[發(fā)明專利]基于小角度深刻蝕工藝的碳化硅功率器件終端及制作方法

在審

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• 申請日: 2020-08-21
• 公開（公告）號: CN112530795A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李良輝;周坤;李志強(qiáng);張林;徐星亮;楊英坤;代方;李俊燾
• 申請（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號: H01L21/033
• 分類號: H01L21/033
• 代理公司: 成都天嘉專利事務(wù)所(普通合伙) 51211
• 代理人: 蔣斯琪

本發(fā)明提出了一種基于小角度深刻蝕工藝的碳化硅功率器件終端及制作方法；該SiC小角度深刻蝕終端制作方法采用雙層膠剝離工藝制備刻蝕所需的極小傾角金屬掩膜，其工藝原理主要是通過控制雙層膠工藝形成的光刻膠倒臺面形貌來控制剝離之后的金屬掩膜形貌，通過工藝優(yōu)化控制獲得了邊緣傾斜角度平均僅為1.6°的金屬掩膜；利用該掩膜實(shí)現(xiàn)了深度14.5μm而角度僅為27°的SiC刻蝕形貌；最后基于該SiC小角度深刻蝕工藝可實(shí)現(xiàn)新型雙向耐壓SiC GTO器件逆向終端的制作；本發(fā)明的終端制作方法還可應(yīng)用于SiC PiN功率二極管器件的正傾角刻蝕終端制作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于小角度深刻蝕工藝的碳化硅功率器件終端及制作方法，屬于半導(dǎo)體電力電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

碳化硅（SiC）材料是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，它具有禁帶寬度大、擊穿場強(qiáng)高、抗輻照以及可在幾百攝氏度的高溫條件下正常工作等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且目前碳化硅材料的外延生長技術(shù)相較于其他常見寬禁帶半導(dǎo)體更為成熟。由這些因素共同決定了SiC材料是制備各類先進(jìn)功率器件的優(yōu)選材料。尤其是近年來隨著新能源汽車、智能電網(wǎng)及軌道交通等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展帶來了巨大的需求牽引，而傳統(tǒng)硅基器件的性能越來越逼近其材料極限難以滿足應(yīng)用需求，在此背景下基于SiC材料的各類功率器件研究得到了快速發(fā)展。

SiC的擊穿場強(qiáng)是Si的幾乎十倍，因而制備相同電壓等級的功率器件時(shí)采用SiC材料的器件其漂移層厚度只需要Si材料器件的十分之一，這將顯著提升器件的正向?qū)ㄌ匦圆⒔档推骷闹亓矿w積。另外由于SiC器件具有更高的可工作溫度以及其材料熱導(dǎo)率相較于Si更高，因而對散熱系統(tǒng)的要求更低，有利于提高整機(jī)系統(tǒng)的集成度。SiC器件的其他優(yōu)勢還包括更好的抗輻照能力以及更優(yōu)的嚴(yán)酷環(huán)境適應(yīng)性。正是由于SiC器件相對于Si器件的這些優(yōu)勢，多種類型的SiC功率器件陸續(xù)得到了報(bào)道，文獻(xiàn)已有報(bào)道的SiC功率器件包括：整流器件的PiN、SBD、MPS以及JBS等；開關(guān)器件的MOSFET、BJT、JFET、IGBT以及GTO等。

對于SiC功率器件的研發(fā)，終端制作是其中一項(xiàng)重要的工作。由于目前SiC材料工藝上的不成熟，很多在Si功率器件上可實(shí)施的終端設(shè)計(jì)方案在SiC器件上工藝無法實(shí)現(xiàn)。例如雙向耐壓SiC GTO器件的逆向終端的制作要求終端刻蝕臺階以較小的傾角（通常要求45°以下）完全穿透厚度數(shù)十微米的漂移層，其中的關(guān)鍵工藝是對SiC材料進(jìn)行小角度的深刻蝕，然而這在目前的SiC材料上并沒有相關(guān)的成熟工藝。Xing Huang等人在其2012年EDL的文獻(xiàn)中曾經(jīng)報(bào)道過一種通過“V”字形金剛刀片進(jìn)行SiC斜角深槽加工以實(shí)現(xiàn)器件逆向阻斷的工藝方法，然而該工藝方法最大的缺點(diǎn)是劃片刀只能沿著橫豎劃切而不能像光刻技術(shù)一樣曝光形成任意的圖形結(jié)構(gòu)。另外，由于是機(jī)械劃切，該工藝方法對材料的損傷較大，加工的器件漏電較高，即使通過RIE/ICP刻蝕進(jìn)行表面損傷修復(fù)后器件漏電依然遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的刻蝕或離子注入終端器件。因此，SiC的小角度深刻蝕工藝技術(shù)對于雙向耐壓SiC GTO器件的逆向終端制作來說仍然是不可或缺的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

SiC材料硬度較高以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其抗化學(xué)腐蝕能力強(qiáng)，因而傳統(tǒng)的濕法腐蝕工藝難以應(yīng)用到SiC材料的刻蝕，目前對SiC材料的刻蝕一般采用基于等離子體技術(shù)的干法刻蝕，例如反應(yīng)離子刻蝕( reactive ion etching，RIE)、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(inductive coupled plasma , ICP)及 磁中性環(huán)路放電等離子體刻蝕(magneticneutral loop discharge，NLD)等。SiC干法刻蝕中所使用的光刻掩膜可以是光刻膠、二氧化硅以及金屬掩膜，采用光刻膠掩膜其選擇比（材料刻蝕速率/掩膜消耗速率）通常在0.2~1之間，二氧化硅掩膜的選擇比通常在0.5~2之間，只有金屬掩膜的刻蝕選擇比能達(dá)在10以上。考慮到上述刻蝕選擇比的情況，光刻膠和二氧化硅作為掩膜通常是應(yīng)用到刻蝕深度不超過3μm的常規(guī)SiC刻蝕工藝中。對于像刻蝕深度超過10μm這樣的SiC深刻蝕工藝，金屬掩膜是目前唯一的選擇。