一種SiC結勢壘肖特基二極體的製作方法與流程

2023-05-21 22:46:31 1

本發明涉及半導體器件技術領域。更具體地，涉及一種sic結勢壘肖特基二極體的製作方法。

背景技術：

電力電子技術是使用例如晶閘管、gto、igbt等電力電子器件對電能進行變換和控制的一門電子技術，在當今能源開發和利用中發揮著舉足輕重的作用。當前，傳統的矽基電力電子器件的水平基本上維持在109-1010w·hz，已逼近了因寄生二極體制約而能達到的矽材料的極限。為了突破目前的器件極限，一般選擇採用寬能帶間隙材料的半導體器件，如碳化矽(sic)或氮化鎵(gan)器件。

碳化矽材料具有優良的物理和電學特性，以其寬的禁帶寬度、高的熱導率、大的飽和漂移速度和高的臨界擊穿電場等獨特優點，成為製作高功率、高頻、耐高溫、抗輻射器件的理想半導體材料。碳化矽電力電子器件的擊穿電壓可達到矽器件的十倍，而導通電阻僅為矽器件的數十分之一，開關速度快，熱導率高，電能轉換損耗小，散熱系統簡單，最終使整個系統的體積和重量顯著降低。以sic材料製備的電力電子器件已成為目前半導體領域的熱點器件和前沿研究領域之一，是電力電子技術最為重要的發展方向，在軍事和民事領域具有重要的應用前景。

利用sic材料製備的肖特基二極體能提供理想的動態性能。sic肖特基二極體屬於多數載流子器件，工作過程中沒有電荷儲存，因此反向恢復電流僅由耗盡層結電容造成，其反向恢復電流以及其反向恢復損耗比si超快恢復二極體要低一到兩個數量級；進一步地，上述結構能夠大幅度減少和sic肖特基二極體匹配的開關管的開通損耗，提高電路的開關頻率；進一步地，sic肖特基二極體幾乎沒有正向恢復電壓，能夠立即導通，不存在雙極型器件的開通延時現象。在常溫下，sic肖特基二極體的正態導通壓降和si超快恢復器件基本相同，但是由於sic肖特基二極體的導通電阻具有正溫度係數，這將有利於將多個sic肖特基二極體並聯。在二極體單晶片面積和電流受限的情況下，這可以大幅度提高sic肖特基二極體的容量，使它在較大容量中的應用成為可能。sic肖特基二極體可以廣泛應用於電動汽車/混合動力車等需進行功率轉換的逆變器、轉換器、pfc電路，以及太陽能、風能等新能源中的整流、逆變等領域。

單純的sic肖特基二極體具有開關速度快和反向恢復時間短的優點，但是反向特性有一定的局限性，在高電壓下肖特基勢壘退化，反向漏電流大，無法實現高耐壓器件。與肖特基二極體相比，sic的pin二極體具有更高的耐壓，但是反向恢復時間相對較長，正向壓降相對較大。在sic的二極體中，結勢壘肖特基結構(jbs)是將肖特基和pin結構結合在一起的一種器件結構，通過pn結勢壘排除隧穿電流對最高阻斷電壓的限制，結合了兩者的優點，使得jbs結構相比於肖特基器件，反向模式下洩漏電流更低，阻斷電壓高。因此，在高速、高耐壓的sic二極體領域具有很大的優勢。

在電力電子系統中，電力電子器件的特性對系統性能的實現和改善起著至關重要的作用。由於器件的擊穿電壓在很大程度上取決於結曲率引起的邊緣強電場，因此為了緩解表面終止的結邊緣處的電場集中，提高器件的實際擊穿電壓，需要對器件進行結終端結構的設計。結終端結構主要包括場板(fp)、場限環(flr)、結終端延伸(jte)等。在平面結終端技術中，場板技術對耐壓的提升有限，不能達到耐壓要求；場限環技術能達到耐壓要求，但是其對環間距太過敏感，器件設計和工藝難度大；jte的擊穿效率最高，在sic電力電子器件結構中具有非常廣泛的應用。

在sic的jbs器件的製備中，為了使肖特基金屬下的各p區之間的n-區域充分耗盡，p區的濃度一般為1018cm-3數量級，標記為p+區；而p型jte區存在一個優值濃度，該優值濃度與n-漂移層的濃度有關，一般為1017cm-3數量級，標記為p-區。在製備具有jte終端的sic電力電子器件時，考慮到sic中al離子的不完全離化現象、注入的al離子的擴散現象、及摻雜的不均勻性等因素，jte的有效濃度通常會低於jte的優值濃度，這就會降低器件的擊穿電壓。研究表明，p+場限環輔助p--jte的方法來降低器件的擊穿電壓對jte濃度的敏感性，該方法雖然有利於提高器件的擊穿電壓，但在製備sic肖特基二極體時，為了獲得p+場限環，需要在工藝中增加一次高劑量al離子的注入工藝，這增加了工藝的複雜度和成本。即使通過多區結終端延伸技術可以降低器件擊穿電壓對jte濃度的敏感性，但在器件製備過程中，同樣需要兩次及以上的不同劑量的al離子注入來形成多個結終端延伸區域，這也增加了工藝的複雜度。

因此，需要提供一種sic結勢壘肖特基二極體的製作方法，在提高器件的擊穿電壓的同時簡化工藝流程，降低工藝難度和工藝成本。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對上述已有技術的不足，提供一種sic結勢壘肖特基二極體製作方法，使結終端擴展結構及結勢壘結構通過一次離子注入工藝形成，在提高器件的擊穿電壓的同時簡化工藝流程，降低工藝難度和工藝成本。

為達到上述目的，本發明採用下述技術方案：

一種sic結勢壘肖特基二極體的製作方法，包括：

在n+-sic襯底上形成n--sic外延層；

在n--sic外延層形成光刻膠；

利用具有完全透光區、部分透光區和不透光區的掩膜版對光刻膠圖案化，形成與完全透光區對應的第一區域，與部分透光區對應的第二區域以及與不透光區對應的第三區域；

利用al離子注入，在與第一區域對應的外延層中形成p+結勢壘結構，在與第二區域對應的外延層中形成p-結終端擴展結構；以及

去除光刻膠。

優選地，還包括：

在n+-sic襯底的第一表面形成陰極電極；

在n--sic外延層上形成圖案化鈍化層，露出p+結勢壘結構；

形成與p+結勢壘結構和n--sic外延層肖特基接觸的陽極電極。

優選地，部分透光區包括用於控制透光率的多個透光點，透光點形狀為圓形、方形或三角形。

優選地，結勢壘結構包括n個p+型環，其中n≥2，p+型環為方形、u型或v型。

優選地，p+結勢壘結構的摻雜濃度大於或等於1.0×1018cm-3，p-結終端擴展結構的摻雜濃度小於或等於1.0×1018cm-3。

優選地，形成n--sic外延層包括：

對n+-sic襯底進行預處理；

在n+-sic襯底上通過cvd方法生長n--sic外延層。

進一步優選地，n--sic外延層厚度為5～100μm，摻雜濃度為1.0×1015～1.0×1016cm-3。

優選地，注入包括：

在300～500℃溫度下進行不同能量和劑量組合的al離子注入，注入能量範圍為：10～700kev，注入劑量範圍為1×1013～1×1015cm-2；

在1500℃～1700℃溫度範圍內，氬氣環境中進行10～30min的al離子激活退火，獲得p+結勢壘結構及p-結終端擴展結構。

優選地，在n+-sic襯底第一表面生長陰極電極包括：

在n+-sic襯底第一表面電子束蒸發ti/ni/pt金屬；

在900℃～1100℃溫度範圍內，真空環境或惰性氣體氛圍中進行快速熱退火；

在n+-sic襯底第一表面形成n+-sic的歐姆接觸電極。

優選地，形成圖案化鈍化層包括：

通過pecvd在n--sic外延層表面澱積鈍化層sio2；

在鈍化層上sio2上旋塗光刻膠並通過光刻形成肖特基接觸圖案；

腐蝕鈍化層sio2開孔，露出p+結勢壘結構。

優選地，通過電子束蒸發生長金屬ti/ni/al，形成與p+結勢壘結構肖特基接觸的陽極電極。

本發明的有益效果如下：

本發明的一種sic結勢壘肖特基二極體的製作方法，採用一次al離子注入可以同時形成p+的結勢壘結構和p-的結終端擴展結構，避免了多次al離子注入，簡化了器件製備工藝，在提高器件擊穿電壓的同時降低了工藝難度和工藝成本。

附圖說明

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細的說明。

圖1示出光刻掩膜版結構示意圖。

圖2示出在n+-sic襯底2上外延一層n--sic外延層3的結構示意圖。

圖3示出以光刻掩膜版對光刻膠4進行曝光並顯影、碳化操作後，n--sic外延層3表面剩餘光刻膠4的結構示意圖。

圖4示出以光刻膠為掩膜進行離子注入後表面所形成的p+的結勢壘結構6、p-的結終端擴展結構5以及表面殘留光刻膠4的剖面示意圖。

圖5示出去除光刻膠4後的剖面示意圖。

圖6示出澱積歐姆接觸金屬1後的剖面示意圖。

圖7示出澱積氧化層7並光刻開孔後的示意圖。

圖8示出澱積肖特基金屬8後的器件剖面示意圖。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發明，下面結合優選實施例和附圖對本發明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發明的保護範圍。

針對採用兩次不同劑量的al離子注入分別形成具有不同濃度的p+區和p-區時工藝難度和工藝成本相對較高的問題，本發明的一種sic肖特基二極體的製作方法可利用一次al離子注入同時形成具有不同濃度p+和p-兩個區域，從而形成具有結終端延伸的sic結勢壘肖特基二極體。

一種sic結勢壘肖特基二極體的製作方法，其製作步驟包括：

步驟1：

在第一導電類型sic襯底2正面生長第一導電類型sic外延層3。具體地，對第一導電類型sic襯底2進行預處理；在第一導電類型sic襯底2正面通過cvd方法生長第一導電類型sic外延層3；第一導電類型外延層3厚度為5～100μm，摻雜濃度為1.0×1015～1.0×1016cm-3，優選地，第一導電類型sic外延層3厚度為12μm，摻雜濃度為8.0×1015cm-3。其中，第一導電類型為n型，第二導電類型為p型；或第一導電類型為p型，第二導電類型為n型。

步驟2：

製作包括具有不同透光能力的多個掩膜區的光刻掩膜版。光刻掩膜版包括完全透光的第一區域、部分透光的第二區域和不透光的第三區域，第二區域對應第二導電類型的結終端擴展結構5，第一區域對應第二導電類型的結勢壘結構6。第二導電類型的結勢壘結構6和第二導電類型的結終端擴展結構5位於肖特基金屬接觸下和肖特基結邊緣處，通過al離子注入形成。第二區域包括用於控制透光率的多個透光點。透光點的形狀為圓形、方形、三角形或其他可透光形狀，根據透光率確定透光點的密度分布，控制注入al離子的劑量。

步驟3：

在第一導電類型sic外延層3表面塗覆一層光刻膠4，並利用光刻掩膜版進行光刻、顯影和碳化處理。其中，利用所設計光刻掩膜版對光刻膠進行曝光，基於光刻掩膜版不同區域而具有的不同的透光能力，光刻膠4對應區域的曝光程度不同；對曝光後的光刻膠進行顯影，基於曝光程度不同，不同區域的光刻膠具有不同的腐蝕情況，例如完全透光區所對應區域光刻膠完全被腐蝕掉，部分透光區所對應區域光刻膠一部分被腐蝕掉，不透光區所對應區域光刻膠完全保留；對曝光後的光刻膠4進行高溫碳化作為離子注入的阻擋層。

步驟4：

對第一導電類型sic外延層3進行第二導電類型注入，獲得第二導電類型的結終端擴展結構5及第二導電類型的結勢壘結構6。其中，第二導電類型的結勢壘結構6包括n個第二導電類型的環狀結構，其中n≥2。n個第二導電類型的環狀結構通過離子注入形成，呈等間距或不等間距分布，第二導電類型環的形狀為方形、u型、v型或其他環狀形狀。第二導電類型的結勢壘結構6摻雜濃度大於或等於第二導電類型的結終端擴展結構5摻雜濃度。第二導電類型的結勢壘結構6摻雜濃度大於或等於1.0×1018cm-3，第二導電類型的結終端擴展結構5摻雜濃度小於或等於1.0×1018cm-3。

在300～500℃溫度下進行不同能量和劑量組合的al離子注入，注入能量範圍為：10～700kev，注入劑量範圍為1×1013～1×1015cm-2。優選地，在400℃溫度下進行不同能量和劑量組合的al離子注入，注入能量分別為：500kev、280kev、30kev，注入劑量分別為7.8×1014cm-2、5.2×1014cm-2、8.6×1013cm-2；在1500℃～1700℃溫度範圍內，氬氣環境中進行10～30min的al離子激活退火，獲得第二導電類型的結終端擴展結構5及第二導電類型的結勢壘結構6。其中，由於經過曝光、顯影和碳化後的光刻膠4厚度不同，對注入al離子的阻擋程度會有所不同，例如完全透光區所對應區域al離子全部注入，形成高摻雜的第二導電類型區域；部分透光區所對應區域光刻膠較薄，可以阻擋部分al離子，故al離子部分注入，形成低摻雜的第二導電類型區域；不透光區所對應區域完全遮擋al離子，沒有al離子注入。高摻雜的第二導電類型區域的摻雜濃度大於或等於1.0×1018cm-3，形成第二導電類型的結勢壘結構6，低摻雜的第二導電類型區域的摻雜濃度小於或等於1.0×1018cm-3，形成第二導電類型的結終端擴展結構5。

步驟5：

去掉第一導電類型sic外延層3上剩餘的光刻膠4。

步驟6：

在第一導電類型sic襯底2背面生長陰極電極1。具體地，在第一導電類型sic襯底背面電子束蒸發ti/ni/pt金屬；在900℃～1100℃溫度範圍內，真空環境或惰性氣體氛圍中進行快速熱退火；在第一導電類型sic襯底背面形成第一導電類型sic的歐姆接觸電極。

步驟7：

在第一導電類型sic外延層3表面積澱鈍化層7，在鈍化層7上製作肖特基接觸。具體地，通過pecvd在第一導電類型sic外延層3表面澱積鈍化層sio2；在鈍化層上sio2上旋塗光刻膠並通過光刻形成肖特基接觸圖案；腐蝕鈍化層sio2開孔。

步驟8：

在第二導電類型的結終端擴展結構5邊緣處和第二導電類型的結勢壘結構6上電子束蒸發生長金屬ti/ni/al，生長陽極電極8。

實施例1

本實施例中，以第一導電類型為n型，第二導電類型為p型為例進行說明。本發明實施例提供的具有結終端延伸的sic結勢壘肖特基二極體，肖特基金屬下的p型區分別由p+-sic和p--sic兩個區域構成，其中，結勢壘結構由p+-sic區構成，結終端延伸區域由p--sic區構成。以上p型sic區的實現通過一次al離子注入工藝完成。

其原理為：在al離子注入工藝前，預先製作包括具有不同透光能力的多個掩膜區的光刻掩膜版。在n--sic外延層上塗覆一層光刻膠並通過對上述光刻掩膜版進行曝光、顯影和碳化操作，獲得n--sic外延層上具有不同阻擋能力的光刻膠作為離子注入的阻擋層。進行al離子時，由於作為阻擋層的光刻膠對al離子的阻擋能力不同，使n--sic外延層表面獲得不同摻雜濃度的p型區域，即p+-sic區域和p--sic區域。其中由p+-sic區構成結勢壘結構，由p--sic區構成結終端延伸區域，結勢壘結構和結終端延伸區域的形狀由光刻掩膜版設計的區域決定，p型區域的摻雜濃度由注入工藝決定，其不同區域的摻雜濃度差別由光刻掩膜版對應區域的透光率決定。

本實施例中，由p--sic區構成結終端延伸區域為環狀結構，由p+-sic區構成結勢壘結構為n個p+型環，其中n≥2。這種結構比起只具有p+-jbs的器件，能夠進一步降低肖特基結邊緣處表面峰值電場，從而有利於提高器件的擊穿電壓。

一種sic結勢壘肖特基二極體製作方法，具體技術方案如下：

步驟1：如圖1所示，設計光刻掩膜版，包括完全透光區0-1，部分透光區0-2，不透光區0-3。其中部分透光區0-2通過形成一系列透光點來控制透光率，其中透光點的形狀可以是圓形、方形、三角形等任意形狀，並可根據透光率確定透光點的密度分布。

本實施例中，透光點的形狀為圓形，光刻掩膜版包括三個不同透光率的區域，分別為完全透光區0-1、部分透光區0-2和不透光區0-3。

步驟2：如圖2所示，對n+-sic襯底進行預處理，並在該n+襯底正面通過cvd方法生長n--sic外延層，外延層厚度為12μm，摻雜濃度8.0×1015cm-3，其中，cvd(chemicalvapordeposition)技術是化學氣相沉積技術。

步驟3：在n--sic外延層上塗光刻膠，用所設計光刻掩膜版進行光刻，由於光刻版不同區域透光程度不同，故對於光刻膠曝光程度會有所不同。

步驟4：如圖3所示，對曝光後的光刻膠進行顯影，顯影后，由於曝光程度不同，完全透光區0-1所對應區域光刻膠完全被腐蝕掉，部分透光區0-2所對應區域光刻膠一部分被腐蝕掉，不透光區0-3所對應區域光刻膠沒有腐蝕完全保留。

步驟5：如圖4所示，高溫al離子注入形成p型摻雜，在400℃溫度下進行不同能量和劑量組合的al離子注入，注入能量分別為：500kev、280kev、30kev；注入劑量分別為7.8×1014cm-2、5.2×1014cm-2、8.6×1013cm-2。由於掩膜厚度的不同，對注入al離子的阻擋程度會有所不同，全透光區0-1所對應區域al離子全部注入，形成p+區域；部分透光區0-2所對應區域光刻膠較薄，可以阻擋部分al離子，故al離子部分注入，形成p-區域；不透光區0-3所對應區域完全遮擋al離子，沒有al離子注入。

應注意的是，al離子注入不限於本實施例中注入形式，能滿足本發明中不同區域摻雜濃度即可，例如：在400℃溫度下，al離子注入的能量為30kev至550kev；所述注入的能量包括30kev、70kev、100kev、136kev、150kev、215kev、307kev、412kev和550kev；所述能量的注入劑量分別為2×1014cm-2、2.6×1014cm-2、3.5×1014cm-2、6.5×1014cm-2、5.2×1013cm-2、7.7×1013cm-2、9×1013cm-2、1.02×1014cm-2和1.67×1014cm-2。

步驟6：如圖5所示，去掉表面光刻膠，在1500℃至1700℃溫度範圍內，在惰性氣體例如氬氣氛圍中，進行al離子注入後的激活退火，獲得p+結勢壘區和p-結終端擴展區。

步驟7：如圖6所示，在n+-sic襯底背面電子束蒸發ti/ni/pt金屬，在900℃至1100℃溫度範圍內，在真空環境或惰性氣體氛圍中進行快速熱退火，在n+-sic襯底背面形成n+-sic的歐姆接觸。

步驟8：通過pecvd在已完成p+和p-注入的n--sic外延層表面澱積鈍化層sio2。

步驟9：如圖7所示，鈍化層上sio2上旋塗光刻膠後，通過光刻形成肖特基接觸圖案，腐蝕鈍化層sio2開孔後，再用電子束蒸發生長金屬ti/ni/al。

步驟10：剝離金屬，完成器件的製備。

如圖8所示，按照上述sic結勢壘肖特基二極體製作方法製作的sic結勢壘肖特基二極體包括如下結構：

n+-sic襯底2；

形成於該n+-sic襯底2背部的陰極電極1；

形成於該n+-sic襯底2之上的同型n--sic外延層3；

形成於該n--sic外延層3上的sio2鈍化層7和陽極電極8；

形成於陽極電極8金屬接觸邊緣處的一個p-型結終端擴展結構5；

形成於陽極電極8下的p+結勢壘結構6。

顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定，對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這裡無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬於本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。