N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管及其制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管及其制造方法，目的在于，降低器件開態電阻、提升功率特性，結構所采用的技術方案為：包括自下而上依次設置的P型歐姆接觸電極、P型SiC襯底、N型SiC緩沖層、N型SiC漂移層和N型SiC電流增強層，所述N型SiC電流增強層上刻蝕形成若干個臺階，相鄰臺階之間設有溝槽，所述臺階頂部設置有N型SiC歐姆接觸層，N型SiC歐姆接觸層的上部設置有N型歐姆接觸電極，N型歐姆接觸電極的形狀與N型SiC歐姆接觸層相同，所述溝槽內設置有肖特基電極，肖特基電極與臺階側面和溝槽底部相接觸，所述P型歐姆接觸電極包括依次沉積的Ni層和Pt層，所述N型歐姆接觸電極包括依次沉積的Ni層和Pt層，所述肖特基電極包括依次沉積的Ni層、Cr層和Au層，或者Ti層、Cr層和Au層，或者Pt層、Cr層和Au層。
【專利說明】
N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管及其制造方法
技術領域
[0001] 本發明涉及半導體器件以及半導體工藝技術領域，具體涉及一種N溝肖特基柵碳 化硅靜電感應晶閘管及其制造方法。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的迅猛發展，對功率半導體器件的性能提出了越來越高的要求。目 前使用的功率器件主要由硅等傳統半導體材料制成，由于受材料性能的限制，器件的電學 性能已經難以持續的大幅提高;而且用這些材料制成的器件不能在高溫強輻射等惡劣環境 下長期工作，特別是在新能源、汽車電子、航空航天等領域中，傳統的硅功率器件已經逐漸 難以勝任。
[0003] 在眾多新型半導體材料中，碳化硅(SiC)材料以其良好的物理和電學性能成為制 造新一代半導體功率器件和電路的首選材料。尤其是高溫、高壓和高頻電力電子應用領域， SiC功率器件更具有硅功率器件難以比擬的優勢和潛力。
[0004] 近年來，SiC器件的商用化有了很大的進展，包括Cree、英飛凌、羅姆等多家公司可 以提供包括SiC SBD、JFET、M0SFET商用產品，但是SiC功率器件的廣泛應用還面臨著很多的 挑戰。特別是SiC全控型功率器件的發展相對較慢，目前市場上只有少數國外公司可以提供 種類比較單一的SiC全控型功率器件，而且價格高昂，難以廣泛應用于民用領域。
[0005] 在眾多的SiC功率器件類型中，SiC JFET是電壓控制的單極型器件，具有單步制備 工藝相對成熟且不存在M0S界面層質量問題等優點，一直是中等額度電壓SiC功率器件的研 究熱點，并成為了首款商用的SiC全控型功率器件，但至今未能廣泛推廣。其中最大的問題 是SiC JFET的正、反向特性都同時敏感的依賴于溝道區域的結構和工藝參數，這給高功率 常關型SiC JFET的結構設計和工藝研制帶來了困難，提高了器件制備成本，影響了器件的 應用。
[0006] 為了解決常關型SiC JFET折中開態電阻和關態特性困難的問題，引入電導調制效 應是比較理想的選擇，常見的方案有兩種：一是將SiC JFET工作于雙極模式下（BJFET/ BMFET)，讓柵源PN結正偏向溝道內注入的少數載流子以調制開態電阻；二是采用類似于 SITH(靜電感應晶閘管）的結構，在漏極引入一個PN結。
[0007] 其中第一種方案雖然不增加工藝難度，但需要柵極由電壓驅動轉變為電流驅動， 不僅會增大驅動功率、增加驅動電路復雜度；同時由于柵極注入只能調制溝道低摻雜區的 電導率，所以該方案的應用價值有限。
[0008] 而靜電感應晶閘管可以看出JFET與PIN的串聯，即具有SiC JFET工藝成熟、易驅動 的優點，又具有更強烈的電導調制效應。與BJFET相比，SITH漏端PN結注入的少子可以有效 的調制整個漂移區的電導率，有效降低器件的開態電阻。
【發明內容】
[0009] 為了解決現有技術中的問題，本發明提出一種有利于降低器件開態電阻、提升功 率特性的N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管及其制造方法。
[0010]為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案為：
[0011] -種N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管，包括自下而上依次設置的P型歐姆接觸 電極、P型SiC襯底、N型SiC緩沖層、N型SiC漂移層和N型SiC電流增強層，所述N型SiC電流增 強層上刻蝕形成若干個臺階，相鄰臺階之間設有溝槽，所述臺階頂部設置有N型SiC歐姆接 觸層，N型SiC歐姆接觸層的上部設置有N型歐姆接觸電極，N型歐姆接觸電極的形狀與N型 SiC歐姆接觸層相同，所述溝槽內設置有肖特基電極，肖特基電極與臺階側面和溝槽底部相 接觸，所述P型歐姆接觸電極包括依次沉積的Ni層和Pt層，所述N型歐姆接觸電極包括依次 沉積的Ni層和Pt層，所述肖特基電極包括依次沉積的Ni層、Cr層和Au層，或者Ti層、Cr層和 Au層，或者Pt層、Cr層和Au層。
[0012] 所述p型SiC襯底的摻雜濃度1 X 1018~1 X 1019cm-3。
[0013] 所述N型SiC緩沖層的厚度為0.5~2.0μπι，摻雜濃度為1X1016~5X10 17cm-3。
[0014] 所述N型SiC漂移層的厚度為材料中空穴擴散長度的0.4~0.9倍，摻雜濃度Ndrift為 lX1014~8X1015cm-3〇
[0015] 所述N型SiC電流增強層的摻雜濃度Ncsl為1 X 1016~1 X 1017cm-3，N型SiC電流增強 層在溝槽底部的厚度為〇. 5~2μπι。
[0016] 所述臺階高度為1.5~3.5μπι，臺階寬度為
的1.0~2.0倍。
[0017] 所述Ν型歐姆接觸層的摻雜濃度1 X 1018~1 X 1019cnf3，厚度為0.2~0.5μπι。
[0018] -種Ν溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管制造方法，包括以下步驟：
[0019] 步驟一、由S i C基片構成的Ρ型S i C襯底；
[0020] 步驟二、采用化學氣相沉積法在P型SiC襯底的上表面上依次外延生長N型SiC緩沖 層、N型SiC漂移層、N型SiC電流增強層和N型SiC歐姆接觸層；
[0021] 步驟三、通過SF6氣體，采用反應離子干法刻蝕法在N型SiC電流增強層和N型SiC歐 姆接觸層上刻蝕出若干個臺階，相鄰臺階之間設溝槽；
[0022] 步驟四、在N型SiC歐姆接觸層上部依次淀積Ni層和Pt層;在P型SiC襯底下部依次 淀積Ni層和Pt層，并在N2氣氛下進行溫度為950 °C~1050 °C的熱退火，在N型SiC歐姆接觸層 的上部形成由Ni層和Pt層構成的N型歐姆接觸電極，在P型SiC襯底下部形成由Ni層和Pt層 構成的P型歐姆接觸電極；
[0023]步驟五、在溝槽底部和臺階側面依次淀積Ni層、Cr層和Au層，或者Ti層、Cr層和Au 層，或者Pt層、Cr層和Au層，形成肖特基電極，即得到N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管。 [0024] 所述N型SiC歐姆接觸層上部的Ni層厚度為200nm~400nm，Pt層的厚度為50nm~ 200nm;P型SiC襯底下部淀積的Ni層厚度為200nm~400nm，Pt層的厚度為50nm~200nm;在溝 槽底部和臺階側面淀積的Ni層、Ti層或Pt層的厚度為50~200nm，Cr層厚度為50~100nm，Au 層厚度為50~500nm〇
[0025]與現有技術相比，本發明采用P型SiC襯底，通過與N型漂移層形成PN結提供少子注 入以獲得電導調制效應，并在P型SiC襯底與N型SiC漂移層之間設置N型SiC緩沖層以避免穿 通，在N型SiC漂移層與N型SiC歐姆接觸層之間設置N型SiC電流增強層以降低溝道區的阻 抗，采用肖特基電極替代PN結作為器件的柵極以降低工藝復雜度及柵極開關特性。對于常 規結構的SiC JFET，器件的開態電阻和擊穿電壓都敏感依賴于溝道區的材料參數，難以折 中。尤其是對于常關型器件，很難同時獲得低開態電阻和高擊穿電壓。本發明通過采用P型 襯底形成的少子注入調制低摻雜的N型漂移層，通過對結構參數的優化設計讓電導調制效 應可以覆蓋整個漂移區，即少子擴散長度大于漂移區厚度，即可顯著削弱漂移區摻雜對開 態電阻的影響。對于這種類型的器件，理論上有N溝（即采用N型的溝道和漂移層)和P溝(P型 的溝道和漂移層)兩種技術方案，即分別采用采用空穴和電子作為襯底注入的少子以調制 溝道區的電導率。一般情況下電子的擴散長度要比空穴的擴散長度長，比如SiC中電子的少 子擴散長度Ln為10~25μπι，而空穴的擴散長度Lp為5~12μπι。但對于S i C材料P型雜質的激活 率、離化率和迀移率等參數都顯著低于N型雜質，即P型材料的性能顯著低于N型材料，這既 不利于工藝的研制也不利于提升器件的關態和開關特性。綜上所述，本發明提出的結構能 夠有效解決傳統SiC JFET存在的問題，同時獲得低開態電阻和高擊穿電壓，提高設計靈活 度，降低工藝難度，新穎合理，實用性強。
[0026]進一步，為了獲得高的擊穿電壓，需要降低漂移區摻雜濃度和增加漂移區的厚度， 但這都會顯著增大開態電阻。由于漂移層的厚度由電導調制效應決定，且開態電阻不再受 漂移區摻雜濃度的影響，本發明通過采用低摻雜的漂移區以獲得高擊穿電壓。采用本方案 的設計后，開態電阻和擊穿電壓分別由兩個參數決定，大大增加了設計靈活度。但同時，采 用上述的設計思路后，器件關態時，柵耗盡區很容易延伸到襯底，即發生穿通，這會導致器 件的擊穿特性變差。本發明在P型襯底和N型漂移層之間設置N型緩沖層，以避免穿通的發 生，有利于提升擊穿電壓。
[0027]進一步，由于采用了低摻雜的漂移層，溝道區的阻抗會顯著上升，本發明在N型漂 移層與歐姆接觸層之間設置N型電流增強層以降低溝道區的阻抗，從而降低漂移層低摻雜 對開態電阻的影響，提升器件性能，提高設計的靈活度。
[0028] 進一步，采用了本發明的結構后，設計和研制開態電阻低的常關型器件更為容易， 設計方法是溝道寬度，即臺階寬度小于等于2倍柵耗盡層厚度，根據器件物理的知識，耗盡
層厚度為 其中VD為勢皇高度，對于SiC材料和本結構的特點，約等于 ，
[0029] 本發明的方法制備的N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管能夠有效解決傳統SiC JFET存在的問題，同時獲得低開態電阻和高擊穿電壓，提高設計靈活度，降低工藝難度，新 穎合理，實用性強。
[0030] 進一步，采用肖特基電極替代傳統的PN結作為柵極，用一次金屬淀積工藝替代柵 區離子注入、雜質激活退火工藝以及金屬電極等多步復雜工藝，可以顯著降低工藝難度和 復雜度。同時，與離子注入不同，肖特基接觸不消耗材料厚度，有利于降低器件的設計難度 和刻蝕工藝難度。同時，與PN結不同，肖特基接觸沒有擴散電容，有利于提升柵極開關特性。
【附圖說明】
[0031]圖1為本發明的結構示意圖；
[0032]圖2為本發明制造方法的流程圖；
[0033]圖3a為本發明制造方法步驟一完成后的器件結構示意圖，圖3b為步驟二完成后的 器件結構示意圖，圖3c為步驟三完成后的器件結構示意圖，圖3d為步驟四、五、六完成后的 器件結構示意圖；
[0034] 其中，1-P型SiC襯底;2-N型SiC緩沖層;3-N型SiC漂移層;4-N型SiC電流增強層;5-N型SiC歐姆接觸層;6-N型歐姆接觸電極;7-P型歐姆接觸電極;8-肖特基電極。
【具體實施方式】
[0035]下面結合具體的實施例和說明書附圖對本發明作進一步的解釋說明。
[0036]本發明的結構包括由P型SiC襯底1和設置在P型SiC襯底1上部的N型SiC緩沖層2，N 型SiC緩沖層2上設置N型SiC漂移層3，N型SiC漂移層3上設置N型SiC電流增強層4，N型SiC電 流增強層4上設置N型SiC歐姆接觸層5，N型電流增強層4和N型SiC歐姆接觸層5上刻蝕形成 若干個臺階，相鄰臺階之間設有溝槽，在臺階側面和溝槽底部設置有肖特基電極8,肖特基 電極8覆蓋N型SiC電流增強層4與N型歐姆接觸電極6不接觸，N型SiC歐姆接觸層5上部設置 有形狀與N型SiC歐姆接觸層5形狀相同的N型歐姆接觸電極6，P型SiC襯底1下部設置有P型 歐姆接觸電極7。
[0037] P型SiC襯底1摻雜濃度為1 X 1018~1 X 1019cm-3 ;N型SiC緩沖層2厚度為0.5~2.0μ m，摻雜濃度為1 X 1016~5 X 1017cnf3,厚度與摻雜濃度呈反比例關系;Ν型SiC漂移層3的厚度 為材料中空穴擴散長度的0.4~0.9倍，摻雜濃度Ndrift為1 X 1014~8 X 1015cnf3;臺階高度1.5 ~3.5μπι，臺階寬度為
的1.0~2.0倍，Ν型電流增強層4的摻雜濃度NCSL為IX 1016 ~lX1017cnf3,其下邊界延伸到溝槽底部下方0.5~2μπι，即的溝槽底部的N型電流增強層4 厚度為〇. 5~2μπι;Ν型歐姆接觸層5摻雜濃度1 X 1018~1 X 1019cm_3，厚度0.2~0.5μπι;肖特基 電極6由下向上由二層金屬構成，Ni層、Cr層和Au層，或者Ti層、Cr層和Au層，或者Pt層、Cr層 和Au層，其中Ni、Ti或Pt層厚度為50~200nm，Cr層厚度為50~100nm，Au層厚度為50~ 500nm〇
[0038]本發明制備方法，包括以下步驟：
[0039]步驟一、提供由SiC基片構成的P型襯底1;
[0040]步驟二、采用化學氣相沉積法在襯底1的上表面上依次外延生長厚度為0.5~2.0μ m，摻雜濃度為1 Χ1016~5 X1017cnf3的Ν型SiC緩沖層2;厚度為材料中空穴擴散長度的0.4~ 〇. 9倍，摻雜濃度Ndrift為1 X 1014~8 X 1015cnf3的N型SiC漂移層3;摻雜濃度Ncsl為1 X 1016~1 X 1017cnf3的N型SiC電流增強層4;摻雜濃度1 X 1018~1 X 1019cnf3，厚度為0.2~0.5μπι的N型 SiC歐姆接觸層5;
[0041 ] 步驟三、通過SF6氣體，采用反應離子干法刻蝕法在N型SiC電流增強層4和N型SiC 歐姆接觸層5上刻蝕出高度為1.5~3.5μπι，臺階寬度為.
的1.0~2.0倍，間距為2 ~5μηι的若干個臺階，相鄰臺階之間設溝槽；
[0042] 步驟四、在N型SiC歐姆接觸層5上方依次淀積Ni層和Pt層，Ni層的厚度為200nm~ 400nm，Pt層的厚度為50nm~200nm;
[0043] 步驟五、在P型SiC襯底1下方依次淀積Ni層和Pt層，Ni層的厚度為200nm~400nm， Pt層的厚度為50nm~200nm;
[0044] 步驟六、在N2氣氛下進行溫度為950 °C~1050 °C的熱退火，在N型SiC歐姆接觸層5 的上部形成由Ni層和Pt層構成的N型歐姆接觸電極6;在P型SiC襯底1下方形成由Ni層和Pt 層構成的P型歐姆接觸電極7;
[0045] 步驟七、在溝槽底部和側面依次淀積Ni金屬50~200nm，Cr金屬50~100nm，Au金屬 50~500nm，形成肖特基電極8,即得到N溝新型柵結構碳化硅靜電感應晶閘管。
[0046]靜電感應晶閘管，是一種典型的復合型功率半導體器件，從技術上可以理解為單 極型器件(靜電感應晶體管，SIT)加上了少子調制效應。從材料角度，其性能由單極型器件 的體材料和少子的性能決定。對于N溝型器件，是N型體材料（電子導電）和P型少子(空穴）； 對于P溝器件，是P型體材料(空穴導電）和N型少子(電子）。
[0047]對于大部分半導體材料，N型材料的性能（包括體材料和少子性能）都優于P型材 料，因此，類似靜電感應晶閘管這樣的復合型器件，難以同時獲得高的體材料和少子性能， 即只能采用N型體材料加 P型少子(N溝)或者P型體材料加 N型少子(P溝）。
[0048]對于半導體材料，N型和P型體材料和少子特性，在數值上往往差了兩三倍甚至更 多，而工藝上也有很大的差別。以SiC材料為例，N型和P型材料的摻雜元素、雜質激活溫度、 雜質激活率、雜質離化率、迀移率、擴散系數、少子壽命等，以及研制歐姆接觸所采用的金屬 類型、退火溫度，研制肖特基接觸的工藝參數，以及最后的工藝效果等，都有較大的差別。N 溝和P溝SiC器件不僅僅是摻雜類型的轉換，而且是在器件特性和設計方法上有較大的區 別。
[0049] 參照目前研究較多的另外一款SiC復合型功率半導體器件--SiC IGBT，與本專 利涉及的理論思想類似，也是單極型器件(M0SFET)加上少子調制效應，目前學術界對于其N 溝和P溝的研究都較為重視，研究發現這兩種器件的特性各有優劣。同時開展這兩種類型器 件的研究將有助于這一類器件更快更好的發展。
[0050] 本發明采用P型襯底，通過與N型漂移層形成PN結提供少子注入以獲得電導調制效 應，并在襯底與N型漂移層之間設置N型緩沖層以避免穿通，在N型漂移層與歐姆接觸層之間 設置N型電流增強層以降低溝道區的阻抗。采用肖特基電極替代PN結作為器件的柵極以降 低工藝復雜度及柵極開關特性。有效解決了傳統SiC JFET存在的問題，同時獲得低開態電 阻和高擊穿電壓，提高設計靈活度，降低工藝難度，新穎合理，實用性強。
【主權項】
1. 一種N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管，其特征在于，包括自下而上依次設置的P 型歐姆接觸電極(7)、P型SiC襯底（1)、N型SiC緩沖層(2)、N型SiC漂移層(3)和N型SiC電流增 強層(4)，所述N型SiC電流增強層(4)上刻蝕形成若干個臺階，相鄰臺階之間設有溝槽，所述 臺階頂部設置有N型SiC歐姆接觸層(5)，N型SiC歐姆接觸層(5)的上部設置有N型歐姆接觸 電極(6)，N型歐姆接觸電極(6)的形狀與N型SiC歐姆接觸層(5)相同，所述溝槽內設置有肖 特基電極(8)，肖特基電極(8)與臺階側面和溝槽底部相接觸，所述P型歐姆接觸電極(7)包 括依次沉積的Ni層和Pt層，所述N型歐姆接觸電極(6)包括依次沉積的Ni層和Pt層，所述肖 特基電極(8)包括依次沉積的Ni層、Cr層和Au層，或者Ti層、Cr層和Au層，或者Pt層、Cr層和 Au層。2. 根據權利要求1所述的一種N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管，其特征在于，所述P 型SiC襯底(1)的摻雜濃度I X IO18~I X IO19Cnf3。3. 根據權利要求1所述的一種N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管，其特征在于，所述N 型SiC緩沖層⑵的厚度為0.5~2.Ομπι，摻雜濃度為IX IO16~5X 1017cm-3。4. 根據權利要求1所述的一種N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管，其特征在于，所述N 型SiC漂移層⑶的厚度為材料中空穴擴散長度的0.4~0.9倍，摻雜濃度Ndrift為IX IO14~8 XlO15Cnf305. 根據權利要求1所述的一種N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管，其特征在于，所述N 型SiC電流增強層(4)的摻雜濃度Ncsl為I X IO16~I X IO17Cnf3，N型SiC電流增強層(4)在溝槽 底部的厚度為0.5~2μπι。6. 根據權利要求5所述的一種N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管，其特征在于，所述 臺階高度為1.5~3.5μπι，臺階寬爲丨1.0~2.0倍。7. 根據權利要求1所述的一種N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管，其特征在于，所述N 型歐姆接觸層(5)的摻雜濃度I X IO18~I X IO19Cnf3，厚度為0.2~0.5μπι。8. -種N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管制造方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、由SiC基片構成的P型SiC襯底(1); 步驟二、采用化學氣相沉積法在P型SiC襯底（1)的上表面上依次外延生長N型SiC緩沖 層(2)、Ν型SiC漂移層(3)、Ν型SiC電流增強層(4)和N型SiC歐姆接觸層(5); 步驟三、通過SF6氣體，采用反應離子干法刻蝕法在N型SiC電流增強層(4)和N型SiC歐姆 接觸層(5)上刻蝕出若干個臺階，相鄰臺階之間設溝槽； 步驟四、在N型SiC歐姆接觸層（5)上部依次淀積Ni層和Pt層;在P型SiC襯底（1)下部依 次淀積Ni層和Pt層，并在N2氣氛下進行溫度為950 °C~1050 °C的熱退火，在N型SiC歐姆接觸 層(5)的上部形成由Ni層和Pt層構成的N型歐姆接觸電極(6)，在P型SiC襯底（1)下部形成由 Ni層和Pt層構成的P型歐姆接觸電極(7); 步驟五、在溝槽底部和臺階側面依次淀積Ni層、Cr層和Au層，或者Ti層、Cr層和Au層，或 者Pt層、Cr層和Au層，形成肖特基電極(8)，即得到N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管。9. 根據權利要求8所述的一種N溝肖特基柵碳化硅靜電感應晶閘管制造方法，其特征在 于，所述N型SiC歐姆接觸層（5)上部的Ni層厚度為200nm~400nm，Pt層的厚度為50nm~ 200nm;P型SiC襯底（1)下部淀積的Ni層厚度為200nm~400nm，Pt層的厚度為50nm~200nm; 在溝槽底部和臺階側面淀積的Ni層、Ti層或Pt層的厚度為50~200nm，Cr層厚度為50~ 10〇11111，八11層厚度為50~50〇11111。
【文檔編號】H01L29/47GK106024877SQ201610497794
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】張 林, 張贊, 高恬溪, 朱瑋
【申請人】長安大學