[發(fā)明專利]一種碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)及其制作方法

在審

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• 申請日: 2017-09-26
• 公開（公告）號: CN107731905A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉新宇;王文;湯益丹;張有潤;白云;郭元旭;徐少東;楊成樾
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院微電子研究所
• 主分類號: H01L29/40
• 分類號: H01L29/40
• 代理公司: 北京匯澤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11228
• 代理人: 張瑾

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)及其制作方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)代科技對半導(dǎo)體功率器件的體積，可靠性，耐壓，功耗等方面不斷提出更高的要求。隨著晶體管特征尺寸的縮小，由于短溝道效應(yīng)等物理規(guī)律和制作成本的限制，主流硅基材料與CMOS技術(shù)正發(fā)展到10納米工藝節(jié)點而很難繼續(xù)提升。

相對于以硅為代表的第一代半導(dǎo)體和以砷化鎵為代表的第二代半導(dǎo)體，第三代半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)具有比硅更大的禁帶寬度和更高的臨界擊穿場強，相比同等耐壓等級的硅功率器件，SiC具有更高的摻雜濃度和更小的外延層厚度，因此正向?qū)娮枘軌虼蟠鬁p小，功率損耗大幅度地降低；同時，碳化硅具有較高的熱導(dǎo)率和耐高溫能力且電子飽和速率較高，適合大電流大功率運用，能夠降低散熱設(shè)備的要求，縮小設(shè)備體積，提高可靠性，減小成本。所以碳化硅被認為是新一代高效能電力電子器件重要的發(fā)展方向，在新能源汽車、軌道交通、機車牽引、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，在碳化硅功率器件的設(shè)計和制備中，為了提高器件的反向耐壓，減小電場集中效應(yīng)，在高壓器件中，需要采用結(jié)終端技術(shù)來調(diào)制器件內(nèi)部耐壓區(qū)的電場分布。常用的碳化硅器件邊緣終端結(jié)構(gòu)有場限環(huán)(field limiting ring，F(xiàn)LR)、結(jié)終端延伸(junction termination extension，JTE)和場板(field plate，F(xiàn)P)等。

場限環(huán)(FLR)結(jié)構(gòu)可以和器件主結(jié)區(qū)同時制作，因而制造步驟簡單，成本低廉。然而，為了提高耐壓，降低表面峰值電場，需要精確設(shè)計場限環(huán)的數(shù)量、環(huán)間距與環(huán)寬，微小的偏差可能導(dǎo)致?lián)舸╇妷捍蠓陆怠４送猓瑘鱿蕲h(huán)結(jié)構(gòu)對于SiC/SiO₂界面電荷非常敏感，而SiC/SiO₂界面具有較大的電荷密度，導(dǎo)致場限環(huán)結(jié)構(gòu)很難承受較高的電壓。

結(jié)終端延伸(JTE)可通過離子注入來實現(xiàn)。然而，結(jié)終端延伸對注入劑量變化非常敏感且存在在優(yōu)值濃度，需要對有注入劑量嚴(yán)格控制，設(shè)計窗口相對較小。另外，增加的光刻和注入步驟會增加制造成本。此外，SiC離子注入需要極高的溫度進行激活退火，直接導(dǎo)致了JTE有效注入劑量的降低，器件的擊穿特性退化，并且高溫退火過程會降低器件的良率。另一方面，SiC與鈍化層的界面存在與JTE劑量相當(dāng)?shù)墓潭姾?，這些電荷的存在會改變JTE等終端的有效劑量，結(jié)終端延伸結(jié)構(gòu)對表面電荷非常敏感，容易因界面不穩(wěn)定性和氧化層電荷從而影響器件表面電場分布，進而影響器件擊穿電壓以及可靠性。

場板(FP)通過金屬場板來調(diào)制SiC電場。場板結(jié)構(gòu)應(yīng)用在最高電場強度相對較低的硅器件中具有良好的效果。但在碳化硅功率器件中，碳化硅在發(fā)生擊穿時最高電場強度可達3MV/cm，使得氧化層中具有極高的電場，導(dǎo)致氧化層比SiC提前擊穿，無法使場板下的表面耗盡達到提高擊穿電壓的效果。因此，單一的場板終端結(jié)構(gòu)在SiC功率器件中應(yīng)用較少。

近來，考慮到場限環(huán)、結(jié)終端延伸和場板等傳統(tǒng)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的弊端，人們提出了刻蝕型臺面終端?？涛g型臺面終端采用刻蝕SiC外延的方式避免了離子注入及后續(xù)的高溫退火問題。然而，刻蝕型JTE仍然對劑量極其敏感。并且，對于電壓等級更高的SiC器件，往往需要采用多區(qū)JTE形成多區(qū)效應(yīng)，用于降低工藝偏差對終端效率的影響。

為了提高器件的穩(wěn)定性，美國專利US005977605A提出了一種免離子注入工藝的SiC功率器件終端結(jié)構(gòu)，即采用多次刻蝕P型區(qū)的方式形成多區(qū)臺面終端結(jié)構(gòu)。由于多區(qū)臺面的分壓作用，電場集中點隨著臺面?zhèn)€數(shù)的增加而增加，器件具有更加穩(wěn)定的擊穿特性。但是，多次刻蝕使器件制作工藝步驟成倍增加，導(dǎo)致高昂的制造成本；此外，每次的臺面刻蝕高度需要精確控制，這本身也加大了器件制作工藝的難度與復(fù)雜度。臺面?zhèn)€數(shù)多于3個的刻蝕型終端結(jié)構(gòu)很難應(yīng)用在SiC功率器件的實際制造中。

因此，亟需設(shè)計一種碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)及其制作方法，降低JTE對劑量與鈍化層界面電荷的敏感度，允許較大的工藝偏差，并且易于在碳化硅功率器件的實際制造中應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供的碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)及其制作方法，能夠針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，降低JTE對劑量與鈍化層界面電荷的敏感度，工藝簡單、工藝選擇窗口大，并且易于實現(xiàn)。

第一方面，本發(fā)明提供一種碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)，其中包括：

N⁺-SiC襯底；

位于所述N⁺-SiC襯底上的N^--SiC外延層；