CN109449085A - 一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管及其制备方法 - Google Patents
一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种抗浪涌能力增强型的4H‑SiC肖特基二极管及其制备方法，制备方法包括以下步骤：在4H‑SiC衬底上面生长4H‑SiC漂移层；在4H‑SiC漂移层内形成P型金刚石外延层以及P型金刚石终端保护区；在P型金刚石外延层、P型金刚石终端保护区以及4H‑SiC漂移层表面形成第一钝化层；在4H‑SiC衬底下面形成欧姆接触金属层；刻蚀部分第一钝化层直到漏出4H‑SiC漂移层，在漏出的4H‑SiC漂移层表面形成肖特基接触金属层；在肖特基接触金属层上形成第一接触层，在欧姆接触金属层下面形成第二接触层；在部分第一接触层、部分第一钝化层以及部分肖特基接触金属层上形成第二钝化层，以完成4H‑SiC肖特基二极管的制备。通过这种制备方法，可以保证器件在正常的静态特性下可以显著提升抗浪涌能力。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件领域，特别涉及一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管及其制备方法。
背景技术
SiC材料禁带宽度大、击穿电场高、饱和漂移速度和热导率大，这些材料优越性能使其成为制作高功率、高频、耐高温、抗辐射器件的理想材料。碳化硅肖特基二极管具有击穿电压高、电流密度大、工作频率高等一系列优点，因此发展前景非常广泛。目前碳化硅肖特基二极管面临的主要问题之一就是提高器件的抗浪涌性能，使其具备高可靠性应用能力。
为了实现较高的抗浪涌特性，从器件技术角度，需要P型4H-SiC注入区和Ti肖特基接触金属层能够形成良好的欧姆特性。请参见图1，图1为现有技术的一种4H-SiC肖特基二极管的截面结构示意图，其中，11为Ag接触层；12为Ni欧姆接触金属层；13为N型4H-SiC衬底；14为N型4H-SiC漂移层；15为Ti肖特基接触金属层；16为Al接触层；17为SiO2钝化层；18为P型4H-SiC注入区；19为P型4H-SiC终端保护区；20为聚酰亚胺保护层。然而，在常规传统结构的4H-SiC功率肖特基二极管制作工艺中，由于肖特基金属快速退火温度较低，上述欧姆特性无法形成或比接触电阻率较大，无法实现有效的少子注入效应。若提高提高退火温度，又会使肖特区的势垒高度降低，导致器件的漏电流增大，器件反向性能恶化。
发明内容
因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明的一个实施例提供了一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法，包括以下步骤：
在4H-SiC衬底上面形成4H-SiC漂移层；
在所述4H-SiC漂移层内形成P型金刚石外延层以及P型金刚石终端保护区；
在所述P型金刚石外延层、所述P型金刚石终端保护区以及所述4H-SiC漂移层表面形成第一钝化层；
在所述4H-SiC衬底下面形成欧姆接触金属层；
刻蚀部分所述第一钝化层直到漏出所述4H-SiC漂移层，在漏出的所述4H-SiC漂移层表面形成肖特基接触金属层；
在所述肖特基接触金属层上形成第一接触层；
在所述欧姆接触金属层下面形成第二接触层；
在部分所述第一接触层、部分所述第一钝化层以及部分所述肖特基接触金属层上形成第二钝化层，以完成4H-SiC肖特基二极管的制备。
在本发明的一个实施例中，在4H-SiC衬底上面形成4H-SiC漂移层，包括：
在所述4H-SiC衬底上面形成厚度为10～30μm、掺杂离子为N离子、掺杂浓度为5×1014cm-3～1×1016cm-3的N型所述4H-SiC漂移层。
在本发明的一个实施例中，在所述4H-SiC漂移层内形成P型金刚石外延层以及P型金刚石终端保护区，包括：
在所述4H-SiC漂移层上刻蚀形成4H-SiC沟槽区；
在所述4H-SiC沟槽区内形成所述P型金刚石外延层以及所述P型金刚石终端保护区。
在本发明的一个实施例中，所述4H-SiC沟槽区的深度为0.3μm～1.0μm。
在本发明的一个实施例中，利用化学气相沉积法，在所述4H-SiC沟槽区形成所述P型金刚石外延层以及所述P型金刚石终端保护区，包括：
采用化学气相沉积工艺，在900℃～1200℃的温度下，在所述4H-SiC沟槽区内形成所述P型金刚石外延层以及所述P型金刚石终端保护区。
在本发明的一个实施例中，所述P型金刚石外延层包括多个平行排列的第一金刚石条状体，所述第一金刚石条状体的宽度为4μm，相邻所述第一金刚石条状体的间距为3μm。
在本发明的一个实施例中，所述P型金刚石终端保护区包括多个平行排列的第二金刚石条状体，所述第二金刚石条状体的宽度为4μm，相邻所述第二金刚石条状体的间距为2μm。
在本发明的一个实施例中，所述第一钝化层为SiO2钝化层，所述第二钝化层为聚酰亚胺钝化层。
在本发明的一个实施例中，所述第一接触层为Al接触层，所述第二接触层为Ag接触层。
本发明的另一个实施例提供了一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管，所述4H-SiC肖特基二极管由上述实施例中任一所述的方法制备形成。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
1.本发明采用化学气相沉积法制备P型金刚石外延层，避免了离子注入带来的晶格损伤问题；
2.本发明制备的P型金刚石外延层在450℃，3min快速热退火下可以与Ti肖特基接触金属层形成优异的欧姆接触特性，其比接触电阻率可以达到10-6Ω·cm2。同时，该温度也有助于肖特基区势垒高度的调整。
3.本发明制备的之中肖特基二极管可以保证器件在正常的静态特性下可以显著提升抗浪涌能力。
附图说明
下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。
图1为现有技术的一种4H-SiC肖特基二极管的截面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法的流程示意图。
本实施例提供了一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：在4H-SiC衬底上面形成4H-SiC漂移层。
在4H-SiC衬底上面生长厚度为10～30μm、掺杂离子N离子、掺杂浓度为5×1014cm-3～1×1016cm-3的N型4H-SiC漂移层。
本实施例的N型4H-SiC漂移层的掺杂浓度优选为5×1015cm-3。
需要说明的是，在生长4H-SiC漂移层之前，还需要对4H-SiC衬底进行标准RCA清洗，清洗的目的是为了去除4H-SiC衬底上的自然氧化物以及其他杂质。
步骤2：在4H-SiC漂移层内形成P型金刚石外延层以及P型金刚石终端保护区。
进一步地，步骤2包括以下步骤：
步骤21：在4H-SiC漂移层上刻蚀形成4H-SiC沟槽区。
具体地，采用反应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，简称ICP)刻蚀工艺，刻蚀4H-SiC漂移层，在4H-SiC漂移层中形成4H-SiC沟槽区。
进一步地，还可以采用电子回旋共振(Electron cyclotron resonance,简称ECR)刻蚀工艺来刻蚀形成4H-SiC沟槽区。
在一个具体实施例中，4H-SiC沟槽区的深度为0.3μm～1.0μm。
在一个具体实施例中，所述4H-SiC沟槽区的俯视形状为条形。
步骤22：在4H-SiC沟槽区内形成P型金刚石外延层以及P型金刚石终端保护区。
进一步地，采用化学气相沉积工艺，在4H-SiC沟槽区内淀积P型掺杂剂，形成P型金刚石外延层以及P型金刚石终端保护区，其中，反应温度为900℃～1200℃，反应气体为甲烷和氢气。
进一步地，所述P型掺杂剂可以为硼或铝。
进一步地，P型掺杂剂的浓度为1×1018cm-3～1×1019cm-3。
进一步地，P型金刚石外延层包括多个平行排列的第一金刚石条状体，第一金刚石条状体的宽度为4μm，相邻第一金刚石条状体的间距为3μm。
进一步地，P型金刚石终端保护区包括多个平行排列的第二金刚石条状体，第二金刚石条状体的宽度为4μm，相邻第二金刚石条状体的间距为2μm。
在一个具体实施例中，完成P型金刚石外延层以及P型金刚石终端保护区的制备后，对整个样品进行化学机械抛光。
步骤3：在P型金刚石外延层、P型金刚石终端保护区以及4H-SiC漂移层表面形成第一钝化层。
进一步地，所述第一钝化层为SiO2。
具体地，采用低压化学气相沉积工艺，在600mTorr的反应压强，700℃的反应温度下，在P型金刚石外延层、P型金刚石终端保护区以及4H-SiC漂移层表面形成SiO2钝化层，其中，SiO2钝化层的厚度为1μm～2μm。
步骤4：在4H-SiC衬底下面形成欧姆接触金属层；
具体地，利用磁控溅射或者电子束蒸发工艺，在4H-SiC衬底下面形成Ni欧姆接触金属层，其中，Ni欧姆接触金属层的厚度为200nm，退火温度为1000℃，退火时间为3min。
步骤5：刻蚀部分第一钝化层直到漏出4H-SiC漂移层，在漏出的4H-SiC漂移层表面形成肖特基接触金属层。
具体地，利用磁控溅射或者电子束蒸发工艺，刻蚀部分第一钝化层到4H-SiC漂移层上，在4H-SiC漂移层表面形成Ti肖特基接触金属层。
进一步地，Ti肖特基金属层的制备可以包括以下步骤：
步骤51：在SiO2钝化层表面光刻肖特基接触区域。
首先，将样品放在200℃的热板上烘烤5min；然后，在SiO2钝化层上进行光刻胶的涂胶和甩胶，甩胶转速为3500r/min，并将样品放在90℃的热板上烘烤1min；接着，将样品放入光刻机中，通过已制定版图光刻定义肖特基接触区域，对SiO2钝化层表面的光刻胶进行曝光；最后，将完成曝光后的样品放入显影液中以移除肖特基接触区域内的光刻胶，并对其进行超纯水冲洗和氮气吹干；
步骤52：蒸镀肖特基金属。
将完成光刻的样品放入磁控溅射镀膜机中，待真空度达到后，开始蒸镀肖特基金属Ti；
步骤53：剥离金属及退火，完成肖特基接触金属的制备。
将完成镀膜后的样品在丙酮中浸泡至少40min，进行超声处理；然后将样品放入温度为60℃的剥离液中水浴加热5min；接着，将样品依次放入丙酮溶液和乙醇溶液中超声清洗3min；最后，用超纯水冲洗样品并用氮气吹干；最后，将样品放入快速退火炉中，向退火炉中通入10min氮气，再在氮气气氛中将退火炉温度设为450℃，进行3min的快速热退火，以使肖特基接触区域上的肖特基金属下沉，从而形成肖特基接触金属与N型4H-SiC漂移层的欧姆接触，完成肖特基接触的制作。
进一步地，Ti肖特基接触金属层的厚度为300nm。
步骤6：在肖特基接触金属层上形成第一接触层。
进一步地，所述第一接触层为Al接触层。
进一步地，利用电子束蒸发工艺，在肖特基接触金属层上形成Al接触层，厚度为3μm～6μm。
具体地：将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10-6Torr后，在肖特基接触金属层上蒸发Al，形成Al接触层。
步骤7：在欧姆接触金属层下面形成第二接触层。
进一步地，所述第二接触层为Ag接触层。
进一步地，利用电子束蒸发工艺，在欧姆接触金属层下面形成Ag接触层。
具体地：将样品放入电子束蒸发台中，待电子束蒸发台的反应腔室真空度达到2×10-6Torr后，在欧姆接触金属层下面蒸发Ag，形成Ag接触层。
步骤8：在部分所述第一接触层、部分所述第一钝化层以及部分所述肖特基接触金属层上形成第二钝化层，以完成4H-SiC肖特基二极管的制备。
进一步地，所述第二钝化层为聚酰亚胺钝化层。
具体地，在部分所述Al接触层、部分所述SiO2钝化层以及部分所述肖特基接触金属层上旋涂聚酰亚胺，形成聚酰亚胺钝化层，完成4H-SiC肖特基二极管的制备。
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的截面结构示意图。本发明实施例还提供了一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管。4H-SiC肖特基二极管包括：Ag接触层1、欧姆接触金属层2、4H-SiC衬底3、4H-SiC漂移层4、肖特基接触金属层5、Al接触层6、SiO2钝化层7、P型金刚石外延层8、P型金刚石终端保护区9、聚酰亚胺钝化层10；
肖特基接触金属层5、4H-SiC漂移层4、4H-SiC衬底3、欧姆接触金属层2、Ag接触层1自上而下依次层叠于Al接触层6上；
同时，SiO2钝化层7内设置有凹槽，肖特基接触金属层5位于凹槽内；
P型金刚石外延层8和P型金刚石终端保护区9位于4H-SiC漂移层4内；
第二钝化层10位于部分Al接触层6、部分SiO2钝化层7以及部分肖特基接触金属层5上。
本实施例的有益效果如下：
1.本发明采用化学气相沉积法制备P型金刚石外延层，避免了离子注入带来的晶格损伤问题；
2.本发明制备的P型金刚石外延层在450℃，3min快速热退火下可以与Ti肖特基接触金属层形成优异的欧姆接触特性，其比接触电阻率可以达到10-6Ω·cm2。同时，该温度也有助于肖特基区势垒高度的调整。该技术手段可以保证器件在正常的静态特性下可以显著提升抗浪涌能力。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在4H-SiC衬底上面形成4H-SiC漂移层；
在所述4H-SiC漂移层内形成P型金刚石外延层以及P型金刚石终端保护区；
在所述P型金刚石外延层、所述P型金刚石终端保护区以及所述4H-SiC漂移层表面形成第一钝化层；
在所述4H-SiC衬底下面形成欧姆接触金属层；
刻蚀部分所述第一钝化层直到漏出所述4H-SiC漂移层，在漏出的所述4H-SiC漂移层表面形成肖特基接触金属层；
在所述肖特基接触金属层上形成第一接触层；
在所述欧姆接触金属层下面形成第二接触层；
在部分所述第一接触层、部分所述第一钝化层以及部分所述肖特基接触金属层上形成第二钝化层，以完成4H-SiC肖特基二极管的制备。
2.根据权利要求1所述的抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法，其特征在于，在4H-SiC衬底上面形成4H-SiC漂移层，包括：
在所述4H-SiC衬底上面形成厚度为10～30μm、掺杂离子为N离子、掺杂浓度为5×1014cm-3～1×1016cm-3的N型所述4H-SiC漂移层。
3.根据权利要求1所述的抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法，其特征在于，在所述4H-SiC漂移层内形成P型金刚石外延层以及P型金刚石终端保护区，包括：
在所述4H-SiC漂移层上刻蚀形成4H-SiC沟槽区；
在所述4H-SiC沟槽区内形成所述P型金刚石外延层以及所述P型金刚石终端保护区。
4.根据权利要求3所述的抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述4H-SiC沟槽区的深度为0.3μm～1.0μm。
5.根据权利要求3所述的抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法，其特征在于，在所述4H-SiC沟槽区形成所述P型金刚石外延层以及所述P型金刚石终端保护区，包括：
采用化学气相沉积工艺，在900℃～1200℃的温度下，在所述4H-SiC沟槽区内形成所述P型金刚石外延层以及所述P型金刚石终端保护区。
6.根据权利要求5所述的抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述P型金刚石外延层包括多个平行排列的第一金刚石条状体，所述第一金刚石条状体的宽度为4μm，相邻所述第一金刚石条状体的间距为3μm。
7.根据权利要求5所述的抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述P型金刚石终端保护区包括多个平行排列的第二金刚石条状体，所述第二金刚石条状体的宽度为4μm，相邻所述第二金刚石条状体的间距为2μm。
8.根据权利要求1所述的抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述第一钝化层为SiO2钝化层，所述第二钝化层为聚酰亚胺钝化层。
9.根据权利要求1所述的抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管的制备方法，其特征在于，所述第一接触层为Al接触层，所述第二接触层为Ag接触层。
10.一种抗浪涌能力增强型的4H-SiC肖特基二极管，其特征在于，所述4H-SiC肖特基二极管由权利要求1～9任一项所述的方法制备形成。
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