CN117613105A - 改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管及其制备方法，在二极管内部通过引入过渡区P沟道，增大少数载流子的抽取速度，降低耗尽区消失时间，降低过充电压，解决关断后再开启时的开启速度问题，使实现高频高耐压的碳化硅浮动结二极管成为可能，可以大大扩宽碳化硅浮动结器件在功率半导体器件领域的应用范围。除此之外，由于P沟道存在源区过渡区，对掺杂浓度准确性要求降低且要求的沟道数量更少，因此可以降低对器件静态性能的影响以及器件制备的工艺要求。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管及其制备方法。
背景技术
近年来，节能减排、低碳发展成为主流的发展模式。功率半导体器件是能量生成-储存-分配循环中的重要环节。通过提高半导体功率器件的性能成为一种可行的提高能源转换效率的方法。其中碳化硅功率半导体器件因为其高压阻断能力、高频开关特性、高温可工作的特点，有望成为下一代主流大功率器件，得到了半导体制造商和研究人员的广泛青睐。
目前已经出现了商用碳化硅器件，这些器件是替代硅功率器件的理想选择。但是由于碳化硅材料性质的原因，依然有部分成熟的硅功率器件无法使用碳化硅材料制备进行商用。其中碳化硅浮动结JBS二极管作为一种可以打破碳化硅一维极限的功率器件，吸引了业界研究人员的兴趣。
碳化硅浮动结二极管器件尽管可以打破碳化硅一维极限，并且相比碳化硅超级结器件具有更低的制造成本，但是由于浮动结在反向耐压下向漂移区大大展宽，当偏置电压从反向转为正向时，反向偏置下展宽的浮动结耗尽区由于缺乏沟道，少数载流子难以被快速抽取耗尽，浮动结器件的开关特性受到很大影响，难以应用于高频应用。可以通过在浮动结与阳极电极P区加入导电沟道来解决，但是现有的沟道方案会大大牺牲浮动结碳化硅二极管的反向耐压性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管，包括：碳化硅N型衬底，在所述碳化硅N型衬底上设置有终端区、浮动结、浮动结过渡区、终端区过渡区、P型掺杂区、过渡区P沟道和N型漂移区；
其中，所述浮动结过渡区和所述P型掺杂区在N型漂移区的中心区域，且上下相对设置；在所述P型掺杂区外围包裹有所述终端区过渡区；所述终端区过渡区外围包裹有终端区，在所述浮动结外围包裹有所述浮动结过渡区，所述过渡区P沟道设置在所述浮动结过渡区与所述终端区过渡区之间。
第二方面，本发明提供了一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备方法包括：
S100，选取碳化硅N型衬底；
S200，在所述碳化硅N型衬底表面通过CVD方法生长N型漂移区；
S300，在所述N型漂移区表面通过离子注入形成浮动结和浮动结过渡区；
S400，继续在所述碳化硅N型衬底表面通过CVD方法生长N型漂移区，以使所述浮动结和浮动结过渡区向中心区域移动；
S500，在所述N型漂移区表面形成位于所述浮动结过渡区上的过渡区P沟道；
S600，继续通过CVD方法生长N型漂移区，并重复S200-S500的步骤形成带有过渡区P沟道的碳化硅浮动结二极管的有源区；
S700，在带有过渡区P沟道的碳化硅浮动结二极管的有源区表面通过离子注入形成外围的终端区、位于所述过渡区P沟道上的终端区过渡区和位于中间区域的P型掺杂区，得到改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管。
有益效果：
本发明提供了一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管及其制备方法，所设计的带有过渡区P沟道的碳化硅浮动结二极管，与以往传统的碳化硅浮动结二极管相比，通过在器件内部引入过渡区P沟道，增大少数载流子的抽取速度，降低耗尽区消失时间，降低过充电压，解决关断后再开启时的开启速度问题，使实现高频高耐压的碳化硅浮动结二极管成为可能，这可以大大扩宽碳化硅浮动结器件在功率半导体器件领域的应用范围。除此之外，由于P沟道存在源区过渡区，对掺杂浓度准确性要求降低且沟道数量更少，因此可以降低对器件静态性能的影响以及器件制备的工艺要求，本发明还可以应用于很多碳化硅功率器件领域。
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明提供的改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的X轴线的剖面示意图；
图2是本发明提供的改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的Y轴线的剖面示意图；
图3是本发明提供的改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的器件平面俯视图；
图4是X轴线平面切片的剖面俯视图；
图5是本发明提供的一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备过程示意图；
图6是本发明提供的另一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备过程示意图；
图标：1-终端区；2-浮动结；3-浮动结过渡区；4-终端区过渡区；5-P型掺杂区；6-过渡区P沟道；7-N型漂移区。
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。
参考图1-图4，本发明提供了一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管包括：碳化硅N型衬底，在所述碳化硅N型衬底上设置有终端区1、浮动结2、浮动结过渡区3、终端区过渡区4、P型掺杂区5、过渡区P沟道6和N型漂移区7；
其中，所述浮动结过渡区3和所述P型掺杂区5在N型漂移区7的中心区域，且上下相对设置；在所述P型掺杂区5外围包裹有所述终端区过渡区4；所述终端区过渡区4外围包裹有终端区1，在所述浮动结2外围包裹有所述浮动结过渡区3，所述过渡区P沟道6设置在所述浮动结过渡区3与所述终端区过渡区4之间。
其中，所述过渡区P沟道6的宽度范围为5微米到5毫米。所述浮动结过渡区3和所述P型掺杂区5均包括多个等间隔的条形子区域，条形子区域之间间隔有N型漂移区7的部分区域。所述终端区1包括多个间隔设置的环形子区域，环形子区域之间间隔有N型漂移区7的部分区域。
本发明提供了一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管及其制备方法，在二极管内部通过引入过渡区P沟道，增大少数载流子的抽取速度，降低耗尽区消失时间，降低过充电压，解决关断后再开启时的开启速度问题，使实现高频高耐压的碳化硅浮动结二极管成为可能，可以大大扩宽碳化硅浮动结器件在功率半导体器件领域的应用范围。除此之外，由于P沟道存在源区过渡区，对掺杂浓度准确性要求降低且要求的沟道数量更少，因此可以降低对器件静态性能的影响以及器件制备的工艺要求。本发明还可以应用于很多碳化硅功率器件领域。
参考图5，图5为本发明的一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备方法的过程示意图，制备过程从a至g。本发明提供了一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备方法，包括：
S100，选取碳化硅N型衬底；所述碳化硅N型衬底的厚度为300 μm-700 μm。
本发明衬底选用碳化硅的理由为：首先，碳化硅衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，碳化硅的热导率较高，稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，碳化硅具有优良的物理化学性能，能够实现具有高性能的高功率电力电子器件。
S200，在所述碳化硅N型衬底表面通过CVD方法生长N型漂移区7；
值得说明的是，利用CVD方法的外延生长N型漂移区7，则N型漂移区7的质量较佳。
S300，在所述N型漂移区7表面通过离子注入形成浮动结2和浮动结过渡区3；
S400，继续在所述碳化硅N型衬底表面通过CVD方法生长N型漂移区7，以使所述浮动结2和浮动结过渡区3向中心区域移动；
S500，在N型漂移区7表面通过弹道注入形成位于所述浮动结过渡区3上的过渡区P沟道6；通过弹道注入的离子为Al，注入能量范围为10Kev-1000Kev，形成的过渡区P沟道6的掺杂浓度为1e15到1e18 cm-3，过渡区P沟道6的宽度范围为5微米到5毫米。
值得说明的是：相比常规的离子注入，弹道离子注入工艺会有更精准的注入深度，较低的能散失，较少的晶格损伤以及更高的注入效率。
S600，继续通过CVD方法生长N型漂移区7，并重复S200-S500的步骤形成带有过渡区P沟道的碳化硅浮动结二极管的有源区；
S700，在带有过渡区P沟道的碳化硅浮动结二极管的有源区表面通过离子注入形成外围的终端区1、位于所述过渡区P沟道6上的终端区过渡区4和位于中间区域的P型掺杂区5，得到改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管。
其中，所述N型漂移区7的生长温度为1600℃-1900℃。
本步骤按照标准工艺制备器件表面结构，即可得到改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管。
参考图6，图6为本发明的另一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备方法的过程示意图，制备过程从a至g。本发明提供了另一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备方法，包括：
S100，选取碳化硅N型衬底；所述碳化硅N型衬底的厚度为300 μm-700 μm。
本发明衬底选用碳化硅的理由为首先，碳化硅衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，碳化硅的热导率较高，稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，碳化硅具有优良的物理化学性能，能够实现具有高性能的高功率电力电子器件。
S200，在所述碳化硅N型衬底表面通过CVD方法生长N型漂移区7；
S300，在所述N型漂移区7表面通过离子注入形成浮动结2和浮动结过渡区3；
S400，继续在所述碳化硅N型衬底表面通过CVD方法生长N型漂移区7，以使所述浮动结2和浮动结过渡区3向中心区域移动；
S500，通过沟槽刻蚀技术形成终端区过渡区4到浮动结过渡区3的预设沟道；通过侧壁离子注入技术在预设沟道注入离子形成P离子区域；在所述P离子区域通过PI胶进行沟道回填，形成具有少数载流子抽取功能的过渡区P沟道6。
其中，通过侧壁离子注入技术在预设沟道内注入的离子为Al，注入能量范围为10Kev-1000Kev，形成的过渡区P沟道6的掺杂浓度为1e15到1e18 cm-3。过渡区P沟道6的宽度范围为5微米到5毫米。
值得说明的是：采用沟槽刻蚀技术来形成P沟道，有效的减少了制备过程中外延生长的次数，大大降低了制备难度，缩短了制备周期，降低了制备成本。
S600，继续通过CVD方法生长N型漂移区7，并重复S200-S500的步骤形成带有过渡区P沟道的碳化硅浮动结二极管的有源区；
S700，在带有过渡区P沟道的碳化硅浮动结二极管的有源区表面通过离子注入形成外围的终端区1、位于所述过渡区P沟道6上的终端区过渡区4和位于中间区域的P型掺杂区5。
其中，所述N型漂移区7的生长温度为1600℃-1900℃。
最后按照标准工艺制备器件表面结构即可得到改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管。
本发明提供了另一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备方法，在二极管内部通过引入过渡区P沟道，增大少数载流子的抽取速度，降低耗尽区消失时间，降低过充电压，解决关断后再开启时的开启速度问题，使实现高频高耐压的碳化硅浮动结二极管成为可能，可以大大扩宽碳化硅浮动结器件在功率半导体器件领域的应用范围。除此之外，由于P沟道存在源区过渡区，对掺杂浓度准确性要求降低且要求的沟道数量更少，因此可以降低对器件静态性能的影响以及器件制备的工艺要求。本发明还可以应用于很多碳化硅功率器件领域。
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)
1.一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管，其特征在于，包括：碳化硅N型衬底，在所述碳化硅N型衬底上设置有终端区（1）、浮动结（2）、浮动结过渡区（3）、终端区过渡区（4）、P型掺杂区（5）、过渡区P沟道（6）和N型漂移区（7）；
其中，所述浮动结过渡区（3）和所述P型掺杂区（5）在所述N型漂移区（7）的中心区域，且上下相对设置；在所述P型掺杂区（5）外围包裹有所述终端区过渡区（4）；所述终端区过渡区（4）外围包裹有所述终端区（1），在所述浮动结（2）外围包裹有所述浮动结过渡区（3），所述过渡区P沟道（6）设置在所述浮动结过渡区（3）与所述终端区过渡区（4）之间。
2.根据权利要求1所述的改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管，其特征在于，所述浮动结过渡区（3）和所述P型掺杂区（5）均包括多个等间隔的条形子区域，条形子区域之间间隔有N型漂移区（7）的部分区域。
3.根据权利要求1所述的改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管，其特征在于，所述终端区（1）包括多个间隔设置的环形子区域，环形子区域之间间隔有N型漂移区（7）的部分区域。
4.一种改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备方法，其特征在于，包括：
S100，选取碳化硅N型衬底；
S200，在所述碳化硅N型衬底表面通过CVD方法生长N型漂移区（7）；
S300，在所述N型漂移区（7）表面通过离子注入形成浮动结（2）和浮动结过渡区（3）；
S400，继续在所述碳化硅N型衬底表面通过CVD方法生长N型漂移区（7），以使所述浮动结（2）和浮动结过渡区（3）向中心区域移动；
S500，在所述N型漂移区（7）表面形成位于所述浮动结过渡区（3）上的过渡区P沟道（6）；
S600，继续通过CVD方法生长N型漂移区（7），并重复S200-S500的步骤形成带有过渡区P沟道的碳化硅浮动结二极管的有源区；
S700，在带有过渡区P沟道的碳化硅浮动结二极管的有源区表面通过离子注入形成外围的终端区（1）、位于所述过渡区P沟道（6）上的终端区过渡区（4）和位于中间区域的P型掺杂区（5），得到改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管。
5.根据权利要求4所述的改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备方法，其特征在于，S500包括：
在所述N型漂移区（7）表面通过弹道注入形成位于所述浮动结过渡区（3）的过渡区P沟道（6），所述过渡区P沟道（6）的宽度范围为5微米到5毫米。
6.根据权利要求5所述的改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备方法，其特征在于，通过弹道注入的离子为Al，注入能量范围为10Kev-1000Kev，形成的过渡区P沟道（6）的掺杂浓度为1e15到1e18 cm-3。
7.根据权利要求4所述的改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备方法，其特征在于，S500包括：
通过沟槽刻蚀技术形成所述终端区过渡区（4）到所述浮动结过渡区（3）的预设沟道；
通过侧壁离子注入技术在所述预设沟道内注入离子形成P离子区域；
在所述P离子区域通过PI胶进行沟道回填，形成具有少数载流子抽取功能的过渡区P沟道（6）。
8.根据权利要求7所述的改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备方法，其特征在于，通过侧壁离子注入技术在所述预设沟道内注入的离子为Al，注入能量范围为10Kev-1000Kev，形成的过渡区P沟道（6）的掺杂浓度为1e15到1e18 cm-3。
9.根据权利要求4所述的改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备方法，其特征在于，所述N型漂移区（7）的生长温度为1600℃-1900℃。
10.根据权利要求4所述的改善开关特性的碳化硅浮动结的二极管的制备方法，其特征在于，所述碳化硅N型衬底的厚度为300 μm-700 μm。
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|---|---|
| CN117613105B (zh) | 2024-05-14 |
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