CN115985939A - 一种终端沟槽结构的碳化硅二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种终端沟槽结构的碳化硅二极管及其制备方法，涉及碳化硅二极管器件。包括从下而上依次连接的背面加厚金属、背面欧姆接触金属、碳化硅衬底和碳化硅外延层；所述碳化硅外延层上设有交替设置的P型扩散区和P型分压环；所述碳化硅外延层的一侧设有从下而上依次设置的正面接触金属和正面加厚金属；所述碳化硅外延层的另一侧设有伸入正面接触金属下方的场氧；所述场氧的上方设有延伸至正面加厚金属上方的钝化层。具体的，所述钝化层包括从下而上依次设置的无机钝化层和有机钝化层。具体的，所述碳化硅衬底和碳化硅外延层导电类型均为N型。具体的，若干所述P型扩散区的间距相同。本发明很大程度上增强了器件的反向耐压性能。

Description

一种终端沟槽结构的碳化硅二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及碳化硅二极管器件，主要涉及一种终端沟槽结构的碳化硅二极管。

背景技术

碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料，具有禁带宽度宽、临界击穿场强高、热导率及载流子饱和速率高等明显优势。这些优势使得碳化硅成为制作高功率、高频、耐高温、抗辐射器件的理想材料，在新能源发电、高铁牵引设备、混合动力汽车等中高耐压等级应用领域具有广阔的发展前景。

碳化硅二极管是一种适用于大功率环境下的器件，目前主要应用在650V到1700V产品领域，不过在实际的器件制作中，器件的实际耐压远小于所设计的电压值，这是因为反向时PN结边缘处存在的曲率所引起的局部电场集中使得器件发生提早击穿，影响性能。为了使器件实际承受耐压接近于理论电压值，通常采用终端结构来解决曲率效应带来的电场集中。其中，较为常用的终端结构包括场板（FP），结终端扩展（JTE）和场限环技术（FLR）。场限环技术是目前业界最为常用的结构，因为P型注入环可以与器件有源区的P区的离子注入同步完成，实现了兼容性，降低了工艺成本。而且高掺杂的P型环结构不需要考虑注入激活率的问题。但缺点在于，场限环结构往往包括十几个到几十个P型环，占用了较大的芯片面积，对于高压器件来说这点尤为显著。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种进一步提高了器件的反向耐压能力，并且可以以更小的器件面积实现平面场限环结构相同的耐压能力的一种终端沟槽结构的碳化硅二极管及其制备方法。

本发明的技术方案是：一种终端沟槽结构的碳化硅二极管及其制备方法，包括从下而上依次连接的背面加厚金属、背面欧姆接触金属、碳化硅衬底和碳化硅外延层；

所述碳化硅外延层上设有交替设置的P型扩散区和P型分压环；

所述碳化硅外延层的一侧设有从下而上依次设置的正面接触金属和正面加厚金属；

所述碳化硅外延层的另一侧设有伸入正面接触金属下方的场氧；

所述场氧的上方设有延伸至正面加厚金属上方的钝化层。

具体的，所述钝化层包括从下而上依次设置的无机钝化层和有机钝化层。

具体的，所述碳化硅衬底和碳化硅外延层导电类型均为N型。

具体的，若干所述P型扩散区的间距相同。

具体的，所述P型分压环的间距为0.5um至2um。

一种终端沟槽结构的碳化硅二极管的制备方法，包括以下步骤：

S100，在碳化硅衬底上生长碳化硅外延层；

S200，在碳化硅外延层上通过介质薄膜沉积、光刻和刻蚀，形成图形化掩膜氧化层后，通过刻蚀工艺形成终端沟槽结构；

S300，在碳化硅外延层上通过介质薄膜沉积、光刻和刻蚀，形成图形化掩膜氧化层后，通过Al离子注入和高温激活退火形成P型扩散区和P型分压环；

S400，在主结处的P型扩散区和P型分压环上方通过沉积形成场氧；

S500，在P型扩散区上通过金属沉积形成正面接触金属，正面接触金属的末端搭在场氧上方，沉积完后进行退火处理，形成肖特基接触金属；

S600，在正面接触金属上沉积正面加厚金属，作为电极引出；

S700，在正面加厚金属和场氧的上方制作无机钝化层，无机钝化层从场氧的端部向正面加厚金属方向爬升，止于靠近正面加厚金属的中部位置；

S800，在无机钝化层的上方制备有机钝化层；

S900，在碳化硅衬底的背面通过欧姆接触方式形成欧姆金属电极；

S1000，在背面欧姆接触金属上沉积背面加厚金属。

具体的，步骤S200中所述终端沟槽结构的深度在0.3um至1um。

具体的，步骤S500中离子注入为Al离子，注入能量范围在30-500keV，注入剂量范围在1E12-1E16 cm^-2，注入温度在400-600 ℃，完成注入后高温激活退火温度在1600-1900℃，形成的P型结的深度在0.6-1.0um。

本发明通过在碳化硅二极管终端刻蚀沟槽后，有效减小了主结处P型扩散区曲率所引起的电场集中，降低了器件提早发生反向击穿的几率。并且刻蚀后，更小的碳化硅外延层厚度也减小了器件的导通损耗，使得器件在满足更高的反向耐压下，保持了较低的导通损耗。根据实际验证，在采用相同数量的P型分压环时，沟槽结构相比于平面结构，器件的反向击穿电压提高了24%，很大程度上增强了器件的反向耐压性能。

附图说明

图1是本发明步骤S100的结构示意图，

图2是本发明步骤S200的结构示意图，

图3是本发明步骤S300的结构示意图，

图4是本发明步骤S400的结构示意图，

图5是本发明步骤S500的结构示意图，

图6是本发明步骤S600的结构示意图，

图7是本发明步骤S700的结构示意图，

图8是本发明步骤S900的结构示意图，

图9是本发明步骤S1000的结构示意图，

图中图中1是碳化硅衬底，2是外延层，3是刻蚀沟槽区，4是P型扩散区，5是P型分压环，6是场氧，7是正面金属接触电极，8是正面加厚金属，9是无机钝化层，10是有机钝化层，11是欧姆接触电极，12是背面加厚金属。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、 “下”、 “左”、 “右”、 “竖直”、 “水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明， “多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、 “连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接 ；可以是机械连接，也可以是电连接 ；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种终端沟槽结构的碳化硅二极管及其制备方法，包括从下而上依次连接的背面加厚金属12、背面欧姆接触金属11、碳化硅衬底1和碳化硅外延层2；

所述碳化硅外延层2上设有交替设置的P型扩散区4和P型分压环5；

所述碳化硅外延层2的一侧设有从下而上依次设置的正面接触金属7和正面加厚金属8；

所述碳化硅外延层2的另一侧设有伸入正面接触金属7下方的场氧6；

所述场氧6的上方设有延伸至正面加厚金属8上方的钝化层。

进一步限定，所述钝化层包括从下而上依次设置的无机钝化层9和有机钝化层10。

进一步限定，所述碳化硅衬底1和碳化硅外延层2导电类型均为N型。

进一步限定，若干所述P型扩散区4的间距相同。

进一步限定，所述P型分压环5的间距为0.5um至2um。参照图3所示，P型分压环5为碳化硅外延层2中右侧较矮的6个打剖面线区域，左侧四个剖面线区域为P型扩散区4。

本发明的制备过程提高了常用平面场限环结构的反向耐压能力，进一步改善了主结处P型扩散区曲率引起的电场集中，并且外延层的刻蚀减小了器件的导通损耗，使得器件在满足更高的反向耐压下，保持了较低的导通损耗，进一步提升了碳化硅二极管的综合性能。

一种终端沟槽结构的碳化硅二极管的制备方法，包括以下步骤：

S100，在碳化硅衬底1上生长碳化硅外延层2；参照图1所示；

S200，在碳化硅外延层2上通过介质薄膜沉积、光刻和刻蚀，形成图形化掩膜氧化层后，通过刻蚀工艺形成终端沟槽结构3；参照图2所示；

S300，在碳化硅外延层2上通过介质薄膜沉积、光刻和刻蚀，形成图形化掩膜氧化层后，通过Al离子注入和高温激活退火形成P型扩散区4和P型分压环5；参照图3所示；

S400，在主结处的P型扩散区4和P型分压环5上方通过沉积形成场氧6；参照图4所示；

S500，在P型扩散区4上通过金属沉积形成正面接触金属7，正面接触金属7的末端搭在场氧6上方，沉积完后进行退火处理，形成肖特基接触金属；参照图5所示；

S600，在正面接触金属7上沉积正面加厚金属8，作为电极引出；参照图6所示；

S700，在正面加厚金属8和场氧6的上方制作无机钝化层9，无机钝化层9从场氧6的端部向正面加厚金属8方向爬升，止于靠近正面加厚金属8的中部位置；参照图7所示，钝化层9大部分接触于场氧6，少部分接触于正面加厚金属8；

S800，在无机钝化层9的上方制备有机钝化层10；

S900，在碳化硅衬底1的背面通过欧姆接触方式形成欧姆金属电极11，参照图8所示；

S1000，在背面欧姆接触金属11上沉积背面加厚金属12，参照图9所示。

进一步限定，步骤S200中所述终端沟槽结构3的深度在0.3um至1um。

进一步限定，步骤S500中离子注入为Al离子，注入能量范围在30-500keV，注入剂量范围在1E12-1E16 cm^-2，注入温度在400-600 ℃，完成注入后高温激活退火温度在1600-1900℃，形成的P型结的深度在0.6-1.0um。

对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：

（1）、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；

（2）、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；

以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本案所公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种终端沟槽结构的碳化硅二极管及其制备方法，其特征在于，包括从下而上依次连接的背面加厚金属（12）、背面欧姆接触金属（11）、碳化硅衬底（1）和碳化硅外延层（2）；

所述碳化硅外延层（2）上设有交替设置的P型扩散区（4）和P型分压环（5）；

所述碳化硅外延层（2）的一侧设有从下而上依次设置的正面接触金属（7）和正面加厚金属（8）；

所述碳化硅外延层（2）的另一侧设有伸入正面接触金属（7）下方的场氧（6）；

所述场氧（6）的上方设有延伸至正面加厚金属（8）上方的钝化层。

2.根据权利要求1所述的一种终端沟槽结构的碳化硅二极管及其制备方法，其特征在于，所述钝化层包括从下而上依次设置的无机钝化层（9）和有机钝化层（10）。

3.根据权利要求1所述的一种终端沟槽结构的碳化硅二极管及其制备方法，其特征在于，所述碳化硅衬底（1）和碳化硅外延层（2）导电类型均为N型。

4.根据权利要求1所述的一种终端沟槽结构的碳化硅二极管及其制备方法，其特征在于，若干所述P型扩散区（4）的间距相同。

5.根据权利要求1所述的一种终端沟槽结构的碳化硅二极管及其制备方法，其特征在于，所述P型分压环（5）的间距为0.5um至2um。

6.一种终端沟槽结构的碳化硅二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100，在碳化硅衬底（1）上生长碳化硅外延层（2）；

S200，在碳化硅外延层（2）上通过介质薄膜沉积、光刻和刻蚀，形成图形化掩膜氧化层后，通过刻蚀工艺形成终端沟槽结构（3）；

S300，在碳化硅外延层（2）上通过介质薄膜沉积、光刻和刻蚀，形成图形化掩膜氧化层后，通过Al离子注入和高温激活退火形成P型扩散区（4）和P型分压环（5）；

S400，在主结处的P型扩散区（4）和P型分压环（5）上方通过沉积形成场氧（6）；

S500，在P型扩散区（4）上通过金属沉积形成正面接触金属（7），正面接触金属（7）的末端搭在场氧（6）上方，沉积完后进行退火处理，形成肖特基接触金属；

S600，在正面接触金属（7）上沉积正面加厚金属（8），作为电极引出；

S700，在正面加厚金属（8）和场氧（6）的上方制作无机钝化层（9），无机钝化层（9）从场氧（6）的端部向正面加厚金属（8）方向爬升，止于靠近正面加厚金属（8）的中部位置；

S800，在无机钝化层（9）的上方制备有机钝化层（10）；

S900，在碳化硅衬底（1）的背面通过欧姆接触方式形成欧姆金属电极（11）；

S1000，在背面欧姆接触金属（11）上沉积背面加厚金属（12）。

7.根据权利要求1所述的一种终端沟槽结构的碳化硅二极管的制备方法，其特征在于，步骤S200中所述终端沟槽结构（3）的深度在0.3um至1um。

8.根据权利要求1所述的一种终端沟槽结构的碳化硅二极管的制备方法，其特征在于，步骤S500中离子注入为Al离子，注入能量范围在30-500keV，注入剂量范围在1E12-1E16cm^-2，注入温度在400-600 ℃，完成注入后高温激活退火温度在1600-1900℃，形成的P型结的深度在0.6-1.0um。

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