[發明專利]高電壓碳化硅半導體器件的環境堅固鈍化結構

有效

• 申請號: 200680050811.6
• 申請日: 2006-12-21
• 公開（公告）號: CN101356649A
• 公開（公告）日: 2009-01-28
• 發明（設計）人: A·沃德三世;J·P·亨寧
• 申請（專利權）人: 克里公司
• 主分類號: H01L29/24
• 分類號: H01L29/24;H01L21/314;H01L21/04
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 秦晨

技術領域

本發明涉及基于碳化硅(SiC)的半導體器件，該器件工作在高電壓下從而存在或者否則產生或經歷高電場。這種器件典型地包括，但不一定局限于肖特基(整流)二極管、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)；絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)；PIN二極管；雙極結型晶體管(BJT)。例如(但不作為限制)，基于SiC的功率器件用于(開關)電源、電機控制、功率調節、混合汽車技術、安全裝備和蓄電是有利的。

背景技術

對于功率電子器件，碳化硅提供許多物理、化學和電子的優點。在物理方面，材料非常硬并且具有非常高的熔點，給予它堅固的物理特性。在化學方面，碳化硅高度抗化學侵蝕從而提供化學穩定性以及熱穩定性。但是，或許最重要地，碳化硅具有極好的電子特性，包括高擊穿電場、相對寬的帶隙(室溫下對于6H多型體為大約2.9eV)、高飽和電子漂移速度，給予它相對于高功率操作、高溫操作、抗輻射以及在光譜的藍色、紫色和紫外線區中高能量光子的吸收和發射的顯著優點。

對于功率應用，碳化硅的寬帶隙導致高沖擊電離能。這又允許SiC經歷相對高的電場，而沒有電離載流子的雪崩倍增。作為比較，碳化硅的電場容量為硅的大約十倍大。

因為這些器件的有源區經歷或產生這種高電場，這種器件典型地必須包括某種終止結構以減小在器件邊緣的電場效應(“場擁擠”)。在常見的實例中，終止結構包括與有源區相鄰的碳化硅中的注入區。因為器件的表面也必須終止，某種鈍化結構典型地增加到該表面。在大多數情況下，表面鈍化結構可以包括聚合物(經常地聚酰亞胺)或電介質鈍化例如氧化硅、氮化硅或這些的某種組合，包括非化學計量氧化物和非化學計量氮化物(也就是，除了SiO₂和Si₃N₄之外)。

隨著能夠處理較高電壓從而較高電場的基于SiC的器件持續研制，意外地發現通常在低于大約1500℃的溫度下抗化學侵蝕的碳化硅在與這些類型的電子功率器件相關聯的高電場存在的情況下在低得多溫度下將仍然氧化。特別地，在顯著的瞬態電流通過器件例如在開關功率器件中，該氧化在器件中存在。如最佳理解的，這似乎是另外的常規氧化還原反應，其中在較高電場下和以相對較高的頻率施加的電子的存在激勵氧化發生。

碳化硅的該意外和多余氧化可以在相對適度的操作溫度下發生；也就是低至125℃，而不是碳化硅將參與化學反應之前所必需的通常高得多的溫度。

隨著產生的多余氧化物生長，它延伸并且趨向于提升鈍化層遠離器件，最終退化或消除它的性能特性。

常規的氧化物鈍化技術也趨向于在高電場下表現出漂移。該漂移的至少一些歸因于氫的存在(作為氫離子存在)，其趨向于朝向負電極漂移，導致減小器件的阻擋能力和器件的總體性能的電荷累積。氫的存在典型地由使用等離子增強化學汽相沉積(PECVD)形成鈍化結構而產生，因為在PECVD中使用的氧化物前體中許多包含氫。

在這點上發現的問題已經在低至250千瓦每厘米(kV/cm)的場強處觀察到，并且在500kV/cm或更高處非常明顯。許多基于SiC的功率器件經歷高達大約1.5兆伏每厘米(MV/cm)的電場。

因此，將充分利用碳化硅的場強特性的器件要求可以承受這種場強而沒有多余的電子行為例如漂移以及沒有腐蝕性氧化還原反應例如碳化硅到某種化學計量或非化學計量氧化硅的氧化的鈍化結構。

發明內容

本發明是一種用于碳化硅中高電場半導體器件的改進的終止結構。該結構包括用于高電場工作的基于碳化硅的器件，所述器件中的有源區，所述有源區的邊緣終止鈍化(edge?terminationpassivation)，其中所述邊緣終止鈍化包括，位于器件的至少一些碳化硅部分上的用于滿足表面狀態和降低界面密度的氧化物層，位于所述氧化物層上用于避免氫的結合且用于減小寄生電容和最小化捕獲的氮化硅的非化學計量層，以及位于非化學計量層上用于密封所述非化學計量層和所述氧化物層的氮化硅的化學計量層。