[發(fā)明專利]一種低導(dǎo)通電阻的溝槽碳化硅功率器件及其制造方法

有效

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• 申請日: 2019-04-30
• 公開（公告）號: CN110176498B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏家行;付浩;趙航波;劉斯揚(yáng);孫偉鋒;陸生禮;時(shí)龍興
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/16;H01L29/10;H01L21/263;H01L21/336;H01L29/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

一種低導(dǎo)通電阻的溝槽碳化硅功率器件及其制造方法。其元胞結(jié)構(gòu)包括，N型襯底，N型外延層，溝槽，溝槽側(cè)壁設(shè)有石墨烯層，溝槽內(nèi)部設(shè)有柵氧化層和多晶硅柵，多晶硅柵上方設(shè)有鈍化層，溝槽兩側(cè)設(shè)有P型體區(qū)、N型源區(qū)和P型體接觸區(qū)，石墨烯層下方設(shè)有P型屏蔽層，源區(qū)上表面設(shè)有源極金屬，襯底下表面設(shè)有漏極金屬。本發(fā)明使用電子束法，以金屬和碳源氣體輔助，在溝槽側(cè)壁生長石墨烯層。本發(fā)明特征在于，溝槽側(cè)壁的石墨烯層，降低了導(dǎo)通電阻。石墨烯層下方的屏蔽層，屏蔽了在器件關(guān)斷狀態(tài)時(shí)流過石墨烯層的電流，提升器件關(guān)斷特性。使用了金屬鎳和碳源氣體輔助生長石墨烯層，提高了石墨烯層的均勻性、厚度和生長速率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)領(lǐng)域，同時(shí)涉及一種二維材料在寬禁帶半導(dǎo)體襯底上的制造技術(shù)，具體而言是一種具有低導(dǎo)通電阻特性的新型溝槽碳化硅功率器件及其制造方法。

背景技術(shù)

碳化硅擁有優(yōu)異的電學(xué)和熱學(xué)特性，被認(rèn)為是最有希望在功率電子領(lǐng)域替代硅的第三代半導(dǎo)體材料。盡管碳化硅器件的制造工藝逐漸成熟，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了部分產(chǎn)品的商業(yè)化，但由于碳化硅半導(dǎo)體與二氧化硅氧化層之間存在大量界面態(tài)，導(dǎo)致碳化硅功率器件的溝道電子遷移率大幅降低，不能發(fā)揮碳化硅材料的全部性能。石墨烯是一種具有高電子遷移率的二維電子材料，可以直接生長在碳化硅襯底上，將石墨烯應(yīng)用于碳化硅功率器件領(lǐng)域，可以大幅降低碳化硅功率器件的導(dǎo)通電阻，但會增大器件的關(guān)斷電流，影響器件的關(guān)斷特性。而且，使用傳統(tǒng)的碳化硅外延生長法制造石墨烯層，需要1400℃以上的高溫環(huán)境，與碳化硅功率器件的制造工藝不兼容，而化學(xué)氣相沉積法又涉及到石墨烯層的濕法轉(zhuǎn)移，工藝難度大而且容易引入污染。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對上述問題，提出了一種與現(xiàn)有碳化硅功率器件制造工藝兼容，既可以降低導(dǎo)通電阻又不影響器件擊穿及關(guān)斷特性的低導(dǎo)通電阻的溝槽碳化硅功率器件及其制造方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明所述的一種低導(dǎo)通電阻的溝槽碳化硅功率器件，包括：N型襯底，在N型襯底的一個表面上設(shè)有漏極金屬，在N型襯底的另一個表面上設(shè)有N型外延層，在N型外延層上設(shè)有P型體區(qū)，在P型體區(qū)上設(shè)有N型源區(qū)和P型體接觸區(qū)且P型體接觸區(qū)位于N型源區(qū)的外側(cè)，在N型源區(qū)和P型體接觸區(qū)上連接有源極金屬，在N型源區(qū)設(shè)有溝槽且所述溝槽始于N型源區(qū)表面、深及N型外延層內(nèi)，在溝槽的內(nèi)壁及底部設(shè)有柵氧化層，在柵氧化層內(nèi)填充多晶硅并形成多晶硅柵，在多晶硅柵上設(shè)有鈍化層并用于隔離多晶硅柵和源極金屬，在柵氧化層側(cè)壁外側(cè)設(shè)有石墨烯層，在石墨烯層和柵氧化層的底部下方設(shè)有P型屏蔽層，所述鈍化層向外側(cè)延伸并覆蓋石墨烯層的頂部。

本發(fā)明所述的制造方法：

步驟1取一個N型襯底，使用濺射工藝，在N型襯底的一個表面上制作漏極金屬，在N型襯底的另一個表面上附上碳化硅以形成N型外延層，使用刻蝕工藝在N型外延層上的表面形成溝槽，

步驟2使用離子注入工藝在溝槽底部形成P型屏蔽層，

步驟3使用濺射工藝和刻蝕工藝，在溝槽側(cè)壁上形成一層能夠溶解碳的金屬，

步驟4用高能電子束轟擊溝槽側(cè)壁，使碳化硅表面的硅碳鍵斷裂，并在能夠溶解碳的金屬層產(chǎn)生500℃-1200℃的局部高溫，碳化硅表面硅碳鍵斷裂產(chǎn)生的碳原子和碳源氣體中的碳原子融入能夠溶解碳的金屬，自然降溫使能夠溶解碳的金屬中的C原子析出，在溝槽側(cè)壁上形成石墨烯層，然后，使用RIE刻蝕技術(shù)，刻蝕掉溝槽底部和能夠溶解碳的金屬層內(nèi)側(cè)的石墨烯層，再腐蝕去掉能夠溶解碳的金屬層，

步驟5使用化學(xué)氣相沉積工藝在溝槽側(cè)壁和底部形成柵氧化層；使用化學(xué)氣相沉積工藝在溝槽內(nèi)沉積多晶硅并形成多晶硅柵；使用離子注入工藝在溝槽兩側(cè)形成N型源區(qū)、P型體區(qū)和P型體接觸區(qū)；用化學(xué)氣相沉積工藝在多晶硅柵上方形成隔離鈍化層；最后，使用濺射工藝分別在N型源區(qū)和P型體接觸區(qū)上表面形成源極金屬。

與現(xiàn)有器件結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：