P溝碳化硅靜電感應晶閘管及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種P溝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(tài)電阻、提升功率特性，所采用的技術方案為：包括自下而上依次設置的第二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SiC電流增強層，P型SiC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，臺階頂部設置有P型SiC歐姆接觸層，P型SiC歐姆接觸層上部設置有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，溝槽內設置有N型SiC歐姆接觸區(qū)，N型SiC歐姆接觸區(qū)與臺階側面、溝槽底部和P型SiC歐姆接觸層均接觸，位于溝槽底部的N型SiC歐姆接觸區(qū)的上部設置有第一N型歐姆接觸電極，P型歐姆接觸電極、第一N型歐姆接觸電極和第二N型歐姆接觸電極均包括依次沉積的Ni層和Pt層。
【專利說明】
P溝碳化硅靜電感應晶閘管及其制造方法
技術領域
[0001] 本發(fā)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P溝碳化硅靜電 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(fā)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(tǒng)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(xù)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(huán)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(tǒng)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(yōu)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(zhàn)。特別是SiC全控型功率器件的發(fā)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(yōu)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(qū)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(tài)電阻和關態(tài)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(tài)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?yōu)殡娏黩寗樱?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(qū)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(lián)，即具有SiC JFET工藝成熟、易驅動 的優(yōu)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(qū)的電導率，有效降低器件的開態(tài)電阻。

【發(fā)明內容】

[0009] 為了解決現有技術中的問題，本發(fā)明提出一種有利于降低器件開態(tài)電阻、提升功 率特性的P溝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(fā)明所采用的技術方案為：
[0011] -種P溝碳化硅靜電感應晶閘管，包括自下而上依次設置的第二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SiC電流增強層，所述P型SiC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N型SiC歐姆接觸區(qū)，N型SiC歐姆接觸區(qū)與臺階側面、溝 槽底部和P型SiC歐姆接觸層均接觸，位于溝槽底部的N型SiC歐姆接觸區(qū)的上部設置有第一 N型歐姆接觸電極，所述P型歐姆接觸電極、第一 N型歐姆接觸電極和第二N型歐姆接觸電極 均包括依次沉積的Ni層和Pt層。
[0012] 所述N型SiC襯底的摻雜濃度為1 X 1018~1 X 1019cm-3。
[0013] 所述p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，摻雜濃度Ndrift為 lX1014~8X1015cm-3〇
[0015]所述P型電流增強層的摻雜濃度NCSL為1 X 1016~1 X 1017cnf3,溝槽底部的P型電流 增強層的厚度為0.5~2μπι。
[0016] 所述臺階高度為1.5~3·5μηι，臺階寬度為
[0017] 所述Ρ型歐姆接觸層的摻雜濃度為1 X 1018~1 X 1019cnf3，厚度為0.2~0.5μπι。
[0018] -種Ρ溝碳化硅靜電感應晶閘管的制備方法，包括以下步驟：
[0019] 步驟一、由SiC基片構成Ν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] 步驟三、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、采用離子注入法在P型SiC電流增強層的臺階側面和溝槽底部形成N型SiC 歐姆接觸區(qū)，并在惰性氣體氣氛下進行溫度為1650°C~1700°C的熱退火；
[0023] 步驟五、在P型SiC歐姆接觸層上部、N型SiC襯底下方以及溝槽底部的N型SiC歐姆 接觸區(qū)上部依次淀積Ni層和Pt層，并在N 2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;在溝槽底部的N型SiC歐姆接觸區(qū)上部形成 第一N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，即得到P溝碳化硅靜電感 應晶閘管。
[0024] 所述P型SiC歐姆接觸層上部淀積的Ni層厚度為200nm~400nm，Pt層厚度為50nm~ 200nm;在N型SiC襯底下部淀積的Ni層厚度為200nm~400nm，Pt層的厚度為50nm~200nm;溝 槽底部的N型SiC歐姆接觸區(qū)上部淀積的Ni層厚度為200nm~400nm，Pt層的厚度為50nm~ 200nm〇
[0025]與現有技術相比，本發(fā)明采用N型SiC襯底，通過與P型SiC漂移層形成PN結提供少 子注入以獲得電導調制效應，并在N型SiC襯底與P型SiC漂移層之間設置P型SiC緩沖層以避 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SiC電流增強層以降低溝道區(qū)的 阻抗。對于常規(guī)結構的SiC JFET，器件的開態(tài)電阻和擊穿電壓都敏感依賴于溝道區(qū)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(tài)電阻和高擊穿電壓。本發(fā)明 的P溝碳化硅靜電感應晶閘管通過采用N型SiC襯底，形成的少子注入調制低摻雜的P型SiC 漂移層，通過對結構參數的優(yōu)化設計讓電導調制效應可以覆蓋整個漂移區(qū)，即少子擴散長 度大于漂移區(qū)厚度，即可顯著削弱漂移區(qū)摻雜對開態(tài)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，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以調制溝道區(qū)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。因此，采用Ρ型溝道可以獲得更強的電導調制效應，從而可以進一步降低 漂移區(qū)厚度和摻雜濃度，從而獲得高擊穿電壓。本發(fā)明提出的結構能夠有效解決傳統(tǒng)SiC JFET存在的問題，同時獲得低開態(tài)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(qū)摻雜濃度和增加漂移區(qū)的厚度， 但這都會顯著增大開態(tài)電阻。由于漂移層的厚度由電導調制效應決定，且開態(tài)電阻不再受 漂移區(qū)摻雜濃度的影響，本發(fā)明通過采用低摻雜的漂移區(qū)以獲得高擊穿電壓。采用本方案 的設計后，開態(tài)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(tài)時，柵耗盡區(qū)很容易延伸到襯底，即發(fā)生穿通，這會導致器件的 擊穿特性變差。本發(fā)明在N型襯底和P型漂移層之間設置P型緩沖層，以避免穿通的發(fā)生，有 利于提升擊穿電壓。
[0028]進一步，由于采用了低摻雜的漂移層，溝道區(qū)的阻抗會顯著上升，本發(fā)明在P型漂 移層與歐姆接觸層之間設置P型電流增強層以降低溝道區(qū)的阻抗，從而降低漂移層低摻雜 對開態(tài)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(fā)明的結構后，設計和研制開態(tài)電阻低的常關型器件更為容易， 設計方法是溝道寬度（即臺階寬度去掉摻雜深度)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為自建電勢，對于SiC材料和本結構的特點，約
.，
[0030] 本發(fā)明的制備方法制備的P溝碳化硅靜電感應晶閘管能夠有效的降低器件開態(tài)電 阻，提升功率特性，工藝方法難度較低，設計合理，實用性高。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明的結構示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明制造方法的流程圖；
[0033]圖3a為本發(fā)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為步驟四完成后的器件結 構示意圖；
[0034] 其中，1-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-N型歐姆接觸區(qū)；7-P型歐姆接觸電極;8-第一 N型歐姆接觸電極;9-第 二N型歐姆接觸電極。
【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(fā)明作進一步的解釋說明。
[0036] 參見圖1，本發(fā)明結構包括由N型SiC襯底1和設置在N型SiC襯底1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 蝕形成有多個臺階，相鄰臺階之間設有溝槽，在臺階側面和溝槽底部設置有N型SiC歐姆接 觸區(qū)6，P型SiC歐姆接觸層5上部設置有形狀與P型SiC歐姆接觸層5形狀相同的P型歐姆接觸 電極7,臺階底部的N型SiC歐姆接觸區(qū)6上部設置有N型歐姆接觸電極8;N型SiC襯底1下部設 置有N型歐姆接觸電極9。
[0037] N型SiC襯底1摻雜濃度為IX 1018~IX 1019cm-3 ;P型SiC緩沖層2的厚度為0.5~2.0 μπι，摻雜濃度為1X1016~5X1017cnf3;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，摻雜濃度Ndrift為1 X 1014~8X 1015cm-3;臺階高度1.5~3.5μπι，臺階寬度為
1.0~2.0倍;Ρ型電流增強層4的摻雜濃度Ncsl為1 X 1016~1 X 1017cm_3，其下 邊界延伸到溝槽底部下方0.5~2μπι，即位于溝槽底部的P型電流增強層4的厚度為0.5~2μ m; Ρ型歐姆接觸層5摻雜濃度1 X 1018~1 X 1019cm-3，厚度0.2~0.5μπι。
[0038] 參見圖2，本發(fā)明的制造方法，包括以下步驟：
[0039]步驟一、提供由SiC基片構成的Ν型SiC襯底1;
[0040] 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厚度為0.5 ~2.0μπι，摻雜濃度為1X1016~5X10 17cnf3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，摻雜濃度Ndrift為1 X 1014~8 X 1015cnf3的P型SiC漂移層3;摻雜濃度NCSL為1 X 1016~lX1017cm_3,其下邊界延伸到溝槽底部下方0.5~2μπι的P型SiC電流增強層4;摻雜濃 度1 X 1018~1 X 1019cm-3，厚度0 · 2~0 · 5μπι的P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P型SiC電流增強層4和P型SiC 歐姆接觸層5上刻蝕出高度1.5~3.5μπι，11.0~2.0倍，間距為2~5以111 的若干個臺階，相鄰臺階之間設溝槽；
[0042] 步驟四、采用離子注入法在Ρ型SiC電流增強4的臺階側面和溝槽底部形成摻雜濃 度為1 X 1018~5 X 1018cnf3的N型SiC歐姆接觸區(qū)6,并在惰性氣體氣氛下進行溫度為1650°C ~1700°C的熱退火；
[0043] 步驟五、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，Pt層的厚度為50nm~200nm;
[0044] 步驟六、在N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;
[0045] 步驟七、在溝槽底部的N型SiC歐姆接觸區(qū)6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;
[0046] 步驟八、在N2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 的上部形成由Ni層和Pt層構成的P型歐姆接觸電極7;在溝槽底部的上部形成由Ni層和Pt層 構成的N型歐姆接觸電極8;在N型SiC襯底1下方形成由Ni層和Pt層構成的N型歐姆接觸電極 9,即得到P溝碳化硅靜電感應晶閘管。
[0047]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）。
[0048] 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(yōu)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）。
[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(qū) 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(fā)現這兩種器件的特性各有優(yōu)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(fā)展。本發(fā)明提出的結構和工藝方案，可以有效 解決傳統(tǒng)SiC JFET存在的問題，同時獲得低開態(tài)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第二N型歐 姆接觸電極(9)、N型SiC襯底(1)、P型SiC緩沖層(2)、P型SiC漂移層(3)和P型SiC電流增強層 (4)，所述P型SiC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)上部設置有P型歐姆接觸電極 (7)，P型歐姆接觸電極(7)的形狀與P型SiC歐姆接觸層(5)相同，所述溝槽內設置有N型SiC 歐姆接觸區(qū)(6)，N型SiC歐姆接觸區(qū)(6)與臺階側面、溝槽底部和P型SiC歐姆接觸層(5)均接 觸，位于溝槽底部的N型SiC歐姆接觸區(qū)（6)的上部設置有第一 N型歐姆接觸電極(8)，所述P 型歐姆接觸電極(7)、第一 N型歐姆接觸電極(8)和第二N型歐姆接觸電極(9)均包括依次沉 積的Ni層和Pt層。2. 根據權利要求1所述的一種P溝碳化硅靜電感應晶閘管，其特征在于，所述N型SiC襯 底(1)的摻雜濃度為I X IO18~I X l〇19cm-3。3. 根據權利要求1所述的一種P溝碳化硅靜電感應晶閘管，其特征在于，所述P型SiC緩 沖層⑵的厚度為〇. 5~2. Ομπι，摻雜濃度為I X IO16~5 X 1017cm-3。4. 根據權利要求1所述的一種P溝碳化硅靜電感應晶閘管，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，摻雜濃度Ndrift為IX IO14~8 X IO15Cnf305. 根據權利要求1所述的一種P溝碳化硅靜電感應晶閘管，其特征在于，所述P型電流增 強層(4)的摻雜濃度Ncsl為I X IO16~I X IO17cnT3，溝槽底部的P型電流增強層⑷的厚度為 0 · 5~2μπι〇6. 根據權利要求5所述的一種P溝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，臺階寬度0~2.0倍。7. 根據權利要求1所述的一種P溝碳化硅靜電感應晶閘管，其特征在于，所述P型歐姆接 觸層(5)的摻雜濃度為I X IO18~I X IO19Cnf3，厚度為0.2~0.5μπι。8. -種P溝碳化硅靜電感應晶閘管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 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)、Ρ型SiC漂移層(3)、Ρ型SiC電流增強層(4)和P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、采用離子注入法在P型SiC電流增強層(4)的臺階側面和溝槽底部形成N型SiC 歐姆接觸區(qū)(6)，并在惰性氣體氣氛下進行溫度為1650Γ~1700°C的熱退火； 步驟五、在P型SiC歐姆接觸層(5)上部、N型SiC襯底（1)下方以及溝槽底部的N型SiC歐 姆接觸區(qū)（6)上部依次淀積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P型SiC歐姆接觸層(5)的上部形成P型歐姆接觸電極(7);在溝槽底部的N型SiC歐姆接 觸區(qū)（6)上部形成第一 N型歐姆接觸電極(8);在N型SiC襯底（1)下部形成N型歐姆接觸電極 (9 )，即得到P溝碳化硅靜電感應晶閘管。9. 根據權利要求8所述的一種P溝碳化硅靜電感應晶閘管的制備方法，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層厚度為50nm~200nm; 在N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;溝槽 底部的N型SiC歐姆接觸區(qū)（6)上部淀積的Ni層厚度為200nm~400nm，Pt層的厚度為50nm~ 200nm〇
【文檔編號】H01L29/161GK106024864SQ201610497847
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】張 林, 張贊, 高恬溪, 朱瑋
【申請人】長安大學