P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P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N型歐姆接觸電極、N型SiC襯底、P型SiC緩沖層、P型SiC漂移層和P型電流增強層，P型電流增強層上刻蝕形成有若干個臺階，相鄰臺階之間設有溝槽，所述臺階頂部設置有P型SiC歐姆接觸層，P型SiC歐姆接觸層的上部設置有P型歐姆接觸電極，P型歐姆接觸電極的形狀與P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均接觸，所述N型歐姆接觸電極和P型歐姆接觸電極均包括依次沉積的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】
P溝肖特基柵碳化括靜電感應晶闡管及其制造方法
技術領域
[0001] 本發明設及半導體器件W及半導體工藝技術領域，具體設及一種P溝肖特基柵碳 化娃靜電感應晶閩管及其制造方法。
【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娃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W持續的大幅提高;而且用運些材料制成的器件不能在高溫強福射等惡劣環境 下長期工作，特別是在新能源、汽車電子、航空航天等領域中，傳統的娃功率器件已經逐漸 難W勝任。
[0003] 在眾多新型半導體材料中，碳化娃(SiC)材料W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功率器件更具有娃功率器件難W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，包括化ee、英飛凌、羅姆等多家公司可 W提供包括SiC SBD、J陽T、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W提供 種類比較單一的SiC全控型功率器件，而且價格高昂，難W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MOS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，運給高功率 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（BWET/ BMFET)，讓柵源PN結正偏向溝道內注入的少數載流子W調制開態電阻；二是采用類似于 SITH(靜電感應晶閩管）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滲雜區的 電導率，所W該方案的應用價值有限。
[000引而靜電感應晶閩管可W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，S口H漏端PN結注入的少子可W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P溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管及其制造方法。
[0010] 為了實現W上目的，本發明所采用的技術方案為：
[0011] -種P溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管，包括自下而上依次設置的N型歐姆接觸 電極、N型SiC襯底、P型SiC緩沖層、P型SiC漂移層和P型電流增強層，P型電流增強層上刻蝕 形成有若干個臺階，相鄰臺階之間設有溝槽，所述臺階頂部設置有P型SiC歐姆接觸層，P型 SiC歐姆接觸層的上部設置有P型歐姆接觸電極，P型歐姆接觸電極的形狀與P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均接觸，所述 N型歐姆接觸電極和P型歐姆接觸電極均包括依次沉積的Ni層和Pt層，所述肖特基電極包括 依次沉積的Ni層、化層和Au層，或者Ti層、化層和Au層，或者Pt層、化層和Au層。
[001^ 所述N型SiC襯底的滲雜濃度為1 X 10"~1 X 10"畑1-3。
[OOU] 所述P型SiC緩沖層的厚度為0.5~2.0皿，滲雜濃度為lXl〇i6~5X10"cm-3。
[0014]所述P型SiC漂移層的厚度為材料中空穴擴散長度的0.4~0.9倍，滲雜濃度Ndrift為 lXl〇i4~8Xl〇i5cm-3。
[001引所述P型電流增強層的滲雜濃度Ncsl為1 X 1016~1 X 10"cnf3,位于溝槽底部的P型 電流增強層的厚度為0.5~2皿。 3x10'
[0016] 所述臺階高度為1.5~3.5皿，臺階寬度為- 的1.0~2.0倍。 V Wc化 cm
[0017] 所述P型歐姆接觸層的滲雜濃度為1 X l〇is~1 X IOi9Cnf3，厚度為0.2~0.5皿。
[0018] -種P溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管的制備方法，包括W下步驟：
[0019] 步驟一、由SiC基片構成N型SiC襯底；
[0020] 步驟二、采用化學氣相沉積法在N型SiC襯底的上表面上依次外延生長P型SiC緩沖 層、P型SiC漂移層、P型SiC電流增強層和P型SiC歐姆接觸層；
[0021] 步驟S、通過SFs氣體，采用反應離子干法刻蝕法在P型SiC電流增強層和P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P型SiC歐姆接觸層上部依次淀積Ni層和Pt層，在N型SiC襯底下部依次 淀積Ni層和Pt層;并在化氣氛下進行溫度為950°C~1050°C的熱退火，在P型SiC歐姆接觸層 的上部形成P型歐姆接觸電極;在N型SiC襯底下部形成N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、化層和Au層，形成肖特基電極，即得到P溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管。
[0024] 所述P型SiC歐姆接觸層上部淀積的Ni層厚度為200皿~400皿，Pt層的厚度為50皿 ~200nm;在N型SiC襯底下部依次淀積的Ni層厚度為200nm~400nm，Pt層厚度為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 ~IOOnm ,Au層厚度為50~500nm。
[0025] 與現有技術相比，本發明采用N型SiC襯底，通過與P型SiC漂移層形成PN結提供少 子注入W獲得電導調制效應，并在N型SiC襯底與P型SiC漂移層之間設置P型緩沖層W避免 穿通，在P型SiC漂移層與P型SiC歐姆接觸層之間設置P型電流增強層W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W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W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。本發明的P溝新型柵結構碳 化娃靜電感應晶閩管通過采用N型SiC襯底形成的少子注入調制低滲雜的P型SiC漂移層，通 過對結構參數的優化設計讓電導調制效應可W覆蓋整個漂移區，即及少子擴散長度大于漂 移區厚度，即可顯著削弱漂移區滲雜對開態電阻的影響。對于運種類型的器件，理論上有N 溝，即采用N型的溝道和漂移層，和P溝，即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W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10~25WH，而空穴的擴散長度Lp 為5~12WI1。因此，采用P型溝道可W獲得更強的電導調制效應，從而可W進一步降低漂移區 厚度和滲雜濃度，從而獲得高擊穿電壓。本發明可W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，需要降低漂移區滲雜濃度和增加漂移區的厚度， 但運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 漂移區滲雜濃度的影響，本發明通過采用低滲雜的漂移區W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。
[0027] 進一步，器件關態時，柵耗盡區很容易延伸到襯底，即發生穿通，運會導致器件的 擊穿特性變差。本發明在N型襯底和P型漂移層之間設置P型緩沖層，W避免穿通的發生，有 利于提升擊穿電壓。
[0028] 進一步，由于采用了低滲雜的漂移層，溝道區的阻抗會顯著上升，本發明在P型漂 移層與歐姆接觸層之間設置P型電流增強層W降低溝道區的阻抗，從而降低漂移層低滲雜 對開態電阻的影響，提升器件性能，提高設計的靈活度。
[0029] 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為勢壘高度，對于Si C材料和本結構的特點，約等于 V 心 V CSZ , 3x10' ^馬化C恥
[0030] 本發明制備方法制備的P溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管，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。
[0031] 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W及金屬電極等多步復雜工藝，可W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】
[0032] 圖1為本發明的結構示意圖；
[0033] 圖2為本發明制造方法的流程圖；
[0034] 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=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；
[0035] 其中，I-N型SiC襯底；2-P型SiC緩沖層;3-P型SiC漂移層;4-P型SiC電流增強層;5- P型SiC歐姆接觸層;6-P型歐姆接觸電極;7-N型歐姆接觸電極;8-肖特基電極。
【具體實施方式】
[0036] 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。
[0037] 參見圖1，本發明的結構包括由N型SiC襯底1和設置在N型SiC襯底上部的P型SiC緩 沖層2，P型SiC緩沖層2上設置P型SiC漂移層3，P型SiC漂移層3上設置P型SiC電流增強層4，P 型SiC電流增強層4上設置P型SiC歐姆接觸層5，P型電流增強層4和P型SiC歐姆接觸層5上刻 蝕形成多個臺階，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，P型 SiC歐姆接觸層5上部設置有形狀與所述P型SiC歐姆接觸層5形狀相同的P型歐姆接觸電極 6，N型SiC襯底1下部設置有N型歐姆接觸電極7。
[003引 N型SiC襯底1的滲雜濃度為IX 10"~IX l0i9cm-3;P型SiC緩沖層2的厚度為0.5~ 2.0皿，滲雜濃度1 XlQi6~5 X 10"cnf3,厚度薄與滲雜濃度成反比例關系;P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，滲雜濃度Ndrift為1 X 1014~8 X l0i5cnf3;臺階高 度1.5~3.5皿，臺階寬度為的1.0~2.0倍，P型電流增強層4的滲雜濃度Ncsl為1 V C化 cm X l0is~IX 10"cnf3,其下邊界延伸到溝槽底部下方0.5~2皿，即位于溝槽底部的P型電流 增強層4的厚度為0.5~2wii;P型歐姆接觸層5滲雜濃度為1 X l0is~1 X l0i9cnf3，厚度為0.2 ~0.5皿；肖特基電極6由下向上由S層金屬構成，Ni、Ti或Pt層，W及化層和Au層，其中Ni、 Ti或Pt層厚度為50~200nm，Cr層厚度50~100nm，Au層厚度50~500nm。
[0039] 參見圖1，本發明制造方法包括W下步驟：
[0040] 步驟一、由SiC基片構成的N型SiC襯底1，如圖3a所示；
[0041] 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.化 m，滲雜濃度為1 XlQi6~5 X 10"cnf3的P型SiC緩沖層2;厚度為材料中空穴擴散長度的0.4~ 0.9倍，滲雜濃度Ndrift為1 X 1〇14~8 X l〇i5cnf3的P型SiC漂移層3;滲雜濃度Nc化為1 X 1〇16~1 X l〇i7cnf3,位于溝槽底部的P型電流增強層4的厚度為0.5~2皿的P型SiC電流增強層4;滲 雜濃度為1 X l〇is~1 X IOi9Cnf3，厚度為0.2~0.5WI1的P型SiC歐姆接觸層5，如圖3b所示；
[0042] 步驟S、通過SFs氣體，采用反應離子干法刻蝕法在P型SiC電流增強層4和P型SiC ;3 X 1 〇7 歐姆接觸層5上刻蝕出高度為1.5~3.5皿，臺階寬度為1 的1.0~2.0倍，間距為2 ~如m的若干個臺階，相鄰臺階之間設溝槽，如圖3c所示；
[0043] 步驟四、在P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，第一 Pt層的厚度為50nm~200nm;
[0044] 步驟五、在N型SiC襯底1下方依次淀積Ni層和Pt層，化層的厚度為200皿~400nm， 第一 Pt層的厚度為50nm~200nm;
[0045] 步驟六、在化氣氛下進行溫度為950°C~1050°C的熱退火，在在P型SiC歐姆接觸層 5的上部形成由Ni層和Pt層構成的P型歐姆接觸電極6;在N型SiC襯底I下方形成由Ni層和Pt 層構成的N型歐姆接觸電極7，如圖3d所示；
[0046] 步驟屯、在溝槽底部和臺階側面依次淀積厚度為50~200nm的Ni層、Ti層或Pt層， W及化金屬50~100皿和Au金屬50~500nm，形成肖特基電極8,即得到P溝肖特基柵碳化娃 靜電感應晶閩管。
[0047] 靜電感應晶閩管，是一種典型的復合型功率半導體器件，從技術上可W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）。
[004引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，類似靜電感應晶閩管運樣的復合型器件，難W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）。
[0049] 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=倍甚至更 多，而工藝上也有很大的差別。WSiC材料為例，N型和P型材料的滲雜元素、雜質激活溫度、 雜質激活率、雜質離化率、遷移率、擴散系數、少子壽命等，W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，W及最后的工藝效果等，都有較大的差別。N 溝和P溝SiC器件不僅僅是滲雜類型的轉換，而且是在器件特性和設計方法上有較大的區 別。
[0050] 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 利設及的理論思想類似，也是單極型器件(MOSFET)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，研究發現運兩種器件的特性各有優劣。同時開展運兩種類型器 件的研究將有助于運一類器件更快更好的發展。本發明提出的結構和工藝方案，可W有效 解決傳統SiCJFET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P溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管，其特征在于，包括自下而上依次設置的N 型歐姆接觸電極(7)、N型SiC襯底（1)、P型SiC緩沖層(2)、P型SiC漂移層(3)和P型電流增強 層(4)，P型電流增強層(4)上刻蝕形成有若干個臺階，相鄰臺階之間設有溝槽，所述臺階頂 部設置有P型SiC歐姆接觸層（5)，P型SiC歐姆接觸層（5)的上部設置有P型歐姆接觸電極 (6)，P型歐姆接觸電極(6)的形狀與P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均接觸，所述N型歐姆接觸電極(7)和P型歐 姆接觸電極(6)均包括依次沉積的Μ層和Pt層，所述肖特基電極(8)包括依次沉積的Μ層、 化層和Au層，或者Ti層、化層和Au層，或者Pt層、化層和Au層。2. 根據權利要求1所述的一種P溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管，其特征在于，所述N 型SiC襯底(1)的滲雜濃度為1X 1〇18~1X ι〇ι%ιΛ3. 根據權利要求1所述的一種Ρ溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管，其特征在于，所述Ρ 型SiC緩沖層(2)的厚度為0.5~2.0μπι，滲雜濃度為1Χ1〇?6~5X10"cm-3。4. 根據權利要求1所述的一種P溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管，其特征在于，所述P 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，滲雜濃度Ndrift為IX 1〇14~8 Xl〇i5cm-3。5. 根據權利要求1所述的一種P溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管，其特征在于，所述P 型電流增強層(4)的滲雜濃度化SL為1 X l〇is~1 X l〇i7cnf3,位于溝槽底部的P型電流增強層 (4)的厚度為0.5~2皿。6. 根據權利要求5所述的一種P溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管，其特征在于，所述 臺階高度為1.5~3.5μπι，臺階寬度為的1.0~2.0倍。7. 根據權利要求5所述的一種Ρ溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管，其特征在于，所述Ρ 型歐姆接觸層(5)的滲雜濃度為1 X l〇is~1 X l〇i9cnf3，厚度為0.2~0.5WI1。8. -種P溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管的制備方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟一、由SiC基片構成N型SiC襯底(1); 步驟二、采用化學氣相沉積法在N型SiC襯底（1)的上表面上依次外延生長P型SiC緩沖 層(2)、P型SiC漂移層(3)、P型SiC電流增強層(4)和P型SiC歐姆接觸層(5); 步驟Ξ、通過SF6氣體，采用反應離子干法刻蝕法在P型SiC電流增強層(4)和P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P型SiC歐姆接觸層(5)上部依次淀積Μ層和Pt層，在N型SiC襯底（1)下部依 次淀積Ni層和Pt層;并在化氣氛下進行溫度為950°C~1050°C的熱退火，在P型SiC歐姆接觸 層(5)的上部形成P型歐姆接觸電極(6);在N型SiC襯底(1)下部形成N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Μ層、化層和Au層，或者Ti層、Cr層和Au層，或 者Pt層、化層和Au層，形成肖特基電極(8)，即得至化溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管。9. 根據權利要求8所述的一種P溝肖特基柵碳化娃靜電感應晶閩管的制備方法，其特征 在于，所述P型SiC歐姆接觸層(5)上部淀積的Ni層厚度為200nm~400nm，Pt層的厚度為50nm ~20化m;在N型SiC襯底（1)下部依次淀積的Ni層厚度為20化m~400皿，Pt層厚度為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。
【文檔編號】H01L29/74GK106098767SQ201610496818
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】張 林, 張贊, 朱瑋, 高恬溪
【申請人】長安大學