二掺杂类型杂质，形成第二重掺杂基区4，即P+基区，P+基区延伸至第一掺杂外延层1内，第一掺杂外延层1内两侧的P+基区之间为JFET区。
定义第二重掺杂基区4的顶面和第二掺杂外延层2的顶面构成注入面，注入面的部分区域注入第一掺杂类型杂质，形成第一重掺杂源区3，即N+源区，N+源区整体呈n形。
定义第一重掺杂源区3的顶面和第二重掺杂基区4的顶面构成刻蚀面，刻蚀面上刻蚀若干沟槽5，所有沟槽5相互平行，沟槽5的两侧延伸至第二重掺杂基区4内，沟槽5的中部延伸至第一掺杂外延层1内，沟槽5横穿刻蚀面，沟槽5与所述半导体器件的纵向线垂直（见图1）或有一定夹角（见图3），存在偏角的结构，使得位于沟槽5侧壁的导电沟道（图2中箭头）可以在特定偏角的晶向上，以取得更高的沟道迁移率，而不牺牲电压阻断能力。
沟槽5的槽壁上制作有栅氧介质，沟槽5内从上往下依次设置有栅极金属电极、栅-源隔离介质和多晶硅栅6，多晶硅栅6覆盖整个沟槽5槽底和槽壁、或者部分覆盖沟槽5槽底和槽壁，刻蚀面上设置源极金属电极7。
上述器件的导电沟道位于沟槽5的侧壁之上，元胞尺寸取决于SiC刻蚀精细程度，不受沟道长度、栅-源隔离和JFET区宽度的限制，可实现元胞尺寸减小、沟道密度提高、导通电阻下降的有益效果，并且上述器件的基区位于沟槽5之下，具有屏蔽强电场，保护栅氧介质的有益效果，且不增加源区到漏区的导通电阻。
进一步，本发明还公开了上述器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，准备SiC单晶片，包括SiC单晶衬底，SiC单晶衬底的正面具有一定厚度的N掺杂缓冲层，在N掺杂缓冲层上外延形成具有一定厚度、更低掺杂浓度的N掺杂外延层。
步骤2，在N掺杂外延层上外延一层更高掺杂浓度外延层，然后再外延形成P掺杂外延层。
步骤3，在P掺杂外延层上形成掩蔽层，图形化去除掩蔽层两侧部分，离子注入P型掺杂杂质，形成P+基区，去除剩余掩蔽层；其中，掩蔽层可通过化学气相沉积或其他合适的方式制作，注入的温度可以在300℃~600℃，注入的掺杂杂质可以是铝、硼或其他合适的P型掺杂杂质。
步骤4，在P+基区的顶面和P掺杂外延层的顶面形成掩蔽层，图形化去除部分区域的掩蔽层，离子注入N型掺杂杂质，形成N+源区，去除剩余掩蔽层。
步骤5，退火，以激活注入的掺杂杂质；例如，通过在单晶片表面覆盖一层保护性碳膜，将SiC单晶片置于惰性保护气体中，在1500~2000℃温度下退火1~60min，随后去除保护性碳膜。
步骤6，N+源区的顶面和P+基区的顶面形成掩蔽层，并刻蚀形成沟槽5。
步骤7，牺牲氧化，在沟槽5的内壁上制作栅氧介质。
首先对刻蚀后的沟槽5进行牺牲氧化，例如，通过在1100℃~1500℃温度下氧化SiC晶片，随后去除氧化层，随后通过在1100℃~1500℃温度下氧化SiC晶片形成栅氧介质，栅氧介质的厚度可以是10nm~100nm，栅氧介质的形成也可以是其他方法。
步骤8，淀积掺杂多晶硅填充沟槽5，图形化形成多晶硅栅6。
在氧化后的SiC单晶片上通过合适的方法形成多晶硅层，例如化学气相沉积，并通过合适的方法图形化形成多晶硅栅6。可选的，图形化后对多晶硅进行氧化处理。
步骤9，淀积栅-源隔离介质，并图形化形成接触孔。
通过合适的方法在上表面形成隔离介质并图形化；隔离介质可以是氧化硅或其他合适的材料。
步骤10，淀积金属，退火形成源极接触，图形化形成栅极金属电极和源极金属电极7。
步骤11，制作SiC单晶衬底背面背面漏电极，并退火形成漏极金属电极8，例如在900℃~1100℃温度惰性气体保护下退火1~10min。
可以在形成漏电极之前对SiC单晶衬底进行减薄，并结合合适的方法形成欧姆接触，例如激光退火，可选的在退火完成后对金属电极进行加厚。
步骤12，制作正面钝化保护介质，并图形化形成栅极金属电极和源极金属电极7接触窗口；其中，钝化保护介质可以是氮化硅、氧化硅或其他合适的材料中的一种或多种复合。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种半导体器件，其特征在于，包括SiC单晶衬底，SiC单晶衬底的背面设置有漏极金属电极，SiC单晶衬底正面外延有第一掺杂外延层，第一掺杂外延层的顶面外延有第二掺杂外延层，第二掺杂外延层的顶面两侧均注入有第二掺杂类型杂质，形成第二重掺杂基区，第二重掺杂基区延伸至第一掺杂外延层内，第二重掺杂基区的顶面和第二掺杂外延层的顶面构成注入面，注入面的部分区域注入有第一掺杂类型杂质，形成第一重掺杂源区，第一重掺杂源区的顶面和第二重掺杂基区的顶面构成刻蚀面，刻蚀面上刻蚀有沟槽，沟槽的两侧延伸至第二重掺杂基区内，沟槽的中部延伸至第一掺杂外延层内，沟槽的内壁上氧化有栅氧介质，沟槽内从上往下依次设置有栅极金属电极、栅-源隔离介质和多晶硅栅，刻蚀面上设置有源极金属电极。
2.根据权利要求1所述的一种半导体器件，其特征在于，SiC单晶衬底正面和第一掺杂外延层之间设置有第一掺杂缓冲层。
3.根据权利要求1或2所述的一种半导体器件，其特征在于，第一掺杂为N掺杂，第二掺杂为P掺杂。
4.根据权利要求1或2所述的一种半导体器件，其特征在于，第一掺杂为P掺杂，第二掺杂为N掺杂。
5.根据权利要求1所述的一种半导体器件，其特征在于，所有沟槽相互平行，沟槽横穿刻蚀面，沟槽与所述半导体器件的纵向线垂直或有一定夹角。
6.根据权利要求1所述的一种半导体器件，其特征在于，多晶硅栅覆盖整个沟槽槽底和槽壁、或者部分覆盖沟槽槽底和槽壁。
7.基于权利要求1~6任意一项所述的一种半导体器件的制备方法，其特征在于，包括：
准备SiC单晶衬底，在SiC单晶衬底正面外延形成第一掺杂外延层；
在第一掺杂外延层上，外延形成第二掺杂外延层；
在第二掺杂外延层上形成掩蔽层，图形化去除掩蔽层两侧部分，离子注入第二掺杂类型杂质，形成第二重掺杂基区，去除剩余掩蔽层；
在第二重掺杂基区的顶面和第二掺杂外延层的顶面形成掩蔽层，图形化去除部分区域的掩蔽层，离子注入第一掺杂类型杂质，形成第一重掺杂源区，去除剩余掩蔽层；
退火，以激活注入的掺杂杂质；
在第一重掺杂源区的顶面和第二重掺杂基区的顶面形成掩蔽层，并刻蚀形成沟槽；
牺牲氧化，在沟槽的内壁形成栅氧介质；
淀积掺杂多晶硅填充沟槽，图形化形成多晶硅栅；
淀积栅-源隔离介质，并图形化形成接触孔；
淀积金属，退火形成源极接触，图形化形成栅极金属电极和源极金属电极；
制作SiC单晶衬底背面漏电极，并退火形成漏极金属电极；
制作正面钝化保护介质，并图形化形成栅极金属电极和源极金属电极接触窗口。
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