一種製備高阻斷電壓碳化矽功率器件的方法與流程
2023-05-08 19:59:36
本發明屬於寬禁帶半導體功率器件領域，尤其涉及一種製備高阻斷電壓功率器件的方法。
背景技術：
碳化矽（SiC）作為第三代半導體材料，較傳統矽（Si）材料具有更為優異的物理和化學性質，使得其在功率半導體領域有著巨大的應用潛力。相比Si材料，SiC具有更寬的禁帶寬度，更高的臨界擊穿場強，更高的飽和電子漂移速度及更高的熱導率等優點，使其可以在功率半導體領域能夠滿足Si材料不具備的高溫、高壓、高頻及抗輻照等應用。
反向阻斷電壓是功率器件非常重要的性能指標，將直接決定功率器件的應用領域，如200 V以下低壓器件主要應用於功率因數校正（PFC）及功率放大、600 V~1.7 kV中壓器件主要應用於光伏逆變器及UPS電源、3.3 kV~6.5 kV高壓器件主要應用於智能電網及機車牽引。發展SiC高壓功率器件的過程中，要完全達到材料賦予的最佳性能，儘可能獲得最大的反向阻斷電壓，需要降低結邊緣的電場集中效應，合理的結終端設計尤為重要。目前，結終端技術根據結構的不同可以分為邊緣延伸型與刻蝕臺階型，主要包括場限環結構、金屬場板結構以及結終端擴展（JTE）技術。通過以上結終端技術，及使用厚外延SiC漂移層，目前已製備了反向阻斷電壓高達21.7 kV的功率器件。但要進一步提升反向阻斷電壓，需不斷優化設計結終端結構或使用更厚的外延層材料，這是比較困難的。
技術實現要素：
本發明為解決上述技術問題，提供了一種製備高阻斷電壓碳化矽功率器件的方法，對常規製備工藝進行了調整和優化，工藝簡單、成本低廉，相比常規製備工藝，獲得的碳化矽功率器件的阻斷電壓具有顯著的提升。
本發明的技術方案如下：
一種製備高阻斷電壓碳化矽功率器件的方法，其特徵在於包括以下步驟：
首先，通過化學清洗、刻蝕及離子注入的工藝，在碳化矽晶片的外延層上製備正面的臺階及結終端結構；
將所述碳化矽晶片在溼氧氣氛中進行熱氧氧化形成犧牲氧化層，再在稀氫氟酸中進行浸泡去除犧牲氧化層；
在製備的臺階及結終端結構上利用原子層沉積法（ALD）生長Al2O3薄膜層，再通過等離子體增強化學沉積法（PECVD）生長Si3N4薄膜層；
刻蝕碳化矽晶片背面的Al2O3層和Si3N4層，沉積金屬製備背面歐姆接觸；
在碳化矽晶片的正面光刻開窗，沉積金屬製備正面歐姆接觸；
最後得到碳化矽功率器件。
製備得到的碳化矽功率器件可以是PiN二極體、肖特基二極體（SBD）、結勢壘二極體（JBS）、雙極性電晶體（BJT）或門極關斷晶閘管（GTO）。
優選地，所述溼氧氧化形成犧牲氧化層的溫度為1100 ℃，時間為30分鐘。
優選地，所述原子層沉積法生長的Al2O3薄膜層厚度為5~100 nm。
優選地，所述等離子體增強化學沉積法生長的Si3N4薄膜層厚度為200~500 nm。
本發明具有以下優點：
本發明利用Al2O3與碳化矽界面產生的負電荷來緩解結邊緣的電場集中效應，工藝簡單、成本低廉，相比常規製備工藝，獲得的碳化矽功率器件的阻斷電壓具有顯著的提升。
附圖說明
圖1為碳化矽功率器件常規製備工藝流程圖；
圖2為本發明提供的碳化矽功率器件製備工藝流程圖；
圖3為本發明實施例中碳化矽PiN二極體橫截面結構示意圖。
其中，附圖比較為：1-背面歐姆接觸，2-N+ Sub，3-N- Drift層，4-臺階及結終端結構，5-Al2O3薄膜層，6-Si3N4薄膜層，7-P+層，8-正面歐姆接觸。
具體實施方式
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
如圖1所示，為碳化矽功率器件常規製備工藝流程圖；如圖2所示，為本發明的碳化矽功率器件製備工藝流程圖。
相比常規製備工藝，本發明提供的製備工藝僅需在鈍化階段做了相應的優化調整，具體為：常規製備工藝在去除溼氧氧化形成的犧牲氧化層後，先通過溼氧氧化形成SiO2永久鈍化層，再通過PECVD沉積SiO2薄膜層和Si3N4薄膜層；本發明提供的製備工藝在去除溼氧氧化形成的犧牲氧化層後，先通過ALD沉積Al2O3薄膜層，再通過PECVD沉積Si3N4薄膜層。
具體地，以碳化矽PiN二極體製備為例，器件橫截面結構如圖3所示，包括了如下具體結構：1-背面歐姆接觸，2-N+ Sub，3-N- Drift層，4-臺階及結終端結構，5-Al2O3薄膜層，6-Si3N4薄膜層，7-P+層，8-正面歐姆接觸。
先對碳化矽晶片進行清洗、刻蝕及離子注入等工藝形成正面的臺階及結終端結構4。將上述碳化矽晶片在溼氧氣氛中進行氧化，溫度為1100 ℃，時間為30分鐘，再在體積分數為5%的稀氫氟酸中進行浸泡5分鐘，去除犧牲氧化層。利用ALD沉積厚度100 nm的Al2O3薄膜層5，再利用PECVD沉積厚度300 nm的Si3N4薄膜層6。利用等離子體刻蝕機刻蝕碳化矽晶片背面的Al2O3薄膜層5和Si3N4薄膜層6，磁控濺射沉積金屬Ni（厚度為150 nm），並在快速熱退火爐（RTP）中進行1000 ℃/2 min退火形成背面歐姆接觸1。正面陽極金屬位置光刻開窗，依次濺金屬Ni（60 nm）、Ti（30 nm）和Al（80 nm），並在RTP中進行800 ℃/2 min退火形成正面歐姆接觸8。