CN104201212B - 具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅sbd器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，其包括金属、SiO2隔离介质、沟槽、一次N‑外延层、P+离子注入区、二次N‑外延层、N+衬底区和欧姆接触区，所述P+离子注入区处于二次N‑外延层的表面，沟槽与P+离子注入区上下对齐，形状相同，或者与P+离子注入区上下对齐，形状相同，浮动结采用圆形、六棱形或方形的块状埋层。本发明具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，该器件既有沟槽式碳化硅SBD肖特基接触面积大，正向导通电流大的优点，又有浮动结碳化硅SBD击穿电压大的优点。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件。
背景技术
半导体材料在过去几十年发生了巨大的飞跃，宽禁带半导体材料是以碳化硅、氮化镓等材料为代表的第三代半导体材料，在这其中尤其以碳化硅材料著称，碳化硅材料在二十世纪八九十年代就开始走入人们的研究视线，并且尤以近十几年出现飞速的发展。碳化硅技术逐渐趋于成熟，步入市场，很多碳化硅技术都已经产业化。碳化硅材料比Si具有更优良的电学性能，这使它十分适合于高压、大功率以及高频等领域。而它的发展步伐已经超过其他宽禁带半导体，比其他宽禁带半导体有更广泛的应用。
SiC材料禁带宽度大，可达到3eV以上。临界击穿电场可达到2MV/cm以上，比。SiC材料热导率高(4.9W/cm.K左右)，并且器件耐高温，比Si更适合于大电流器件。SiC载流子寿命短，只有几纳秒到几百纳秒。SiC材料的抗辐照特性也十分优秀，辐射引入的电子-空穴对比Si材料要少得多。因此，SiC优良的物理特性使得SiC器件在航空航天电子，高温辐射恶劣环境、军用电子无线通信、雷达、汽车电子、大功率相控阵雷、射频RF等领域有广泛的应用，并且在未来的新能源领域有极其良好的应用前景。
浮动结结构可以将相同掺杂浓度下的器件的击穿电压提高近一倍，SiC浮动结器件已经在实验室由T Hatakeyama等人首次制造成功。肖特基二极管中由于其低压降和大电流在功率器件中被广泛应用。为了实现更大的电流，90年代就有人提出了SiC沟槽式的肖特基二极管(TSBD)。沟槽式的肖特基二极管大大增加了肖特基接触的面积，实现了更低的压降和更大的电流。
但是浮动结碳化硅肖特基二极管(SiC FJ-SBD)，在器件的外延层中引入的埋层，变窄了正向导通电流的导电沟道，器件的正向导通电流变小，常规的条形埋层使浮动结处的导电沟道的占空比不高。而沟槽式SiC SBD的沟槽拐角处导致了器件在反向电压的作用下引入峰值电场，降低了器件的击穿电压。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，用以克服上述技术缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，其包括金属、SiO2隔离介质、沟槽、一次N-外延层、P+离子注入区、二次N-外延层、N+衬底区和欧姆接触区，
所述P+离子注入区处于二次N-外延层的表面，沟槽与P+离子注入区上下对齐，形状相同，或者与P+离子注入区上下对齐，形状相同，浮动结采用圆形、椭圆形或六棱形的块状埋层。
进一步，所述沟槽与P+离子注入区形状相同，面积相等，且沟槽与此沟槽下方的块状P+离子注入区的边缘对齐。
进一步，所述的沟槽与非P+离子注入区形状相同，面积相等，且沟槽与此沟槽下方的非P+离子注入区的边缘对齐。
进一步，所述P+离子注入区采用圆形或椭圆形的块状埋层，圆形或椭圆形的排列方式包括多行平行排列的圆形或椭圆形、多行交错排列的圆形或椭圆形。
进一步，所述P+离子注入区采用六棱形的块状埋层，六棱形的排列方式包括多行平行排列的六棱形、多行交错排列六棱形和和蜂巢状排列的六棱形。
进一步，所述P+离子注入区采用方形的块状埋层，方形的排列方式包括多行平行排列的方形、不相邻交错排列的方形和相邻交错排列的方形。
进一步，所述沟槽的深度为1～3μm。
进一步，P+离子注入区的掺杂浓度为1x1017cm-3～1x1019cm-3，厚度为0.4～0.6μm。
进一步，所述N-外延层最上端到底面的厚度为20μm，其中掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3，一次N-外延层的厚度为5～15μm。
进一步，所述金属和SiO2隔离介质位于二次N-外延层上方；金属和SiO2隔离介质相邻。
与现有技术相比较本发明的有益效果在于：本发明具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，该器件既有沟槽式碳化硅SBD肖特基接触面积大，正向导通电流大的优点，又有浮动结碳化硅SBD击穿电压大的优点。
本发明提供的器件引入了圆形、六棱形或方形的块状埋层，相对于传统的条状埋层，导电沟道宽，正向导通电流更大。
本发明提供的器件具有开关时间短、抗辐射能力强等优点，可广泛应用于电力电子领域。
附图说明
图1a为本发明沟槽与P+离子注入区上下对齐的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的剖面示意图；
图1b为本发明当沟槽与P+离子注入区上下对齐时，具有多行平行排列的圆形块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的俯视图；
图2为本发明沟槽与非P+离子注入区上下对齐的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的剖面示意图；
图3为本发明当沟槽与非P+离子注入区上下对齐时，具有多行平行排列的圆形块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的俯视图；
图4为本发明当沟槽与P+离子注入区上下对齐时，具有多行交错排列的圆形块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的俯视图；
图5为本发明当沟槽与P+离子注入区上下对齐时，具有多行平行排列的六棱形块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的俯视图；
图6为本发明当沟槽与非P+离子注入区上下对齐时，具有多行平行排列的六棱形块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的俯视图；
图7为本发明当沟槽与P+离子注入区上下对齐时，具有多行交错排列六棱形块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的俯视图；
图8为本发明当沟槽与P+离子注入区上下对齐时，具有呈六棱形排列的六棱形块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的俯视图。
图9为本发明当沟槽与P+离子注入区上下对齐时，具有多行平行排列的方形块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的俯视图；
图10为本发明当沟槽与非P+离子注入区上下对齐时，具有多行平行排列的方形块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的俯视图；
图11为本发明当沟槽与P+离子注入区上下对齐时，具有不相邻交错排列的方形块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的俯视图；
图12为本发明当沟槽与P+离子注入区上下对齐时，具有相邻交错排列的方形块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
请参阅如图1a所示，本发明浮动结碳化硅SBD器件所采用的器件结构包括：金属1、SiO2隔离介质2、沟槽3、一次N-外延层4、P+离子注入区5、二次N-外延层6、N+衬底区7、欧姆接触区8。
请结合图1b所示，所述N+衬底7是N型SiC衬底片，一次N-外延层4位于N+衬底7之上，厚度为5～15μm，其中氮离子的掺杂浓度为掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3。
所述P+离子注入区5位于一次N-外延层4表面，掺杂浓度为1x1017cm-3～1x1019cm-3，离子注入深度为0.4～0.6μm，二次N-外延层6位于一次N-外延层4上方，厚度是5～15μm掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3。一次N-外延层4和二次N-外延层6的总厚度为20μm。
所述金属1和SiO2隔离介质2位于二次N-外延层6上方。金属1和SiO2隔离介质2相邻，且金属与和SiO2隔离介质2有相重合之处12。沟槽3的深度为1～3μm，位于金属1下方，所述沟槽3和金属1设置重合处13，二次N-外延层6的表面。
请参见图1b、图3、图7、图8所示，图1b和图7中沟槽3与P+离子注入区5形状相同，上下对齐。图3和图8中沟槽3与P+离子注入区5完全错开使沟槽3与非P+离子注入区5形状相同，上下对齐，对器件的击穿电压无影响，而而器件的正向导通电流不同。
请参见图1b、图5和图7所示，本发明采用了圆形、六棱形或方形的块状埋层，圆形、椭圆形没有拐角处，六棱形拐角处的角度很大，而且在实际工艺中拐角处制作出会很圆滑，这几种形状在占空比相同时，正向导通电流相同，但反向击穿电压有所不同。
圆形块状埋层的排列方式可以有图1b和图4两种不同的做法，图1b中圆形为多行平行排列的圆形，图4中圆形为多行交错排列。这两种排列方式中浮动结的面积不变，仅改变了浮动结的排列方式。器件的正向电流大小不会有改变，而反向击穿电压却有所不同。
六棱形块状埋层的排列方式可以有图5、图7和图8三种不同做法，图5中六棱形为多行平行排列，图7中六棱形为多行交错排列；这两种排列方式中浮动结的面积不变，仅改变了浮动结的排列方式，器件的正向电流大小不会有改变，而反向击穿电压却有所不同；图8中六棱形呈六棱形排列，图8中每个六棱形浮动结的面积其他两图中的每个六棱形浮动结的面积相同，浮动结排列变得更紧密，更均匀，对刻套偏差得敏感度比其他两图中的刻套偏差敏感度更低。
方形块状埋层的排列方式可以有图9、图11和图12三种不同的做法；其中，图9中方形为多行平行排列，图11方形为不相邻交错排列，图12中方形为相邻交错排列；其中，图9和图11中浮动结的面积不变，仅改变了浮动结的排列方式；器件的正向电流大小不会有改变，而反向击穿电压不同。而图12中每个浮动结的面积其他两图中的每个浮动结的面积相同。浮动结排列变得更紧密，对刻套偏差得敏感度比其他两图中的敏感度更低。
实施例一：
参照图1a和图1b，本发明中具有圆形或六棱形以及椭圆形块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的结构如下：
N+衬底是N型SiC衬底片，一次N-外延层位于N+衬底之上，P+离子注入区位于一次N-外延层表面，二次N-外延层位于一次N-外延层上方。
金属和SiO2隔离介质位于二次N-外延层上方，金属和SiO2隔离介质相邻，且金属与和SiO2隔离介质有相重合之处。沟槽位于金属下方，二次N-外延层的表面。
一次N-外延层的厚度为5μm，其中氮离子的掺杂浓度为掺杂浓度为1x1016cm-3。P+离子注入区的掺杂浓度为7x1017cm-3，离子注入深度为0.6μm。二次N-外延层厚度是15μm掺杂浓度为1x1016cm-3。
沟槽的深度为1μm。
肖特基接触区的沟槽与P+离子注入区形状相同，上下对齐。P+离子注入区为多行平行排列的圆形块状埋层。
实施例二：
参照图1a和图5，本发明中具有圆形或六棱形以及椭圆形或块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的结构如下：
N+衬底是N型SiC衬底片，一次N-外延层位于N+衬底之上，P+离子注入区位于一次N-外延层表面，二次N-外延层位于一次N-外延层上方。
金属和SiO2隔离介质位于二次N-外延层上方。金属和SiO2隔离介质相邻，且金属与和SiO2隔离介质有相重合之处。沟槽位于金属下方，二次N-外延层的表面。
一次N-外延层的厚度为10μm，其中氮离子的掺杂浓度为掺杂浓度为5x1015cm-3。P+离子注入区的掺杂浓度为3x1018cm-3，离子注入深度为O.5μm。二次N-外延层厚度是10μm，掺杂浓度为5x1015cm-3。
沟槽的深度为2μm。
肖特基接触区的沟槽与P+离子注入区形状相同，上下对齐。P+离子注入区为邻行相垂直不交错排列的方形块状埋层。
实施例三：
参照图2和图8，本发明中具有圆形或六棱形以及椭圆形块状埋层的沟槽式浮动结碳化硅SBD器件的结构如下：
N+衬底是N型SiC衬底片，一次N-外延层位于N+衬底之上，P+离子注入区位于一次N-外延层表面，二次N-外延层位于一次N-外延层上方。
金属和SiO2隔离介质位于二次N-外延层上方。金属和SiO2隔离介质相邻，且金属与和SiO2隔离介质有相重合之处。沟槽位于金属下方，二次N-外延层的表面。
一次N-外延层的厚度为5μm，其中氮离子的掺杂浓度为掺杂浓度为3x1015cm-3。P+离子注入区的掺杂浓度为1x1019cm-3，离子注入深度为0.4μm。二次N-外延层厚度是15μm掺杂浓度为3x1015cm-3。
沟槽的深度为3μm。
肖特基接触区的沟槽与非P+离子注入区形状相同，上下对齐。P+离子注入区为多行平行排列的六棱形块状埋层。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，其包括金属、SiO2隔离介质、沟槽、一次N-外延层、P+离子注入区、二次N-外延层、N+衬底区和欧姆接触区，
金属和SiO2隔离介质位于二次N-外延层上方，金属和SiO2隔离介质相邻，且金属与和SiO2隔离介质有相重合之处，沟槽位于金属下方，二次N-外延层的表面；
所述P+离子注入区处于一次N-外延层的表面，沟槽与P+离子注入区上下对齐，形状相同，或者与非P+离子注入区上下对齐，形状相同，浮动结采用圆形、六棱形或方形的块状埋层，所述一次N-外延层位于所述N+衬底之上，厚度为5～15μm，所述二次N-外延层位于所述一次N-外延层上方，厚度是5～15μm，所述一次N-外延层和所述二次N-外延层的总厚度为20μm，所述沟槽的深度为1～3μm。
2.根据权利要求1所述的具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，所述沟槽与P+离子注入区形状相同，面积相等，且沟槽与此沟槽下方的块状P+离子注入区的边缘对齐。
3.根据权利要求1所述的具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，所述的沟槽与非P+离子注入区形状相同，面积相等，且沟槽与此沟槽下方的非P+离子注入区的边缘对齐。
4.根据权利要求3所述的具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，所述P+离子注入区采用圆形的块状埋层，圆形形的排列方式包括多行平行排列的圆形、多行交错排列的圆形。
5.根据权利要求3所述的具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，所述P+离子注入区采用六棱形的块状埋层，六棱形的排列方式包括多行平行排列的六棱形、多行交错排列六棱形和蜂巢状排列的六棱形。
6.根据权利要求3所述的具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，所述P+离子注入区采用方形的块状埋层，方形的排列方式包括多行平行排列的方形、不相邻交错排列的方形和相邻交错排列的方形。
7.根据权利要求1或2所述的具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，P+离子注入区的掺杂浓度为1x1017cm-3～1x1019cm-3，厚度为0.4～0.6μm。
8.根据权利要求7所述的具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，所述一次N-外延层和所述二次N-外延层的掺杂浓度为1x1015cm-3～1x1016cm-3。
9.根据权利要求7所述的具有块状沟槽和埋层的浮动结碳化硅SBD器件，其特征在于，所述金属和SiO2隔离介质位于二次N-外延层上方；金属和SiO2隔离介质相邻。
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