一種SiC器件終端結構的製作方法與流程

2023-11-01 15:35:22 2

本發明涉及一種半導體微電子器件製備技術，具體涉及一種SiC器件終端結構的製作方法。

背景技術：

碳化矽材料臨界場強高、禁帶寬度大，成為在大功率、高溫、高壓等應用領域非常受歡迎的半導體材料。碳化矽器件的比導通電阻比同類矽器件小兩個數量級，工作頻率10倍於矽，輻射耐受量10倍於矽，單個器件可承受的電壓可達矽器件的10倍，晶片功率密度可達矽器件的10倍到30倍，碳化矽模塊的體積重量與矽模塊相比可減少80％，系統損耗可降低30％到70％。

目前，SiC器件的製造普遍沿用平面工藝，而平面工藝面臨很多二維(圓柱形)或三維(球形)效應，例如電場集中效應等。當器件反向偏置時，第一種導電類型區域的拐角處電場受到擁擠，進而產生一個電場尖峰，隨著器件的反向偏壓不斷增加，此處電場強度達到Ec時，器件即發生擊穿。一個未作終端處理的器件通常擊穿電壓為理想值的10％～20％左右，極大的限制了器件的高壓阻斷能力。

結終端技術能夠解決高壓碳化矽器件阻斷時的邊界二維效應，主要是將器件主結區域的高電壓逐步釋放，使其儘可能的迫近理論計算值。此外，在SiC器件中，結終端技術的意義還在於減小器件的表面電場，避免器件表面鈍化層的擊穿。因此，為了緩解SiC器件中電場的集中和提高器件的擊穿電壓，必須採用結終端技術。在碳化矽功率器件中，常用的平面型結終端技術有：場板FP(Field Plate)、場限環FLR(Field Limiting Ring)、結終端擴展JTE(Junction Termination Extension)，以上3種終端技術各有優缺點，為了充分發揮各終端的優勢，常常將2種或以上的終端技術結合起來使用。

形成具有場限環或結終端擴展的SiC高壓器件終端結構必須進行離子注入。由於SiC與Si相比具有更大的密度，因此在同能量注入的情況下，離子在SiC中能夠形成的注入深度會更小，這就需要採用更大的注入能量來進行離子注入工藝。為了提高SiC功 率器件的反向擊穿電壓，需要進一步增加器件終端結構中離子注入的深度，有時為達到較深的注入區域，其注入能量可能需要達到MeV級別，這在通常工藝條件下很難實現。基於上述問題，必須尋求更好的製作SiC器件終端結構的方法。

技術實現要素：

本發明提供一種SiC器件終端結構的製作方法，能夠採用低注入能量實現SiC器件終端結構的高反向擊穿電壓，該方法通過有效增加SiC器件終端結構中離子注入的深度，提高了器件反向耐壓能力，且注入能量較低，工藝簡單，易於實現。

該SiC器件終端結構的製作方法如下：

步驟一，在SiC器件終端的第二種導電類型的碳化矽襯底上表面澱積注入掩膜；

步驟二，對注入掩膜進行光刻，曝露出需要進行離子注入的區域；

步驟三，刻蝕注入掩膜，形成注入窗口，再刻蝕碳化矽襯底，形成刻蝕凹槽；

步驟四，去除光刻膠；

步驟五，注入第一種導電類型的離子，形成SiC器件終端結構中第一種導電類型的離子注入區。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第一優選技術方案，所述的終端結構是需要進行離子注入的終端結構。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第二優選技術方案，所述的終端結構是場限環結構、結終端擴展結構、或上述結構與場板或刻蝕終端結構的任意組合。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第三優選技術方案，所述第二種導電類型為P型或N型。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第四優選技術方案，所述碳化矽襯底是4H-SiC、6H-SiC或3C-SiC。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第五優選技術方案，所述注入掩膜是氧化矽、氮化矽、非晶矽、金屬薄膜、光刻膠中一種或幾種不同薄膜組合的層疊結構。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第六優選技術方案，所述注入掩膜的形成方法是等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)、低壓化學氣相沉積法(LPCVD：Low Pressure Chemical Vapor Deposition)、磁控濺射、熱蒸發鍍膜法中的一種或幾種組合。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第七優選技術方案，所述注入掩膜的厚度為0.5μm～10μm。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第八優選技術方案，步驟二中所述光刻選用的光刻膠是正性光刻膠、負性光刻膠或反轉光刻膠。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第九優選技術方案，步驟二中所述光刻後，堅膜光刻膠。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第十優選技術方案，所述堅膜光刻膠的方法：於50℃～350℃下，用熱板堅膜0.1min～60min或用烘箱堅膜1min～180min。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第十一優選技術方案，步驟二中所述需要進行離子注入的區域位於SiC器件的終端結構中。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第十二優選技術方案，步驟二中所述需要進行離子注入的區域尺寸相同或不同。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第十三優選技術方案，所述需要進行離子注入的區域中注入離子的濃度相同或不同。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第十四優選技術方案，步驟三中所述刻蝕的方法是ICP刻蝕、RIE刻蝕、溼法刻蝕的一種或幾種的組合。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第十五優選技術方案，步驟三所述刻蝕注入掩膜與刻蝕碳化矽襯底的方法相同或不同。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第十六優選技術方案，步驟四中所述去除光刻膠的方法：有機溶劑去膠、可以為無機溶劑去膠或氧等離子體幹法去膠。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第十七優選技術方案，步驟五中所述注入第一種導電類型離子的方法為高溫離子注入。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第十八優選技術方案，所述高溫離子注入的溫度大於等於500攝氏度。

所述的SiC器件終端結構的製作方法的第十九優選技術方案，所述高溫離子注入的能量為10keV～2MeV。

和現有技術相比，本發明方法的有益效果：

1)在採用較低離子注入能量的情況下，增大了SiC器件終端結構中第一種導電類型離子注入的深度，在器件反向工作的情況下形成更厚的電壓阻擋層，充分發揮了SiC終端結構的優點，增大了器件的反向耐壓，提高了SiC器件的性能。

2)製作工藝簡單，易於實現。

附圖說明

圖1：採用一般方法製作的SiC器件終端結構橫截面示意圖；

圖2：採用本發明方法製作的SiC器件終端結構橫截面示意圖；

圖3：實施例1中在N型碳化矽襯底上澱積3μm SiO2作為注入掩膜後的器件終端結構橫截面示意圖；

圖4：實施例1中對SiO2層進行光刻的器件橫截面示意圖；

圖5：實施例1中RIE刻蝕SiO2注入掩膜形成終端結構中離子注入窗口後的器件橫截面示意圖；

圖6：實施例1中採用ICP方式繼續刻蝕N型碳化矽襯底，形成刻蝕凹槽後的器件 橫截面示意圖；

圖7：實施例1中去除正性光刻膠後器件的橫截面示意圖；

圖8：實施例1中離子注入形成SiC器件終端結構中P型注入區的橫截面示意圖。

圖9：實施例1中形成具有場限環及浮空場板終端結構的碳化矽器件的橫截面示意圖。

圖10：實施例2中對SiO2層進行光刻的器件橫截面示意圖；

圖11：實施例2中RIE刻蝕SiO2注入掩膜形成終端結構中離子注入窗口後的器件橫截面示意圖；

圖12：實施例2中採用ICP方式繼續刻蝕N型碳化矽襯底，形成刻蝕凹槽後的器件橫截面示意圖；

圖13：實施例2中去除正性光刻膠後器件的橫截面示意圖；

圖14：實施例2中離子注入形成SiC器件終端結構中P型注入區的橫截面示意圖。

圖15：實施例2中形成的具有JTE終端結構的碳化矽器件的橫截面示意圖。

圖16：實施例3中在N型碳化矽襯底上澱積SiO2及Si3N4層作為注入掩膜的器件橫截面示意圖；

圖17：實施例3中對SiO2及Si3N4層進行光刻的器件橫截面示意圖；

圖18：實施例3中刻蝕SiO2及Si3N4注入掩膜形成場限環終端離子注入窗口後的器件橫截面示意圖；

圖19：實施例3中繼續刻蝕N型碳化矽襯底，形成刻蝕凹槽後的器件橫截面示意圖；

圖20：實施例3中去除正性光刻膠後器件的橫截面示意圖；

圖21：實施例3中離子注入場限環終端結構中P型注入區的器件橫截面示意圖。

圖22：實施例3中形成的具有場限環終端結構的碳化矽器件橫截面示意圖。

圖23：實施例4中對形成JTE結構SiO2離子注入掩膜進行光刻的器件橫截面示意圖。

圖24：實施例4中使用ICP工藝刻蝕SiO2掩膜後形成JTE結構離子注入掩膜的器件橫截面示意圖。

圖25：實施例4中繼續使用ICP刻蝕SiO2掩膜下的SiC材料形成用於JTE結構離子注入刻蝕凹槽的器件橫截面示意圖。

圖26：實施例4中去除SiO2上光刻膠後的器件橫截面示意圖。

圖27：實施例4中對JTE結構進行第一種摻雜濃度的P型離子注入的器件橫截面示意圖。

圖28：實施例4中第二次澱積SiO2層的器件橫截面示意圖。

圖29：實施例4中光刻注入掩膜，形成場限環結構離子注入掩膜的刻蝕阻擋層的器件橫截面示意圖。

圖30：實施例4中使用ICP工藝刻蝕SiO2掩膜，形成場限環結構離子注入窗口的器件橫截面示意圖。

圖31：實施例4中繼續使用ICP刻蝕SiO2掩膜下的SiC材料，形成場限環結構離子注入刻蝕凹槽的器件橫截面示意圖。

圖32：實施例4中第二次去除光刻膠後的器件橫截面示意圖。

圖33：實施例4中，對場限環結構進行第二種摻雜濃度的P型離子注入的器件橫截面示意圖。

圖34：實施例4中形成的具有JTE及場限環終端結構的器件橫截面示意圖。

附圖標記說明

1 N型碳化矽襯底

2 SiO2離子注入掩膜

3 P型注入離子

4 P型離子注入區

6 鈍化層

7 主節

8 9920正性光刻膠

9 用於正性光刻膠光刻的掩膜板

10 紫外線

11 浮空場板

12 Si3N4離子注入掩膜

具體實施方式

採用通常方法形成的SiC器件終端結構如圖1所示，由於離子注入的能量受到工藝條件的限制，終端結構中離子注入區4的深度一般在0.4μm～0.6μm，限制了器件反向耐壓的進一步提高。

本發明的內容主要是在形成SiC器件終端結構離子注入區時，完成對注入掩膜2的窗口刻蝕之後，繼續刻蝕碳化矽襯底1，形成刻蝕凹槽，接著進行第一種導電類型的離子3的注入，形成深度更大的第一種導電類型離子注入區，如圖2所示，增大了器件的反向耐壓。

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細說明。此外，本發明不限於以 下的實施方式。在與本發明相同和均等的範圍內，可對以下的實施方式做出各種變更。

實施例1

具體工藝流程如下：

步驟一，準備具有N型碳化矽外延層的N型碳化矽襯底1，進行樣品清洗。使用硫酸與雙氧水構成的3#液對樣品進行清洗，使用氨水、雙氧水、水構成的1#液以及鹽酸、雙氧水、水構成的2#液和緩衝氧化層刻蝕劑(BOE：Buffered Oxide Etchant)溶液對樣品進行清洗，再使用丙酮、乙醇、去離子水清洗樣品，之後甩幹樣品。

步驟二，參照圖3，在清洗完畢的N型碳化矽襯底1上採用PECVD方法生長離子注入掩膜SiO22約3μm。

步驟三：參照圖4，光刻注入掩膜，形成場限環結構離子注入掩膜的刻蝕阻擋層。在N型碳化矽襯底上旋塗9920正性光刻膠8，在熱板上對樣品進行前烘，使用用於正性光刻膠光刻的掩膜板9，對樣品在紫外光10下進行曝光操作，掩膜板9透光的位置為終端結構中需要進行離子注入的區域，不透光的位置為不需要進行離子注入的區域，曝光完成後，需要進行離子注入區域的正性光刻膠8變性，可以被顯影液刻蝕掉，不需要進行離子注入的區域不被顯影液刻蝕掉，用烘箱對樣品進行堅膜操作，SiO2刻蝕阻擋層製作完畢。

步驟四：參照圖5，使用RIE工藝刻蝕SiO2掩膜，經過約15分鐘的刻蝕過程，SiO2材料刻蝕完畢，此時終端結構中需要進行離子注入的區域沒有SiO2掩膜保護，不需要進行離子注入的區域有SiO2掩膜保護。

步驟五：將製作好SiO2掩膜的樣品從RIE刻蝕設備中取出，立即放入ICP刻蝕機中進行刻蝕，繼續使用ICP刻蝕SiO2掩膜下的SiC材料，刻蝕氣體為SF6和O2，經過約5分鐘，大約刻蝕深度為滿足刻蝕要求，參照圖6。

步驟六：使用正膠去膜劑去除SiO2上的光刻膠，參照圖7，此時SiO2離子注入掩膜製作完畢。

步驟七：參照圖8，使用高溫離子注入機進行P型離子注入，形成器件終端結構中的P型注入區，由於碳化矽襯底上具有刻蝕凹槽，離子注入的深度比採用一般方法增大0.1μm～1μm。

利用上述步驟，經後續背電極工藝、正面電極工藝及場板工藝後，完成本實施例的一種採用低注入能量實現SiC器件高反向擊穿電壓終端結構方法製作的具有場限環及浮空場板終端結構的器件，參照圖9。

實施例2

具體工藝流程如下：

步驟一，準備具有N型碳化矽外延層的N型碳化矽襯底1，進行樣品清洗。使用硫酸與雙氧水構成的3#液對樣品進行清洗，使用氨水、雙氧水、水構成的1#液以及鹽酸、雙氧水、水構成的2#液和緩衝氧化層刻蝕劑(BOE：Buffered Oxide Etchant)溶液對樣品進行清洗，再使用丙酮、乙醇、去離子水清洗樣品，之後甩幹樣品。

步驟二，在清洗完畢的N型碳化矽襯底1上採用PECVD方法生長離子注入掩膜SiO22約3μm。

步驟三：參照圖10，光刻注入掩膜，形成JTE結構離子注入掩膜的刻蝕阻擋層。在N型碳化矽襯底上旋塗9920正性光刻膠8，在熱板上對樣品進行前烘，使用用於正性光刻膠光刻的掩膜板9，對樣品在紫外光10下進行曝光操作，掩膜板9透光的位置為終端結構中需要進行離子注入的區域，不透光的位置為不需要進行離子注入的區域，曝光完成後，需要進行離子注入區域的正性光刻膠8變性，可以被顯影液刻蝕掉，不需要進行離子注入的區域不被顯影液刻蝕掉，用烘箱對樣品進行堅膜操作，SiO2刻蝕阻擋層製作完畢。

步驟四：參照圖11，使用RIE工藝刻蝕SiO2掩膜，經過約15分鐘的刻蝕過程，SiO2材料刻蝕完畢，此時終端結構中需要進行離子注入的區域沒有SiO2掩膜保護，不需要進行離子注入的區域有SiO2掩膜保護。

步驟五：將製作好SiO2掩膜的樣品從RIE刻蝕設備中取出，立即放入ICP刻蝕機 中進行刻蝕，繼續使用ICP刻蝕SiO2掩膜下的SiC材料，刻蝕氣體為SF6和O2，經過約5分鐘，大約刻蝕深度為滿足刻蝕要求，參照圖12。

步驟六：使用正膠去膜劑去除SiO2上的光刻膠，參照圖13，此時SiO2離子注入掩膜製作完畢。

步驟七：參照圖14，使用高溫離子注入機進行P型離子注入，形成器件終端結構中的P型注入區，由於碳化矽襯底上具有刻蝕凹槽，離子注入的深度比採用一般方法增大0.1μm～1μm。

步驟八：利用上述步驟，經後續背電極工藝、正面電極工藝及鈍化工藝後，完成本實施例的一種採用低注入能量實現SiC器件高反向擊穿電壓終端結構方法製作的具有JTE終端結構的器件，參照圖15。

實施例3

步驟一：準備具有N型碳化矽外延層的N型碳化矽襯底1，進行樣品清洗。使用硫酸與雙氧水構成的3#液對樣品進行清洗，使用氨水、雙氧水、水構成的1#液以及鹽酸、雙氧水、水構成的2#液和緩衝氧化層刻蝕劑BOE溶液對樣品進行清洗，再使用丙酮、乙醇、去離子水清洗樣品，之後甩幹樣品。

步驟二：參照圖16，在清洗完畢的N型碳化矽襯底樣品上生長離子注入掩膜SiO2約2μm，再在SiO2掩膜上生長氮化矽掩膜0.5μm。

步驟三：參照圖17，光刻注入掩膜，形成場限環離子注入掩膜的刻蝕阻擋層。在N型碳化矽襯底上旋塗9920正性光刻膠8，在熱板上對樣品進行前烘，使用用於正性光刻膠光刻的掩膜板9，對樣品在紫外光10下進行曝光操作，掩膜板9透光的位置為需要進行離子注入的區域，不透光的位置為不需要進行離子注入的區域，曝光完成後，需要進行離子注入區域的正性光刻膠8變性，可以被顯影液刻蝕掉，不需要進行離子注入的區域不被顯影液刻蝕掉，用烘箱對樣品進行堅膜操作，Si3N4和SiO2刻蝕阻擋層製作完畢。

步驟四：參照圖18，使用RIE工藝刻蝕Si3N4和SiO2掩膜，經過約15分鐘的刻蝕 過程，Si3N4和SiO2材料刻蝕完畢。此時需要進行離子注入的區域沒有Si3N4和SiO2掩膜保護，不需要進行離子注入的區域有Si3N4和SiO2掩膜保護。

步驟五：將樣品取出，立即放入ICP刻蝕機中進行刻蝕。繼續使用ICP刻蝕Si3N4和SiO2掩膜下的N型SiC襯底材料，刻蝕氣體為SF6和O2，經過約5分鐘，大約刻蝕深度為滿足刻蝕要求，參照圖19。

步驟六：使用正膠去膜劑去除Si3N4和SiO2層疊結構上的光刻膠，參照圖20，此時Si3N4和SiO2層疊結構的離子注入掩膜製作完成。

步驟七：參照圖21，使用高溫離子注入機進行P型注入，形成碳化矽器件場限環終端結構的P型離子注入區。

步驟八：經後續背電極工藝、正面電極工藝及鈍化工藝後，完成本實施例的一種採用低注入能量實現SiC器件高反向擊穿電壓終端結構方法製作的具有場限環終端結構的器件，參照圖22。

實施例4

具體工藝流程如下：

步驟一，準備具有N型碳化矽外延層的N型碳化矽襯底1，進行樣品清洗。使用硫酸與雙氧水構成的3#液對樣品進行清洗，使用氨水、雙氧水、水構成的1#液以及鹽酸、雙氧水、水構成的2#液和緩衝氧化層刻蝕劑(BOE：Buffered Oxide Etchant)溶液對樣品進行清洗，再使用丙酮、乙醇、去離子水清洗樣品，之後甩幹樣品。

步驟二，在清洗完畢的N型碳化矽襯底1上採用PECVD方法生長離子注入掩膜SiO22約3μm。

步驟三：參照圖23，光刻注入掩膜，形成JTE結構離子注入掩膜的刻蝕阻擋層。在N型碳化矽襯底上旋塗9920正性光刻膠8，在熱板上對樣品進行前烘，使用用於正性光刻膠光刻的掩膜板9，對樣品在紫外光10下進行曝光操作，掩膜板9透光的位置為終端結構中需要進行離子注入的區域，不透光的位置為不需要進行離子注入的區域， 曝光完成後，需要進行離子注入區域的正性光刻膠8變性，可以被顯影液刻蝕掉，不需要進行離子注入的區域不被顯影液刻蝕掉，用烘箱對樣品進行堅膜操作，SiO2刻蝕阻擋層製作完畢。

步驟四：參照圖24，使用ICP工藝刻蝕SiO2掩膜，經過約15分鐘的刻蝕過程，SiO2材料刻蝕完畢，此時終端結構中需要進行離子注入的區域沒有SiO2掩膜保護，不需要進行離子注入的區域有SiO2掩膜保護。

步驟五：繼續使用ICP刻蝕SiO2掩膜下的SiC材料，刻蝕氣體為SF6和O2，經過約5分鐘，大約刻蝕深度為滿足刻蝕要求，參照圖25。

步驟六：使用正膠去膜劑去除SiO2上的光刻膠，參照圖26，此時SiO2離子注入掩膜製作完畢。

步驟七：參照圖27，使用高溫離子注入機對JTE結構進行第一種摻雜濃度的P型離子注入，形成器件終端結構中的JTE P型注入區，由於碳化矽襯底上具有刻蝕凹槽，離子注入的深度比採用一般方法增大0.1μm～1μm。

步驟八：參照圖28，去除第一次生長的SiO2層，採用PECVD方法生長第二次離子注入掩膜SiO2層約3μm。

步驟九：參照圖29，光刻注入掩膜，形成場限環結構離子注入掩膜的刻蝕阻擋層。在N型碳化矽襯底上旋塗9920正性光刻膠8，在熱板上對樣品進行前烘，使用用於正性光刻膠光刻的掩膜板9，對樣品在紫外光10下進行曝光操作，掩膜板9透光的位置為終端結構中需要進行離子注入的區域，不透光的位置為不需要進行離子注入的區域，曝光完成後，需要進行離子注入區域的正性光刻膠8變性，可以被顯影液刻蝕掉，不需要進行離子注入的區域不被顯影液刻蝕掉，用烘箱對樣品進行堅膜操作，SiO2刻蝕阻擋層製作完畢。

步驟十：參照圖30，使用ICP工藝刻蝕SiO2掩膜，經過約15分鐘的刻蝕過程，SiO2材料刻蝕完畢，此時終端結構中需要進行離子注入的區域沒有SiO2掩膜保護，不需要進行離子注入的區域有SiO2掩膜保護。

步驟十一：繼續使用ICP刻蝕SiO2掩膜下的SiC材料，刻蝕氣體為SF6和O2，經過約5分鐘，大約刻蝕深度為滿足刻蝕要求，參照圖31。

步驟十二：使用正膠去膜劑去除SiO2上的光刻膠，參照圖32，此時用於場限環離子注入的SiO2離子注入掩膜製作完畢。

步驟十三：參照圖33，使用高溫離子注入機對場限環結構進行第二種摻雜濃度的P型離子注入，形成器件終端結構中的場限環P型注入區，由於碳化矽襯底上具有刻蝕凹槽，離子注入的深度比採用一般方法增大0.1μm～1μm。

步驟十四：利用上述步驟，經後續背電極工藝、正面電極工藝及鈍化工藝後，完成本實施例的一種採用低注入能量實現SiC器件高反向擊穿電壓終端結構方法製作的具有JTE及場限環終端結構的器件，參照圖34。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，所屬領域的普通技術人員應當理解，參照上述實施例可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換均在申請待批的權利要求保護範圍之內。