一種碳化矽半導體器件的製作方法

2023-05-22 00:38:41

一種碳化矽半導體器件的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種碳化矽半導體器件，包括半導體襯底、緩衝層和導電外延層，在所述導電外延層上設有柵電極和源極，所述柵電極包括柵介質層和多晶矽層，在所述導電外延層內設有阱區，在所述阱區內設有源區，其特徵在於：所述柵介質層包括下層二氧化矽層、位於下層二氧化矽層上的氮化矽層、位於氮化矽層上端的上層二氧化矽層。本實用新型所提出的碳化矽半導體器件能夠保證器件柵源耐壓滿足產品規範和應用要求，同時能夠得到較低的界面態濃度以及穩定的閾值電壓。
【專利說明】一種碳化矽半導體器件
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及半導體功率器件【技術領域】，尤其涉及一種碳化矽半導體器件。
【背景技術】
[0002]大多數功率半導體器件都是由矽(Si)形成，但是各種其它的半導體材料也已被使用，碳化矽(SiC)就是這些備選材料之一。為了實現半導體器件具有更高的耐壓以及更低的損耗性能，並且能夠在高溫環境下能夠對其進行使用，通常採用碳化矽作為用於形成半導體器件的材料。與傳統上使用的材料矽相比，碳化矽是一種用於高電壓、高頻和高溫下的理想半導體材料。由於碳化矽的大臨界電場(是矽的十倍)、大帶隙(是矽的三倍)、高導熱率(是矽的四倍)以及大電子飽和度(是矽的二倍)，這使得碳化矽成為製造諸如MOSFET (金屬氧化物半導體場效應電晶體)、IGBT (絕緣柵雙極型電晶體)之類器件的更加理想的材料。由碳化矽形成的半導體器件可具有更高的溫度、以高功率密度、以更高的速度、以更高的功率水平和在高輻射密度下操作的能力。
[0003]因此，通過採用碳化矽作為形成半導體器件的材料，可以實現半導體器件具有更高的耐壓和更低的導通電阻性能。另外，採用碳化矽作為材料的半導體器件的好處還在於，與採用矽作為材料的半導體器件相比，其在高溫環境下使用時特性降低的可能性更小。
[0004]在碳化矽上製作MOSFET和IGBT器件，需要在碳化矽襯底形成一層柵介質層，該柵介質層通常為氧化物層。然而利用傳統熱氧化工藝在碳化矽材料上生產MOSFET、IGBT (絕緣柵雙極型電晶體)等器件的柵介質層，其存在生產速度慢、界面態密度高、界面態密度不穩定的缺點，並且在碳面上生長的外延層目前在商業上無法得到，因此理想的是在矽面上形成柵極氧化物，柵極氧化物與碳化矽襯底之間的界面具有大量的界面陷阱，這些界面陷阱以各種方式對溝道區的電子遷移產生影響。
[0005]這與在矽襯底上的柵介質工藝有很大不同，由於在碳化矽表面很難生長出與矽柵氧工藝一樣高質量的二氧化矽層，而柵介質層的質量高低是直接影響了許多主要的器件參數，而這些問題阻礙了碳化矽功率器件的進一步發展，比如柵介質層比較高的界面態濃度直接影響了閾值電壓的穩定性，其比較低的擊穿強度要求柵氧化物層厚度大，這樣才能夠滿足器件柵源耐壓的要求，一般產品應用條件為+/-15伏，而產品規範為+/-30伏。但是另一方面，柵介質層厚度的提高，又會產生更多的界面態陷阱，導致器件閾值電壓不穩定的問題。
[0006]為了保證器件參數閾值電壓Vth的穩定性，需要減少柵介質層與碳化矽襯底材料直接的界面態濃度，一種直接的方法就是優化柵介質層的工藝熱過程，減少熱過程時間，增加退火工藝，然而這樣會產生柵介質層厚度薄，柵源擊穿電壓降低的問題。
[0007]中國專利申請公布號:CN101933146A，申請公布日:2010年12月29日，公開了一種碳化矽半導體器件，其包括第一導電類型或第二導電類型的碳化矽襯底，第一導電類型的SiC層,其形成在SiC襯底的第一主表面上；第二導電類型的第一 SiC區,其形成在SiC層的表面上；第一導電類型的第二 SiC區，其形成在第一 SiC區的表面內；柵極電介質，其連續地形成在SiC層、第二 SiC區、以及介於SiC層和第二 SiC區之間的第一 SiC區的表面上。該專利所提出的一種碳化矽半導體器件，其存在以下不足之處:由於在碳化矽表面很難生長出與矽柵氧工藝一樣高質量的二氧化矽層，因此該碳化矽半導體器件上的柵介質層的質量不高，其直接影響到器件閾值電壓的穩定性。

【發明內容】

[0008]本實用新型是為了克服現有技術的不足之處，提供了一種碳化矽半導體器件，其製作出的碳化矽半導體器件能夠保證器件柵源耐壓滿足產品規範和應用要求，同時能夠得到較低的界面態濃度以及穩定的閾值電壓。
[0009]為了實現上述目的，本實用新型採用以下技術方案:
[0010]一種碳化矽半導體器件，包括半導體襯底、緩衝層和導電外延層，在所述導電外延層上設有柵電極和源極，所述柵電極包括柵介質層和多晶矽層，在所述導電外延層內設有阱區，在所述阱區內設有源區，其特徵在於:所述柵介質層包括下層二氧化矽層、位於下層二氧化矽層上的氮化矽層、位於氮化矽層上端的上層二氧化矽層。
[0011]本實用新型所提出的一種碳化矽半導體器件，其柵介質層由三層材料組成:下層二氧化矽層、中間層的氮化矽層和上層二氧化矽層，下層二氧化矽層其厚度薄，可以優化其生長溫度、生長溫度和生長時間來減少下層二氧化矽層與半導體襯底的界面態密度；氮化矽層其介電常數大，因此在同樣厚度下其具有較大的電容參數，同時氮化矽層的擊穿強度大，在同樣厚度下，氮化矽層具有較大的柵源擊穿電壓；上層二氧化矽層用於加強氮化矽層的緻密性。本發明通過改變柵介質層的材料，使得碳化矽半導體器件的柵漏電、器件閾值電壓、動態功耗等得到改善。我們可以從Vth的物理公式來解釋以上所說表明界面態密度和Cge對Vth的影響關係。根據有關半導體器件方面的教科書所述，有如下的Vth公式
[0012]Vth=Os+ ^qNafOesi Os/ Cgs
[0013]其中:Os為表面電`勢，Q為電子電量，此處為常數；Na為表面雜質濃度，e 0為真空介電係數，e Si為娃材料介電係數為Cgs器件柵源電容。
[0014]在考慮表面電勢(主要是界面態)對Vth的影響時，對上述公司等號兩邊同時求導數，得到
[0015]d(Vth) = d (Os) + k * d (Os)/ Cgs
[0016]作為優選，所述半導體襯底為N型碳化矽或P型碳化矽。該優選方案中，半導體襯底採用N型碳化矽，其製作形成的為功率MOSFET器件；半導體襯底採用P型碳化矽，其製作形成的為IGBT (絕緣柵雙極型電晶體)。
[0017]作為優選，所述氮化矽層，其厚度為l(T30nm。
[0018]作為優選，所述半導體襯底材料為碳化矽。該優選方案中，半導體襯底材料採用碳化矽材料，其可以讓製作出的半導體器件具有更高的耐壓性能以及具有更低的導通電阻。
[0019]作為優選，所述半導體襯底的摻雜濃度設定在E18/cm3以上。該優選方案中紅，半導體襯底的摻雜濃度設定在E18/cm3以上，這樣可以降低半導體襯底材料形成的串聯電阻。
[0020]與現有技術相比，本實用新型具有如下有益效果:(I)減少柵介質層界面態密度，提高器件參數的穩定性；(2)保證了柵源耐壓、柵源漏電等參數不受柵介質厚度變小的影響；(3)能夠提高柵源電容，進一步減小柵介質層界面態對器件參數Vth穩定性的影響；對於IGBT器件，在提高柵源電容後還能夠提高Cge和Cce電容比例，可以減小短路條件下的柵極震蕩，改善器件的短路安全工作區；(4)有利於減少柵電極(摻雜多晶矽)在磷擴散工藝過程中，同時柵電極摻雜雜質在後續工藝熱過程中對溝道區濃度的影響，提高器件參數如Vth, Rdson, V cesat 的穩定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型的一種結構示意圖。
[0022]圖2為本實用新型柵介質層的結構示意圖。
[0023]圖中，I—N型碳化娃襯底，2—緩衝層，3—導電外延層，4一P講區，5—N+源區,6—柵介質層，7—下層二氧化矽層，8—氮化矽層，9一上層二氧化矽層。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步的描述。
[0025]如圖1、圖2所示:一種碳化矽半導體器件，包括N型碳化矽襯底1、緩衝層2和導電外延層3，在所述導電外延層3上設有柵電極和源極，所述柵電極包括柵介質層6和多晶矽層，在所述導電外延層3內設有P阱區4，在所述P阱區4內設有N+源區5，所述柵介質層6包括下層二氧化娃層7、位於下層二氧化娃層上的氮化娃層8、位於氮化娃層8上端的上層二氧化矽層9。所述氮化矽層8，其厚度為l(T30nm。所述N型碳化矽襯底I的摻雜濃度設定在E18/cm3以上。
[0026]以上內容僅為本實用新型的較佳實施例，對於本領域的普通技術人員，依據本實用新型的思想，在【具體實施方式】以及應用範圍上均會有改變之處，本說明內容不應理解為對本實用新型的限制。
【權利要求】
1.一種碳化矽半導體器件，包括半導體襯底、緩衝層和導電外延層，在所述導電外延層上設有柵電極和源極，所述柵電極包括柵介質層和多晶矽層，在所述導電外延層內設有阱區，在所述阱區內設有源區，其特徵在於:所述柵介質層包括下層二氧化矽層、位於下層二氧化矽層上的氮化矽層、位於氮化矽層上端的上層二氧化矽層。
2.根據權利要求1所述的一種碳化矽半導體器件，其特徵在於:所述半導體襯底為N型碳化矽或P型碳化矽。
3.根據權利要求1所述的一種碳化矽半導體器件，其特徵在於:所述氮化矽層，其厚度為 10?30nm。
4.根據權利要求1或2所述的一種碳化矽半導體器件，其特徵在於:所述半導體襯底材料為碳化娃。
5.根據權利要求1或2所述的一種碳化矽半導體器件，其特徵在於:所述半導體襯底的摻雜濃度設定在E18/cm3以上。
【文檔編號】H01L29/423GK203423185SQ201320525244
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年8月27日 優先權日:2013年8月27日
【發明者】黃國華, 馮明憲, 門洪達, 張偉, 王坤池, 周月 申請人:廈門天睿電子有限公司, 黃國華