CN116779445A - 一种碳化硅场效应晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种碳化硅场效应晶体管及其制备方法，涉及半导体技术领域。本发明更深的PWELL体区（也可叫PWELL掺杂区）增大了PWELL与N‑漂移区之间的横向电场对肖特基结的电场屏蔽效应，减小了肖特基结的电场从而降低了漏电。肖特基结漏电变小，在经历UIS工况时，分流一部分的电流从PWELL体区流向外部电极，从而减小了局部的电流密度和功耗，降低了器件的发热进而增大了器件UIS能力和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种碳化硅场效应晶体管及其制备方法。
背景技术
第三代半导体材料碳化硅(SiC)因其禁带宽度大、热稳定性强、热导率高、抗辐射能力强等优点，常被用在功率系统中，例如新能源汽车、光伏发电、高铁、城市轨道交通等。SiC MOSFET器件作为电力系统中的开关，更是被广泛应用在各种电力电子系统中。
为了节约生产成本，常常将SiC MOSFET器件里寄生的体二极管作为电力电子系统中的续流二极管，体二极管的双极导通效应会使得其反向恢复时产生较大的反向恢复峰值电荷以及电压和电流的震荡，这会导致开关损耗变高、晶体管误开通、电磁干扰等问题。有研究者提出在SiC MOSFET芯片里集成一个结势垒肖特基二极管JBS(Junction BarrierSchottky Diode),这种方法虽然解决了双极导通带来的各种问题，但是由于肖特基结的特性使得器件的漏电变大，抗UIS能力变差以及可靠性的问题。因此如何在集成JBS的SiCMOSFET芯片里降低漏电，增强UIS能力和可靠性是一个重要的问题。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种降低漏电，增强UIS能力和可靠性的一种碳化硅场效应晶体管及其制备方法。
本发明的技术方案是：一种碳化硅场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
步骤100，制备器件漂移区；
步骤200，PWELL体区制备
S210，在轻掺杂的外延层N-上淀积二氧化硅层和多晶硅层，通过刻蚀工艺刻掉不需要的二氧化硅层和多晶硅层，剩下的作为硬掩膜；
S220，,寻找的晶向，进行离子注入，形成2um的PWELL体区；
步骤300，NN区域、PP区域制备
S310，在晶圆表面上淀积一层二氧化硅层,再刻蚀二氧化硅层形成侧墙；
S320，PWELL体区顶部，通过光刻胶遮挡待注入PP区域，为遮挡区域通过氮离子注入形成NN区域；
S330，利用光刻胶遮挡NN区域顶面，去除待注入PP区域顶面的光刻胶，通过光刻、显影、离子注入铝元素形成PP区域；
S340，在晶圆表面上溅射一层碳膜，并在高温下进行退火处理，激活所有注入的离子；
步骤400，制备作为栅氧的二氧化硅层
S410，去掉晶圆表面上的碳膜后，湿氧生长第一二氧化硅层,再去掉第一二氧化硅层，用来改善晶圆表面的粗糙度；
S420，在1300°C高温下干氧生长50nm的第二二氧化硅层作为栅氧；
S430，生长完栅氧后降温到1200°C通入一氧化氮和氮气进行表面钝化处理；
步骤500，在第二二氧化硅层上制备饱和掺杂的第一多晶硅层；
步骤600，晶圆蒸发镍金属形成，正面形成肖特基接触和欧姆接触，背面形成欧姆接触。
具体的，步骤S100中的制备方法为：
在1E19/cm3重掺杂的N型外延衬底N+上生长一层1E16/cm3轻掺杂的N型外延层N-，作为器件的漂移区。
具体的，步骤S500的制备方法为：
在第二二氧化硅层上淀积一层第一多晶硅层，对第一多晶硅注入磷离子进行饱和掺杂，再通过光刻、显影、刻蚀等工艺刻蚀掉多余的第一多晶硅。
具体的，步骤S600的制备方法为：
在饱和掺杂的多晶硅层上淀积一层层间介质，再通过光刻、显影、刻蚀等工艺刻蚀掉多余的ILD，然后在晶圆正面蒸发镍金属，通过快速热处理退火形成肖特基接触和欧姆接触；在背面用同样的工艺形成欧姆接触。
具体的，步骤S340中，碳膜在高温下1800°C进行退火处理。
具体的，步骤S410中去掉晶圆表面上的碳膜后，湿氧生长30nm的第一二氧化硅层。
一种碳化硅场效应晶体管，包括从下而上依次连接的N型外延衬底N+、N型外延层N-、第二二氧化硅层和多晶硅层；
所述N型外延层N-设有从顶面向下延伸的PWELL体区，所述PWELL体区的深度大于1um；所述PWELL体区设有从顶面向下延伸的NN区域和PP区域；
所述第二二氧化硅层和多晶硅层位于N型外延层N-的中部，外侧通过层间介质包裹；
所述N型外延层N-的顶面设有与层间介质连接的镍金属，所述镍金属与PP区域连接。
所述NN区域的深度小于PP区域的深度。
本发明有益效果：
一般量产的sicmos没有肖特基结，研究人员为了降低sicmos的双极导通效应的缺点，额外引入了肖特基结，一般称为JMOS。但是肖特基结漏电对电场大小敏感，漏电很大，同时在UIS空旷时容易过热而损坏器件，JMOS漏电大的问题研究人员还没有解决。
本案更深的PWELL体区（也可叫PWELL掺杂区）增大了PWELL与N-漂移区之间的横向电场对肖特基结的电场屏蔽效应，减小了肖特基结的电场从而降低了漏电。肖特基结漏电变小，在经历UIS工况时，分流一部分的电流从PWELL体区流向外部电极，从而减小了局部的电流密度和功耗，降低了器件的发热进而增大了器件UIS能力和可靠性。
附图说明
图1是本发明步骤100的结构示意图，
图2是本发明步骤200的结构示意图，
图3是本发明步骤S310的结构示意图，
图4是本发明步骤S330的结构示意图，
图5是本发明步骤S340的结构示意图，
图6是本发明步骤S430的结构示意图，
图7是本发明步骤500的结构示意图，
图8是本发明步骤600的结构示意图，
图9是IDSS随VDS的变化关系曲线；
图中100是硬掩膜，200是侧墙，300是碳膜，400是第二二氧化硅层，500是第一多晶硅，600是层间介质，700是镍金属。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。
本发明如图1-9所示；
一种碳化硅场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：
步骤100，漂移区制备
在1E19/cm3重掺杂的N型外延衬底N+上生长一层1E16/cm3轻掺杂的N型外延层N-，作为器件的漂移区；参照图1所示；
步骤200，PWELL体区制备
S210，在轻掺杂的外延层N-上淀积二氧化硅（SiO2）层和多晶硅（PolySi）层，通过刻蚀工艺刻掉不需要的二氧化硅层和多晶硅层，剩下的作为硬掩膜（100）；
S220，,寻找的晶向，进行中低能Channeling离子注入或者用1000keV高能离子注入机注入，形成2um的PWELL体区（图中pw区域）；参照图2所示；
步骤300，NN区域、PP区域制备
S310，在晶圆表面上淀积一层二氧化硅层,再刻蚀二氧化硅层形成侧墙（Spacer）200；参照图3所示；
S320，PWELL体区顶部，通过光刻胶遮挡待注入PP区域，为遮挡区域通过氮离子注入形成NN区域；
S330，利用光刻胶遮挡NN区域顶面，去除待注入PP区域顶面的光刻胶，通过光刻、显影、离子注入铝元素形成PP区域； 参照图4所示；
S340，在晶圆表面上溅射一层碳膜300，并在高温下1800°C进行退火处理，激活所有注入的离子；参照图5所示；
步骤400，制备作为栅氧的二氧化硅层
S410，去掉晶圆表面上的碳膜300后，湿氧生长30nm的第一二氧化硅层,再去掉30nm的第一二氧化硅层，用来改善晶圆表面的粗糙度；经过改善后的粗糙度为1nm，较低的粗糙度能带来高的载流子迁移率，降低器件的特征电阻。前面的离子注入的过程会对晶格有损伤，损伤的深度约为30nm,去除30nm就是把损伤部分的晶格去掉。
S420，在1300°C高温下干氧生长50nm的第二二氧化硅层400作为栅氧；
S430，生长完栅氧后降温到1200°C通入一氧化氮NO和氮气N2进行表面钝化处理；参照图6所示；
步骤500，制备饱和掺杂的多晶硅层
在第二氧化硅层400上淀积一层第一多晶硅层500，对第一多晶硅500注入磷离子进行饱和掺杂，再通过光刻、显影、刻蚀等工艺刻蚀掉多余的多晶硅500；参照图7所示；
步骤600，形成肖特基接触和欧姆接触
在饱和掺杂的第一多晶硅层500上淀积一层层间介质（ILD）600，再通过光刻、显影、刻蚀等工艺刻蚀掉多余的ILD，然后在晶圆正面蒸发镍金属700，通过快速热处理退火形成肖特基接触和欧姆接触；在背面用同样的工艺形成欧姆接触参照图8所示。
一种碳化硅场效应晶体管，包括从下而上依次连接的N型外延衬底N+、N型外延层N-、第二二氧化硅层400和多晶硅层500；
所述N型外延层N-设有从顶面向下延伸的PWELL体区，所述PWELL体区的深度大于1um；所述PWELL体区设有从顶面向下延伸的NN区域和PP区域；
所述第二二氧化硅层400和多晶硅层500位于N型外延层N-的中部，外侧通过层间介质600包裹；
所述N型外延层N-的顶面设有与层间介质600连接的镍金属700，所述镍金属700与PP区域连接。
所述NN区域的深度小于PP区域的深度。
改进后的碳化硅场效应晶体管，与现有技术产品进行测试比对，如下表1所示：
从表1和图9可以知道，专利提出的新结构显著减小了器件的漏电流，从而也提升抗UIS能力和可靠性。
对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：
（1）、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；
（2）、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；
以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本案所公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种碳化硅场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤100，制备器件漂移区；
步骤200，PWELL体区制备
S210，在轻掺杂的外延层N-上淀积二氧化硅层和多晶硅层，通过刻蚀工艺刻掉不需要的二氧化硅层和多晶硅层，剩下的作为硬掩膜（100）；
S220，,寻找的晶向，进行离子注入，形成2um的PWELL体区；
步骤300，NN区域、PP区域制备
S310，在晶圆表面上淀积一层二氧化硅层,再刻蚀二氧化硅层形成侧墙（200）；
S320，PWELL体区顶部，通过光刻胶遮挡待注入PP区域，为遮挡区域通过氮离子注入形成NN区域；
S330，利用光刻胶遮挡NN区域顶面，去除待注入PP区域顶面的光刻胶，通过光刻、显影、离子注入铝元素形成PP区域；
S340，在晶圆表面上溅射一层碳膜（300），并在高温下进行退火处理，激活所有注入的离子；
步骤400，制备作为栅氧的二氧化硅层
S410，去掉晶圆表面上的碳膜（300）后，湿氧生长第一二氧化硅层,再去掉第一二氧化硅层，用来改善晶圆表面的粗糙度；
S420，在1300°C高温下干氧生长50nm的第二二氧化硅层（400）作为栅氧；
S430，生长完栅氧后降温到1200°C通入一氧化氮和氮气进行表面钝化处理；
步骤500，在第二二氧化硅层上制备饱和掺杂的第一多晶硅层；
步骤600，晶圆蒸发镍金属（700）形成，正面形成肖特基接触和欧姆接触，背面形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述一种碳化硅场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S100中的制备方法为：
在1E19/cm3重掺杂的N型外延衬底N+上生长一层1E16/cm3轻掺杂的N型外延层N-，作为器件的漂移区。
3.根据权利要求1所述一种碳化硅场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S500的制备方法为：
在第二二氧化硅层（400）上淀积一层第一多晶硅层（500），对第一多晶硅（500）注入磷离子进行饱和掺杂，再通过光刻、显影、刻蚀等工艺刻蚀掉多余的第一多晶硅（500）。
4.根据权利要求1所述一种碳化硅场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S600的制备方法为：
在饱和掺杂的多晶硅层（500）上淀积一层层间介质（600），再通过光刻、显影、刻蚀等工艺刻蚀掉多余的ILD，然后在晶圆正面蒸发镍金属（700），通过快速热处理退火形成肖特基接触和欧姆接触；在背面用同样的工艺形成欧姆接触。
5.根据权利要求1所述一种碳化硅场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S340中，碳膜（300）在高温下1800°C进行退火处理。
6.根据权利要求1所述一种碳化硅场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤S410中去掉晶圆表面上的碳膜（300）后，湿氧生长30nm的第一二氧化硅层。
7.一种如权利要求1所述的碳化硅场效应晶体管的制备方法制备的碳化硅场效应晶体管，其特征在于，包括从下而上依次连接的N型外延衬底N+、N型外延层N-、第二二氧化硅层（400）和多晶硅层（500）；
所述N型外延层N-设有从顶面向下延伸的PWELL体区，所述PWELL体区的深度大于1um；所述PWELL体区设有从顶面向下延伸的NN区域和PP区域；
所述第二二氧化硅层（400）和多晶硅层（500）位于N型外延层N-的中部，外侧通过层间介质（600）包裹；
所述N型外延层N-的顶面设有与层间介质（600）连接的镍金属（700），所述镍金属（700）与PP区域连接。
8.根据权利要求1所述的一种碳化硅场效应晶体管，其特征在于，所述NN区域的深度小于PP区域的深度。
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| CN202310873160.6A CN116779445A (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 一种碳化硅场效应晶体管及其制备方法 |
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