CN211828777U - 一种碳化硅功率二极管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及半导体技术领域，公开一种碳化硅功率二极管，包括：碳化硅衬底；形成于碳化硅衬底一侧的N型碳化硅外延层，N型碳化硅外延层表面具有有源区以及围绕有源区的场限环终端区；有源区包括多个间隔设置的N型区以及位于相邻两个N型区之间的P+区；N型区的掺杂浓度高于N型碳化硅外延层的掺杂浓度；场限环终端区包括多个间隔设置的P+区；形成于至少一个N型区的第一肖特基接触金属；形成于N型碳化硅外延层的阳极金属层，阳极金属层包括阳极金属和第二肖特基接触金属，第一肖特基接触金属与N型区形成的接触势垒低于第二肖特基接触金属与N型区形成的接触势垒，用于降低碳化硅功率二极管的正向导通压降。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种碳化硅功率二极管。
背景技术
碳化硅(SiC)是第三代宽禁带半导体之一，具有宽带隙、高击穿电场、高热导率、耐高温、耐高压、抗辐射等优异物理特性，所以SiC功率器件非常适合于高温、高电压、高功率等电力电子应用系统，在电动汽车、光伏逆变、轨道交通、风能发电、电机驱动等应用领域具有广阔应用前景。
碳化硅结势垒肖特基二极管(SiC JBS)是一种常见碳化硅功率二极管，兼具了肖特基二极管(SBD)和PIN二极管的优点，具有低开启电压、低反向漏电、高开关频率等特性。SiC JBS的主要参数之一是正向导通压降(Vf)，会影响工作损耗。低导通压降有利于降低工作损耗，减少发热，降低电力系统散热要求。因此，如何降低碳化硅功率二极管的正向导通压降具有重要意义。
实用新型内容
本实用新型公开了一种碳化硅功率二极管，用于降低碳化硅功率二极管的正向导通压降。
为达到上述目的，本实用新型提供以下技术方案：
本实用新型提供一种碳化硅功率二极管，包括：
碳化硅衬底；
形成于所述碳化硅衬底一侧的N型碳化硅外延层，所述N型碳化硅外延层背离所述碳化硅衬底一侧的表面具有有源区以及围绕所述有源区的场限环终端区；所述有源区包括多个间隔设置的N型区以及位于相邻两个所述N型区之间的P+区；所述N型区的掺杂浓度高于所述N型碳化硅外延层的掺杂浓度；所述场限环终端区包括多个间隔设置的P+区；
形成于至少一个所述N型区背离所述碳化硅衬底一侧的第一肖特基接触金属；
形成于所述N型碳化硅外延层远离所述碳化硅衬底一侧的阳极金属层，所述阳极金属层包括阳极金属和第二肖特基接触金属，其中，所述第二肖特基接触金属覆盖所述有源区，所述阳极金属位于所述第二肖特基接触金属背离所述N型碳化硅外延层的一侧；所述第一肖特基接触金属与所述N型区形成的接触势垒低于所述第二肖特基接触金属与所述N型区形成的接触势垒。
上述碳化硅功率二极管中，碳化硅功率二极管包括碳化硅衬底、N型碳化硅外延层、有源区、场限环终端区、第一肖特基接触金属以及阳极金属层；碳化硅肖特基二极管的正向压降与外延层的掺杂浓度有关，外延层的掺杂浓度越高，电阻率越低，导通电阻越小，所以正向导通压降越低；本实用新型提供的碳化硅功率二极管中，N型碳化硅外延层背离碳化硅衬底一侧的掺杂浓度经过优化，表面掺杂浓度相对较高，或者通过氮离子注入优化N型碳化硅外延层的掺杂浓度，形成有源区的N型区，使处于表面的有源区掺杂浓度更高。另外，碳化硅肖特基二极管的正向压降以及反向漏电与肖特基金属接触势垒有关，接触势垒越低，正向压降越低，但反向漏电高；N型区背离碳化硅衬底一侧的第一肖特基接触金属与N型区形成的接触势垒低于第二肖特基接触金属与N型区形成的接触势垒，有源区采用两种不同势垒的肖特基接触金属混合结构，其中更低势垒的肖特基接触金属有利于进一步降低正向导通压降，高势垒的肖特基接触金属又不至于使反向漏电增大。
可选地，所述N型区的掺杂浓度比所述N型碳化硅外延层的掺杂浓度高10％～40％。
可选地，所述N型区的深度不超过1μm。
可选地，所述第一肖特基接触金属包括钼、钛、钯、钨中的一种或多种；
可选地，所述第二肖特基接触金属包括镍、金中的一种或两种。
可选地，所述碳化硅功率二极管还包括形成于所述N型碳化硅外延层远离所述碳化硅衬底一侧的介质层，所述介质层围绕所述阳极金属层。
可选地，所述碳化硅功率二极管还包括形成于所述阳极金属层以及所述介质层背离所述N型碳化硅外延层一侧的钝化层，且所述钝化层上与所述阳极金属层对应的部分设有镂空结构。
可选地，所述钝化层包括绝缘介质钝化层和聚酰亚胺钝化层，且所述聚酰亚胺钝化层位于所述绝缘介质钝化层上部及外部。
可选地，所述碳化硅功率二极管还包括形成于所述碳化硅衬底背离所述N型碳化硅外延层一侧的欧姆接触金属层。
可选地，所述碳化硅功率二极管还包括形成于所述欧姆接触金属层背离所述碳化硅衬底一侧的阴极金属层。
本实用新型还提供一种碳化硅功率二极管的制作方法，用于制作如上述任一项碳化硅功率二极管，包括：
在碳化硅衬底上形成N型碳化硅外延层；
对所述N型碳化硅外延层远离所述碳化硅衬底一侧进行处理形成N型区，以使所述N型区的掺杂浓度高于所述N型碳化硅外延层的掺杂浓度；
对所述N型碳化硅外延层进行P型杂质离子注入，以形成有源区以及场限环终端区内的P+区；
制作第一肖特基接触金属并退火；
制备阳极金属层并退火，所述阳极金属层包括阳极金属和第二肖特基接触金属，其中，所述第二肖特基接触金属覆盖所述有源区，所述阳极金属位于所述第二肖特基接触金属背离所述N型碳化硅外延层的一侧；所述第一肖特基接触金属与所述N型区形成的接触势垒低于所述第二肖特基接触金属与所述N型区形成的接触势垒。
可选地，对所述N型碳化硅外延层远离所述碳化硅衬底一侧进行处理形成N型区，以使所述N型区的掺杂浓度高于所述N型碳化硅外延层的掺杂浓度，包括：
在所述N型碳化硅外延层远离所述碳化硅衬底一侧注入N型杂质离子；或者，在所述N型碳化硅外延层上再外延一层掺杂浓度更高的N型碳化硅外延层。
可选地，对所述N型碳化硅外延层进行P型杂质离子注入，以形成有源区以及场限环终端区内的P+区，包括：
沉积离子注入掩膜层，干法刻蚀所述离子注入掩膜层，暴露所述离子注入掩膜层的离子注入区域，且在所述离子注入掩膜层的离子注入区域注入P型杂质离子，同时形成有源区和场限环终端区内的P+区；
去除所述离子注入掩膜层，制备碳膜作为高温激活保护层；
高温激活注入的P型杂质离子，且在激活后去除碳膜；且当在所述N型碳化硅外延层远离所述碳化硅衬底一侧注入N型杂质离子时，高温激活注入的P型杂质离子的同时高温激活注入的N型杂质离子。
可选地，碳化硅功率二极管的制作方法还包括：
在所述N型碳化硅外延层上沉积介质层，刻蚀露出阳极金属接触窗口；
在所述阳极金属层以及所述介质层上制备绝缘介质钝化层；
在所述绝缘介质钝化层上制备顶层聚酰亚胺钝化层；
在所述碳化硅衬底背离所述N型碳化硅外延层一侧沉积欧姆接触金属，并对所述欧姆接触金属进行退火处理以形成欧姆接触金属层；
在所述欧姆接触金属层上沉积阴极金属，以形成阴极金属层。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种碳化硅功率二极管的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种碳化硅功率二极管的制作方法的示意图；
图3a-图3m为图1中结构的膜层制备示意。
图中：1-碳化硅衬底；2-N型碳化硅外延层；3-N型区；4-P+区；5-第一肖特基接触金属；6-阳极金属层；7-介质层；8-绝缘介质钝化层；9-聚酰亚胺钝化层；10-欧姆接触金属层；11-阴极金属层；12-离子注入掩膜层。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型实施例提供了一种碳化硅功率二极管，包括：碳化硅衬底1；形成于碳化硅衬底1一侧的N型碳化硅外延层2，N型碳化硅外延层2背离碳化硅衬底1一侧的表面具有有源区A以及围绕有源区A的场限环终端区B；有源区A包括多个间隔设置的N型区3以及位于相邻两个N型区3之间的P+区4；N型区3的掺杂浓度高于N型碳化硅外延层2的掺杂浓度；场限环终端区B包括多个间隔设置的P+区4；形成于至少一个N型区3背离碳化硅衬底1一侧的第一肖特基接触金属5；形成于N型碳化硅外延层2远离碳化硅衬底1一侧的阳极金属层6，阳极金属层6包括阳极金属和第二肖特基接触金属，其中，第二肖特基接触金属覆盖有源区A，阳极金属位于第二肖特基接触金属背离N型碳化硅外延层2的一侧；第一肖特基接触金属5与N型区3形成的接触势垒低于第二肖特基接触金属与N型区3形成的接触势垒。
上述碳化硅功率二极管中，碳化硅功率二极管包括碳化硅衬底1、N型碳化硅外延层2、有源区A、场限环终端区B、第一肖特基接触金属5以及阳极金属层6；碳化硅肖特基二极管的正向压降与外延层的掺杂浓度有关，外延层的掺杂浓度越高，电阻率越低，导通电阻越小，所以正向导通压降越低；本实用新型提供的碳化硅功率二极管中，N型碳化硅外延层2背离碳化硅衬底1一侧的掺杂浓度经过优化，表面掺杂浓度相对较高，或者通过氮离子注入优化N型碳化硅外延层2的掺杂浓度，形成有源区A的N型区3，使处于表面的有源区A掺杂浓度更高。另外，碳化硅肖特基二极管的正向压降以及反向漏电与肖特基金属接触势垒有关，接触势垒越低，正向压降越低，但反向漏电高；N型区3背离碳化硅衬底1一侧的第一肖特基接触金属5与N型区3形成的接触势垒低于第二肖特基接触金属与N型区3形成的接触势垒，有源区A采用两种不同势垒的肖特基接触金属混合结构，其中更低势垒的肖特基接触金属有利于进一步降低正向导通压降，高势垒的肖特基接触金属又不至于使反向漏电增大。
一种具体的实施例中，碳化硅衬底1为N型碳化硅，掺杂浓度为1e18～2e19cm-3。N型碳化硅外延层2厚度为5～100μm，N型掺杂浓度为1e15～5e16cm-3。
一种可选实施方式，N型区3的掺杂浓度比N型碳化硅外延层2的掺杂浓度高10％～40％。
需要说明的是，碳化硅肖特基二极管的正向压降与外延层的掺杂浓度有关，外延层的掺杂浓度越高，电阻率越低，导通电阻越小，所以正向导通压降越低，但并非掺杂浓度越高越好，对于不同电压等级的器件浓度范围不一样，一般是N型区3的掺杂浓度比N型碳化硅外延层2的掺杂浓度高10％～40％较佳，例如：10％、20％、30％或40％。
一种可选实施方式，N型区3的深度不超过1μm。
需要说明的是，上述碳化硅功率二极管中，N型区3的形成方式包括两步外延或者采用N型杂质离子注入的方法，其中，两步外延具体为在N型碳化硅外延层2上再外延一层掺杂浓度更高的外延层，但厚度更薄，一般不超过1.0μm；采用N型杂质离子注入的方法，在N型碳化硅外延层2中注入N型杂质离子，提高N型碳化硅外延层2表面区域的掺杂浓度，N型区3的离子注入结深不超过1μm。
一种可选实施方式，第一肖特基接触金属5包括钼、钛、钯、钨中的一种或多种。
一种可选实施方式，第二肖特基接触金属包括镍、金中的一种或两种。
需要说明的是，第一肖特基接触金属5为可以和N型区3形成低接触势垒的金属或合金，包括但不限于Mo、Ti、Pd、W或其任意组合。阳极金属层6为叠层金属，包括第二肖特基接触金属及加厚的阳极金属。第二肖特基接触金属为可以和N型区3形成较高接触势垒的金属或合金，包括但不限于Ni、Au或其组合；加厚的阳极金属包括但不限于Al、Ti/Al、Ni/Al或Ti/Ni/Al等，总厚度为2～5μm。
一种可选实施方式，每个N型区3背离碳化硅衬底1一侧均对应一个第一肖特基接触金属5，第二肖特基接触金属位于相邻两个第一肖特基接触金属5之间以及第一肖特基接触金属5上方，第二肖特基接触金属与N型区3以及P+区4直接接触，阳极金属位于第二肖特基接触金属上方。
在上述技术方案的基础上，请继续参考图1，碳化硅功率二极管还包括：
形成于N型碳化硅外延层2远离碳化硅衬底1一侧的介质层7，介质层7围绕阳极金属层6；
形成于阳极金属层6以及介质层7背离N型碳化硅外延层2一侧的钝化层，且钝化层上与阳极金属层6对应的部分设有镂空结构；
形成于碳化硅衬底1背离N型碳化硅外延层2一侧的欧姆接触金属层10；
形成于欧姆接触金属层10背离碳化硅衬底1一侧的阴极金属层11。
需要说明的是，介质层7包括但不限于SiO、SiO2、SiN、SiON或其任意组合，厚度为50～2000nm；欧姆接触金属层10为Ni、Ti/Ni、Ti/Al、Ti/Ni/Al等，总厚度为10～500nm；阴极电极金属为Ti/Ni/Ag或Ti/Al/Ni/Ag等，总厚度为0.5～4.0μm。
在上述技术方案的基础上，请继续参考图1，钝化层包括绝缘介质钝化层8和聚酰亚胺钝化层9，且聚酰亚胺钝化层9位于绝缘介质钝化层8上部及外部。
需要说明的是，绝缘介质钝化层8包括但不限于SiN、SiO2或者其任意组合，总厚度为0.5～2μm。顶层聚酰亚胺(PI)钝化层固化后厚度为1～5μm。
请参考图2，本实用新型还提供一种碳化硅功率二极管的制作方法，用于制作如上述任一种碳化硅功率二极管，包括：
在碳化硅衬底1上形成N型碳化硅外延层2；
对N型碳化硅外延层2远离碳化硅衬底1一侧进行处理形成N型区3，以使N型区3的掺杂浓度高于N型碳化硅外延层2的掺杂浓度；
对N型碳化硅外延层2进行P型杂质离子注入，以形成有源区A以及场限环终端区B内的P+区4；
制作第一肖特基接触金属5并退火；
制备阳极金属层6并退火，阳极金属层6包括阳极金属和第二肖特基接触金属，其中，第二肖特基接触金属覆盖有源区A，阳极金属位于第二肖特基接触金属背离N型碳化硅外延层2的一侧；第一肖特基接触金属5与N型区3形成的接触势垒低于第二肖特基接触金属与N型区3形成的接触势垒。
本实用新型提供的制作方法制成的碳化硅功率二极管中，N型碳化硅外延层2背离碳化硅衬底1一侧的掺杂浓度经过优化，表面掺杂浓度相对较高，或者通过氮离子注入优化N型碳化硅外延层2的掺杂浓度，形成有源区A的N型区3，使处于表面的有源区A掺杂浓度更高。另外，碳化硅肖特基二极管的正向压降以及反向漏电与肖特基金属接触势垒有关，接触势垒越低，正向压降越低，但反向漏电高；有源区A采用两种不同势垒的肖特基接触金属混合结构，其中更低势垒的肖特基接触金属有利于进一步降低正向导通压降，高势垒的肖特基接触金属又不至于使反向漏电增大。
一种可选实施方式，请参考图3a，在碳化硅衬底1上形成N型碳化硅外延层2。
需要说明的是，碳化硅衬底1为N型碳化硅(SiC)，掺杂浓度为1e18～2e19cm-3。N型碳化硅外延层2厚度为5～100μm，N型掺杂浓度为1e15～5e16cm-3。
在上述技术方案的基础上，对N型碳化硅外延层2远离碳化硅衬底1一侧进行处理形成N型区3，以使N型区3的掺杂浓度高于N型碳化硅外延层2的掺杂浓度，包括：
请参考图3b，在N型碳化硅外延层2上再外延一层掺杂浓度更高的N型碳化硅外延层2；碳化硅衬底1上的N型碳化硅外延层2为N-碳化硅外延层，在该方法中，N型区3的形成采用两步外延，在N-碳化硅外延层上再外延一层掺杂浓度更高的N型碳化硅外延层2，但厚度更薄，一般不超过1.0μm。
请参考图3c和图3d，在N型碳化硅外延层2远离碳化硅衬底1一侧注入N型杂质离子；碳化硅衬底1上的N型碳化硅外延层2为N-碳化硅外延层，在该方法中，N型区3的形成采用N型杂质离子注入的方法，在N-碳化硅外延层中注入N型杂质离子，提高外延层表面区域的掺杂浓度。
请参考图3e，对N型碳化硅外延层2进行P型杂质离子注入，以形成有源区A以及场限环终端区B内的P+区4，包括：
沉积离子注入掩膜层12，干法刻蚀离子注入掩膜层12，暴露离子注入掩膜层12的离子注入区域，且在离子注入掩膜层12的离子注入区域注入P型杂质离子，同时形成有源区A和场限环终端区B内的P+区4；
需要说明的是，离子注入掩膜层12为SiO2或多晶硅，或两种组合，厚度为0.2～4μm；离子注入为单步或多步离子注入工艺，离子为Al或B，或者两种的组合。
请参考图3f，去除离子注入掩膜层12，制备碳膜作为高温激活保护层；
高温激活注入的P型杂质离子，且在激活后去除碳膜；且当在N型碳化硅外延层2远离碳化硅衬底1一侧注入N型杂质离子时，高温激活注入的P型杂质离子的同时高温激活注入的N型杂质离子。
需要说明的是，碳膜的制备方法为光刻胶碳化或射频溅镀，厚度为0.05～2μm，激活温度为1500～1900℃。
请参考图3g，在碳化硅衬底1背离N型碳化硅外延层2一侧沉积欧姆接触金属，并对欧姆接触金属进行退火处理以形成欧姆接触金属层10；
需要说明的是，欧姆接触金属层10为Ni、Ti/Ni、Ti/Al、Ti/Ni/Al等，总厚度为10～500nm。
请参考图3h，在欧姆接触金属层10上沉积阴极金属，以形成阴极金属层11。
需要说明的是，阴极电极金属为Ti/Ni/Ag或Ti/Al/Ni/Ag，总厚度为0.5～4.0μm。
请参考图3i，在N型碳化硅外延层2上沉积介质层7，刻蚀露出阳极金属接触窗口；
需要说明的是，介质层7包括但不限于SiO、SiO2、SiN、SiON或其任意组合，沉积方法包括但不限于等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)、低压力化学气相沉积法(Low Pressure Chemical VaporDeposition，LPCVD)、原子层沉积方法(Atomic layer deposition，ALD)，厚度为50～2000nm。
请参考图3j，制作第一肖特基接触金属5并退火；
需要说明的是，第一肖特基接触金属5为可以和N型碳化硅形成低接触势垒的金属或合金，包括但不限于Mo、Ti、Pd、W或其任意组合。退火温度为300-600度。
请参考图3k，制备阳极金属层6并退火；
需要说明的是，阳极金属层6为叠层金属，包括第二肖特基接触金属及阳极金属。第二肖特基接触金属为可以和N型SiC形成较高接触势垒的金属或合金，包括但不限于Ni、Au或其组合；阳极金属包括但不限于Al、Ti/Al、Ni/Al或Ti/Ni/Al等，总厚度为2～5μm。退火温度不高于第一肖特基金属5的退火温度。一种可选的实施方式，多个第一肖特基接触金属5间隔设置，在N型碳化硅外延层2以及第一肖特基接触金属5上沉积第二肖特基接触金属，之后再在第二肖特基接触金属上沉积阳极金属。
请参考图3l，在阳极金属层6以及介质层7上制备绝缘介质钝化层8；
需要说明的是，绝缘介质钝化层8包括但不限于SiN、SiO2，或者其任意组合；总厚度为0.5～2μm。
请参考图3m，在绝缘介质钝化层8上制备顶层聚酰亚胺钝化层9；
需要说明的是，聚酰亚胺(PI)钝化层固化后厚度为1～5μm。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型实施例进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种碳化硅功率二极管，其特征在于，包括：
碳化硅衬底；
形成于所述碳化硅衬底一侧的N型碳化硅外延层，所述N型碳化硅外延层背离所述碳化硅衬底一侧的表面具有有源区以及围绕所述有源区的场限环终端区；所述有源区包括多个间隔设置的N型区以及位于相邻两个所述N型区之间的P+区；所述N型区的掺杂浓度高于所述N型碳化硅外延层的掺杂浓度；所述场限环终端区包括多个间隔设置的P+区；
形成于至少一个所述N型区背离所述碳化硅衬底一侧的第一肖特基接触金属；
形成于所述N型碳化硅外延层远离所述碳化硅衬底一侧的阳极金属层，所述阳极金属层包括阳极金属和第二肖特基接触金属，其中，所述第二肖特基接触金属覆盖所述有源区，所述阳极金属位于所述第二肖特基接触金属背离所述N型碳化硅外延层的一侧；所述第一肖特基接触金属与所述N型区形成的接触势垒低于所述第二肖特基接触金属与所述N型区形成的接触势垒。
2.根据权利要求1所述的碳化硅功率二极管，其特征在于，所述N型区的深度不超过1μm。
3.根据权利要求1所述的碳化硅功率二极管，其特征在于，所述第一肖特基接触金属包括钼、钛、钯、钨中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的碳化硅功率二极管，其特征在于，所述第二肖特基接触金属包括镍、金中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的碳化硅功率二极管，其特征在于，所述碳化硅功率二极管还包括形成于所述N型碳化硅外延层远离所述碳化硅衬底一侧的介质层，所述介质层围绕所述阳极金属层。
6.根据权利要求5所述的碳化硅功率二极管，其特征在于，所述碳化硅功率二极管还包括形成于所述阳极金属层以及所述介质层背离所述N型碳化硅外延层一侧的钝化层，且所述钝化层上与所述阳极金属层对应的部分设有镂空结构。
7.根据权利要求6所述的碳化硅功率二极管，其特征在于，所述钝化层包括绝缘介质钝化层和聚酰亚胺钝化层，且所述聚酰亚胺钝化层位于所述绝缘介质钝化层上部及外部。
8.根据权利要求1所述的碳化硅功率二极管，其特征在于，所述碳化硅功率二极管还包括形成于所述碳化硅衬底背离所述N型碳化硅外延层一侧的欧姆接触金属层。
9.根据权利要求8所述的碳化硅功率二极管，其特征在于，形成于所述欧姆接触金属层背离所述碳化硅衬底一侧的阴极金属层。
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|---|---|---|---|
| CN202020128041.XU CN211828777U (zh) | 2020-01-19 | 2020-01-19 | 一种碳化硅功率二极管 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113097160A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-07-09 | 厦门市三安集成电路有限公司 | 碳化硅功率器件及其制备方法、钝化结构 |
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2020
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