一種肖特基整流器件及製造方法
2023-05-07 04:09:26
專利名稱：一種肖特基整流器件及製造方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件，特別涉及一種肖特基整流管器件及製造方法。
背景技術：
功率電子元器件如功率整流器和功率開關廣泛應用於各個領域，例如開關電源， 汽車電子，無線電通訊電機控制。長期以來，人們一直使用矽功率器件，然而隨著矽工藝的多年發展，相應的矽功率器件性能已經逐漸接近理論極限，要想大幅度提升器件性能，突破矽功率器件的極限問題，就必須採用新的半導體材料，尤其是第三族氮化合物半導體SIC， 在新型材料基本特性上具有製造更高性能的功率電子器件的巨大潛力。其中，氮化鎵作為寬禁帶半導體的典型代表，以其禁帶寬度大(3.4EV)、擊穿電場高(3. 3MV/CM)、飽和電子飄移速度大0.8E7CM/Q和熱導率高等多方面性能優勢在國際上受到廣泛關注，相關氮化物半導體技術發展迅速，GAN基礎材料在高頻高壓和大功率器件應用具有良好的前景，其針對功率電子器件的優值係數相比於矽材料或砷化鎵基礎材料高出一個數量級。在多種基於寬禁帶半導體材料的功率器件中，GAN肖特基整流管近年來成為國際熱點，它同時具有高擊穿電壓，低開啟電阻和很小反向恢復時間等優異特點。作為一種最基本的功率電子器件，將GAN肖特基整流管應用於功率轉換電路或模塊，可以很大程度地提高系統的電能轉換效率。並大大簡化電路的複雜度，降低製備成本。目前，人們通過在藍寶石，碳化矽，矽基底上通過外延方法成功地製造出肖特基整流管，但是這一技術的進一步發展也面臨一個重要問題，那就是，現在的肖特基整流管的反向擊穿電壓並沒有理論那麼高，而反向擊穿電壓恰恰是肖特基整流管的一個重要指標，理論上，它的擊穿電壓是由於器件內有源區內的載流子在強電場的作用下的發生碰撞電離化而導致雪崩擊穿決定的。然而，國際上，各研究機構或公司所報導的氮化鎵肖特基整流管的反向擊穿電壓只能達到理論的30-50%，造成擊穿電壓不高的根本原因是電場擁擠，具體來說，肖特基整流管在反向偏置時，耗盡區的電場在水平方向上的分布並不是均勻的，越靠近電極邊緣的，電力線就越密，這樣在肖特基電極邊緣處的耗盡層中就會出現電場的極大值， 使到雪崩擊穿在此處提早發生。這個效應導致GAN肖特基功率器件所應該有的高擊穿電壓和大輸出功率等性能優勢都不能充分發揮；同時反向漏電流也會偏大，導致器件可靠性變差。如圖11所示，為現有的肖特基整流管，它包括陰極金屬、N+陰極層、N型基底、 N-外延層、勢壘金屬；以及位於外延層之上勢壘金屬區域外的二氧化矽層；所述的外延層有兩個由其表面向下延伸的溝槽，但溝槽採用矩形溝槽，圖13為為其電力檔位仿真圖，從圖可以看出可以看其溝槽拐角處電場形成的電力檔位線過於集中，導致肖特基反向擊穿電壓低，極大地影響肖特基整流器件的性能。
發明內容
為了解決器件局部電場擁擠，提高器件的反向擊穿電壓，提高器件的可靠性，本發明提出了一種溝槽式肖特基接觸的整流器件。本發明解決現有肖特基整流管技術問題採用的技術方案是一種肖特基整流器件，該器件包括由下至上依次為陰極金屬、第一導電類型陰極層、第一導電類型基底、第一導電類型外延層、勢壘金屬；以及位於外延層之上勢壘金屬區域外的二氧化矽層；所述的第一導電類型外延層至少有一個由其表面向下延伸的溝槽， 所述溝槽位於外延層之上的二氧化矽層之下，所述的溝槽中設有填充層；溝槽至少一個側壁向外傾斜，與外延層水平面的角度大於或者等於10度，小於或者等於45度。進一步地，本發明所述的肖特基整流器件中所述的第一導電類型外延層包括第一摻雜濃度外延層和第二摻雜濃度外延層，第二摻雜濃度外延層位於第一摻雜濃度外延層之上，第一摻雜濃度外延層的濃度為1E16/CM3 3E16/CM3，第二摻雜濃度外延層的濃度為 1E15/CM3 5E15/CM3。進一步地，本發明所述的肖特基整流器件中所述的溝槽深度大於肖特基結深，溝槽深度為Ium 6um左右，肖特基結深為Ium 3um。進一步地，本發明所述的肖特基整流器件中所述的填充層為多晶矽和二氧化矽。進一步地，本發明所述的肖特基整流器件中還包括位於基底和外延層之間的第一導電類型緩衝層，緩衝層厚度為200nm。進一步地，本發明所述的肖特基整流器件中所述的第一導電類型為N型。本發明還公開了肖特基整流器件的製造方法，包括以下幾個步驟步驟⑴形成第一導電類型基底；步驟O)於第一導電類型基底之上形成第一導電類型外延層；進一步地，本發明公開的肖特基整流器件的製造方法，還包括在步驟(1)和步驟 (2)之間增加一層第一導電類型緩衝層。進一步地，第一導電類型為N型；N型外延層包括第一摻雜濃度外延層和第二摻雜濃度外延層，第二摻雜濃度外延層位於第一摻雜濃度外延層之上，第一摻雜濃度外延層的摻雜濃度為1E16/CM3 3E16/CM3，第二摻雜濃度外延層的摻雜濃度為1E15/CM3 5E15/ CM30步驟C3)於第一導電類型外延層中形成向外傾斜的溝槽，溝槽側壁與外延層水平面的角度大於或等於10度，小於或等於45度；進一步地，溝槽是先在外延層上生成一層二氧化矽層後再通過曝光、顯影形成溝槽圖形，再腐蝕圖形形成溝槽。步驟於溝槽中形成填充層；進一步地，溝槽中的填充層為多晶矽和二氧化矽。步驟(5)於溝槽之上形成二氧化矽層；進一步地，二氧化矽層的生長採用熱氧化生長，二氧化矽層的厚度為 1000-4000 A ο步驟(6)於外延層之上的溝槽區域外形成勢壘金屬；進一步地，金屬層是去除外延層之上溝槽區域外的二氧化矽而生成，金屬為金、 銀、鋁、鉬等，金屬採用濺射或者蒸渡生成。步驟(7)於半導體基底之下形成第一導電類型型陰極層；
進一步地，第一導電類型為N型，N型陰極層構成肖特基整流器件的負極區，N型陰極層的摻雜濃度為1E17/CM3。步驟(8)於陰極層上形成接觸電極。技術效果本發明的肖特基整流器件的溝槽與有源區側面結合面為斜面，溝槽側壁與外延層水平面的角度大於或者等於10度，小於或者等於45度斜溝槽結構解決了內部電場擁擠，提高肖特基整流器件的反向擊穿電壓，非常接近理想擊穿電壓。
圖1，本發明實施例提供的肖特基整流器件結構示意圖；圖2-10，本發明實施例提供的肖特基整流器件製造流程圖；圖11，現有矩形溝槽肖特基整流器件圖；圖12，本發明實施例提供的肖特基整流器件電力檔位仿真圖；圖13，現有矩形溝槽肖特基整流器件的電力檔位仿真圖；附圖標記1、第一導電類型基底；2、第一導電類型緩衝層；3、第一導電類型第一摻雜濃度外延層；4、第一導電類型第二摻雜濃度外延層；5 二氧化矽；6、二氧化矽層；7、勢壘金屬；8、第一導電類型陰極層；9、陰極金屬；10、多晶矽；A、外延層水平面與溝槽側壁所成的角。
具體實施例方式為了使工程人員能夠清楚了解本發明的技術方案，下面結合附圖及實施例進行說明，本發明不應被限於使用下述實施例實現。本發明實施例的整流器件為GAN肖特基整流器件。實施例一如圖1所示，為本發明GAN肖特基整流器件優選實施例，該器件包括由下至上依次為陰極金屬9、N+陰極層8、N型基底1、緩衝層2、N型第一摻雜濃度外延層3、N型第二摻雜濃度外延層4、勢壘金屬7 ；以及位於外延層之上勢壘金屬區域外的二氧化矽層6，所述的外延層至少有一個由其表面向下延伸的溝槽，溝槽位於外延層之上的二氧化矽層之下， 所述的溝槽中設有填充層，所述的溝槽與有源區側面結合面為斜面；溝槽側壁向外傾斜，與外延層水平面所成的角度A為30度。下面對如圖1中所示的實施例進一步描述本實施例中陰極金屬9可以是鐵、鋁和銅，還包括其它一些金屬，本實施例的優選陰極金屬為銅，位於陰極金屬9之上的N+陰極層8和陰極金屬構成了陰極，N+陰極層8的摻雜濃度為1E17/CM3，位於陰極層之上的N型基底1的為3E18/CM3。本發明實施例中位於基底1之上的緩衝層2，其濃度為1E17/CM3，其厚度為200nm， 緩衝層有效地減小了外延層生長對基底造成的應力。本發明實施例中位於緩衝層2之上的外延層包括外延層3和外延層4，其中外延層 3為第一摻雜濃度外延層，外延層4為第二摻雜濃度外延層，第二摻雜濃度外延層位於第一摻雜濃度外延層之上，外延層3的摻雜濃度優選為2E16/CM3，外延層4的摻雜濃度為3E15/ CM3，第二摻雜濃度外延層和第一摻雜濃度外延層的結合有效地減小了器件的導通電阻，同時提高器件的擊穿電壓，本發明實施例中由外延層表面向下延伸形成的溝槽與有源區側面結合面為斜面， 溝槽為兩個，溝槽深度Gum)大於肖特基結深Oum)，溝槽側壁與外延層水平面層的角度A 為30度；從圖中可以看到溝槽中設有了填充層，填充層為多晶矽10、二氧化矽5。本發明實施例中位於溝槽上表面的二氧化矽層6在勢壘金屬濺射或蒸渡過程中起隔離和阻擋作用，同時阻擋外界的雜質，消除雜質破壞本發明整流器件的性能。本發明實施例中勢壘金屬7位於外延層之上溝槽區域外，勢壘金屬與外延層形成肖特基接觸，勢壘金屬通常為金、銀和鉬、鋁，由於金成本方面原因，最常用的為銀、鉬和鋁， 本實施例優選勢壘金屬為鋁。在本發明實施例溝槽狀肖特基整流器件的溝槽側壁與外延層水平面的角度A成 30度、肖特基整流器件兩端的反向偏壓為400V的條件下，得到如圖12所示肖特基整流器件的電力檔位仿真圖，從圖中看出本實施例所形成的肖特基整流器件的電力檔位線在溝槽的拐角處分布。圖11所示的是現有技術矩形溝槽肖特基整流器件圖，在其兩端加與本發明肖特基整流器件同樣反向電壓的情況下得到如圖13所示的電力檔位線仿真圖。通過本發明實施例的電力檔位仿真圖12與現有肖特基整流器件的電力檔位仿真圖13相比，可以看出本發明實施例的電力檔位線在溝槽拐角處變得平緩和稀疏，有效的緩減了肖特基整流器件在拐角處電勢過度集中，提高了器件的擊穿電壓。原理描述電力檔位線的疏密程度反映電場強度的大小，電場強度大小反映器件擊穿電壓；電力檔位線越密，電場強度越大，器件越容易擊穿，對於本發明來說，把現有的平面的肖特基接觸變成梯形溝槽式的肖特基接觸，使得溝槽拐角處的電力檔位線變得稀疏， 進而電場強度減小，擊穿電壓升高。下面對本發明實施例肖特基整流器件製造流程進行描述圖2-10所示為本發明實施例肖特基整流器件的製造流程圖，它包括以下步驟步驟一、形成第一導電類型基底1 ；如圖2所示為基底，基底1的摻雜濃度為3E18/CM3。步驟二、於半導體基底上形成緩衝層2 ；如圖3所示，該步驟為本實施例中增加的緩衝層2，其摻雜濃度為1E17/CM3，其厚度為200nm，緩衝層的增加有效地減小外延生長過程中對基底造成的應力。步驟三、於緩衝層上形成外延層；如圖4所示，採用了氣相外延的生長機理生長外延層，外延層包括外延層3和外延層4，先生長第一摻雜濃度外延層3，其摻雜濃度優選為2E16/CM3，接著生長第二摻雜濃度外延層4，其摻雜濃度為3E15/CM3步驟四，於外延層中形成向外傾斜的溝槽，溝槽側壁與外延層水平面的角度為30 度；如圖5所示，該步驟中的溝槽是先在外延層之上生長二氧化矽層後再以二氧化矽層為掩膜層，通過瀑光、顯影露出需要腐蝕的溝槽的上表面，用腐蝕液腐蝕而成溝槽。步驟五、於溝槽中形成填充層；如圖6所示，溝槽中填充層為多晶矽10和二氧化矽5。
步驟六、於溝槽之上生長二氧化矽層；如圖7所示，該步驟中生成的二氧化矽層6的生長採用熱氧化生長，其厚度為 1000-4000 A 。步驟七、於外延層之上的溝槽區域外形成金屬層；如圖8所示，該步驟中金屬層是去除外延層之上溝槽區域外的二氧化矽層後，採用了物理氣相澱積中蒸渡和濺射兩種方式形成勢壘金屬，勢壘金屬為鋁，勢壘金屬的形成溫度為110度左右，經過氮氣保護後高溫退火。步驟八、於半導體基底之下製造N型陰極層；如圖9所示，於N型基底下表面生長N型陰極層8，它與陰極金屬形成歐姆接觸形成陰極。步驟九、於陰極層上形成接觸電極；如圖10所示，該步驟為電極的製備，製備完成後進行高溫退火。在不偏離本發明的精神和範圍的情況下，還可以構成許多很大差別的實施例，本發明不限於在說明書中所述的具體實施例。
權利要求
1.一種肖特基整流器件，其特徵在於，該器件包括由下至上依次為陰極金屬、第一導電類型陰極層、第一導電類型基底、第一導電類型外延層、勢壘金屬；以及位於外延層之上勢壘金屬區域外的二氧化矽層；所述的外延層至少有一個由其表面向下延伸的溝槽，溝槽位於外延層之上的二氧化矽層之下，所述的溝槽中設有填充層；溝槽至少一個側壁向外傾斜，與外延層水平面的角度大於或等於10度，小於或等於45度。
2.根據權利要求1所述的肖特基整流器件，其特徵在於所述的第一導電類型外延層包括第一摻雜濃度外延層和第二摻雜濃度外延層，第二摻雜濃度外延層位於第一摻雜濃度外延層之上，第一摻雜濃度大於第二摻雜濃度。
3.根據權利要求2所述的肖特基整流器件，其特徵在於第一導電類型第一摻雜濃度外延層的摻雜濃度為1E16/CM3 3E16/CM3。
4.根據權利要求2所述的肖特基整流器件，其特徵在於第一導電類型第二摻雜濃度外延層的摻雜濃度為1E15/CM3 5E15/CM3。
5.根據權利要求1所述的肖特基整流器件，其特徵在於所述的溝槽深度大於肖特基結深。
6.根據權利要求5所述的肖特基整流器件，其特徵在於所述的溝槽深度為Ium 6um，肖特基結深為Ium 3um。
7.根據權利要求1所述的肖特基整流器件，其特徵在於所述的溝槽內的填充層為多晶矽和二氧化矽。
8.根據權利要求1所述的肖特基整流器件，其特徵在於還包括位於第一導電類型基底和第一導電類型外延層之間的第一導電類型緩衝層。
9.根據權利要求1-8任意一項所述的肖特基整流器件，其特徵在於所述的第一導電類型為N型。
10.一種肖特基整流器件的製造方法，其特徵在於，包括以下幾個步驟(a)形成第一導電類型基底；(b)於第一導電類型基底之上形成第一導電類型外延層；(c)於第一導電類型外延層中形成向外傾斜的溝槽，溝槽側壁與外延層水平面的角度大於或等於10度，小於或等於45度；(d)於溝槽中形成填充層；(e)於溝槽之上形成二氧化矽層；(f)於第一導電類型外延層之上的溝槽區域外形成勢壘金屬；(g)於第一導電類型基底之下形成第一導電類型陰極層；(h)於陰極層上形成接觸電極。
11.根據權利要求10所述的一種肖特基整流器件的製造方法，其特徵在於，所述的步驟(c)中的溝槽是先在外延層表面形成一層二氧化矽層，再通過曝光、顯影形成溝槽圖形， 再腐蝕圖形形成溝槽。
12.根據權利要求10所述的一種肖特基整流器件的製造方法，其特徵在於，還包括以下步驟在步驟(a)和步驟(b)之間增加一層第一導電類型緩衝層。
13.根據權利要求10所述的一種肖特基整流器件的製造方法，其特徵在於，步驟(d)中所述的溝槽中的填充層為多晶矽和二氧化矽。
14.根據權利要求12所述的一種肖特基整流器件的製造方法，其特徵在於，還包括以下步驟在緩衝層上先生長第一導電類型第一摻雜濃度外延層，接著在第一摻雜濃度外延層上生長第一導電類型第二摻雜濃度外延層。
15.根據權利要求10-14任意一項所述的一種肖特基整流器件的製造方法，其特徵在於，所述的第一導電類型為N型。
全文摘要
本發明屬於整流器件領域，特別涉及一種溝槽肖特基整流器件，該器件包括由下至上依次為陰極金屬、第一導電類型陰極層、第一導電類型基底、第一導電類型外延層、勢壘金屬；以及位於外延層之上勢壘金屬區域外的二氧化矽層；所述的外延層至少有一個由其表面向下延伸的溝槽，溝槽位於外延層之上的二氧化矽層之下，所述的溝槽中設有填充層；溝槽至少一個側壁向外傾斜，與外延層水平面的角度大於或等於10度，小於或等於45度；該肖特基整流器件有效地緩減了電勢的過度集中，提高器件的反向擊穿電壓；另外本發明還公開了肖特基整流器件的一種製造方法。
文檔編號H01L29/872GK102569422SQ20101062219
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者嚴光能 申請人:比亞迪股份有限公司