專利名稱：基于半超結(jié)的碳化硅mosfet及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子領(lǐng)域，尤其涉及一種碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，可用于大功率電氣設(shè)備、太陽能發(fā)電模塊以及混合燃料電動(dòng)車。
背景技術(shù)：
SiC是最近十幾年來迅速發(fā)展起來的寬禁帶半導(dǎo)體材料，與其它半導(dǎo)體材料，比如Si，GaN及GaAs相比，SiC材料具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和遷移率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)。SiC可以熱氧化生成二氧化硅，使得SiC金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET和電路的實(shí)現(xiàn)成為可能。自20世紀(jì)90年代以來，SiC MOSFET已在開關(guān)穩(wěn)壓電源、汽車電子以及功率放大器等方面取得了廣泛的應(yīng)用。
然而，作為一種功率器件，傳統(tǒng)的碳化硅M0SFET，如附圖I所示，在性能上仍然存在很大的問題。最關(guān)鍵的一個(gè)就是由于起承受耐壓作用的外延層漂移區(qū)其擊穿電壓和導(dǎo)通電阻之間存在的制約關(guān)系，提高擊穿電壓和降低導(dǎo)通電阻往往不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)，這就導(dǎo)致器件在大電壓下工作時(shí)會(huì)有很大的能量損耗。1989年電子科技大學(xué)陳星弼院士在研究Si基功率MOSFET時(shí)，提出了一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的耐壓層，用超結(jié)結(jié)構(gòu)來替代傳統(tǒng)的漂移層時(shí)，能突破Si材料導(dǎo)通電阻與反向耐壓的極限關(guān)系，即Rm=O. 83 X 10_8 X Vb25 (Ω .cm2)。超結(jié)結(jié)構(gòu)提出后，很快在理論和器件制造上進(jìn)行了深入的研究，結(jié)果表明超結(jié)結(jié)構(gòu)確實(shí)能突破硅極限，在一定的反向耐壓下能極大地降低導(dǎo)通電阻。近年來，由于Si材料的固有局限性，在功率MOSFET領(lǐng)域，人們開始了用新材料SiC來制造M0SFET，隨著SiC MOSFET制作工藝的不斷改善，SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻也在不斷下降，向著SiC材料的極限值逼近，這樣，尋求新的結(jié)構(gòu)和方法來繼續(xù)降低SiC MOSFET 的導(dǎo)通電阻就十分必要，將在Si基功率MOSFET上獲得成功的超結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于SiC MOSFET就是一種自然的思路。L. C. Yu, K. Sheng2006 年發(fā)表在《Solid-State Electronics))中的〈〈Breaking the theoretical limit of SiC unipolar power device - A simulationstudy)) 一文中對(duì)超結(jié)結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET進(jìn)行了理論仿真，結(jié)果表明利用當(dāng)時(shí)的工藝水平，其FOM值可比SiC的極限值提高300%。超結(jié)SiC MOSFET的關(guān)鍵在于制造具有高深寬比的超結(jié)結(jié)構(gòu)，目前的工藝水平只能制造出深寬比為4:1的超結(jié)結(jié)構(gòu)，由于在實(shí)際的電路芯片中面積有限，超結(jié)結(jié)構(gòu)的橫向?qū)挾炔豢赡苓^大，縱向厚度也就受到限制，進(jìn)而決定其耐壓能力不會(huì)太高，這就造成在實(shí)際的電路應(yīng)用中，現(xiàn)有工藝條件下單純利用超結(jié)結(jié)構(gòu)制造出來的器件其耐壓達(dá)不到實(shí)際電路應(yīng)用中所需要的耐壓值，而單純采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的SiC MOSFET雖然能滿足耐壓需求，但其導(dǎo)通電阻較大，造成器件正向?qū)〞r(shí)功耗較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，基于現(xiàn)有的工藝水平，提出一種基于超結(jié)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)漂移區(qū)相結(jié)合的半超結(jié)結(jié)構(gòu)的碳化硅MOSFET及其制作方法，在滿足耐壓需求的前提下進(jìn)一步減小導(dǎo)通電阻，降低器件正向?qū)〞r(shí)功耗。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的器件包括源極I、柵極2、SiO2氧化物介質(zhì)3、N+源區(qū)
4、P+歐姆接觸區(qū)5、P阱6、JFET區(qū)域7、N_外延層11、N+襯底12和漏極13，其特征在于N-外延層11上方設(shè)有電流擴(kuò)展層10，電流擴(kuò)展層10上方的兩側(cè)且在P阱6的正下方設(shè)有P+柱區(qū)8，兩個(gè)P+柱區(qū)(8)橫向?qū)挾认嗟?；JFET區(qū)域(13)的下方設(shè)有N+柱區(qū)9，該N+柱區(qū)9位于兩個(gè)P+柱區(qū)8之間，其寬度為兩個(gè)P+柱區(qū)8的寬度之和；所述P+柱區(qū)8和N+柱區(qū)9的摻雜濃度相等，均為摻雜濃度為I X IO16^XIOiW的高摻雜區(qū)域；所述電流擴(kuò)展層10為摻雜濃度為I X IO17^XIOiW3的N型高摻雜區(qū)域，以拓寬電流縱向流動(dòng)時(shí)的通路。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明基于半超結(jié)的碳化硅MOSFET制作方法，包括如下步驟(I)在N+碳化硅襯底的正面上外延生長厚度為5 20μπι，氮離子摻雜濃度為5 X IO15 I X IO16CnT3 的 N 外延層；(2)在N—外延層的表面外延生長厚度為0.05、. 5μπι，氮離子摻雜濃度為I X IO17^XIOiW的N.電流擴(kuò)展層；(3)在N+電流擴(kuò)展層上外延生長厚度為5 20 μ m、氮離子摻雜濃度為I X IO16 3 X IO17CnT3 的 N+ 外延層；(4)采用ICP刻蝕工藝，對(duì)N+外延層的兩側(cè)進(jìn)行刻蝕，形成待外延的P+柱區(qū)，刻蝕深度為5 20 μ m ；(5)在刻蝕出的區(qū)域上外延生長厚度為5 20 μ m、鋁離子摻雜濃度為
IX IO16 3 X IO17CnT3的外延層形成P+柱區(qū)；(6)在整個(gè)碳化硅的正面外延生長形成厚度為O. 5μπι、鋁離子摻雜濃度為5 X IO15CnT3的P阱外延層；(7)在P阱外延層的中間區(qū)域離子注入深度為O. 5 μ m，摻雜濃度為I X IO17CnT3的氮離子形成JFET區(qū)；(8)在P柱區(qū)的邊緣區(qū)域離子注入深度為0.5 μ m，摻雜濃度為I X IO19CnT3的鋁離子形成P+歐姆接觸區(qū)；(9)在P阱中靠近P+歐姆接觸區(qū)離子注入深度為0.25 μ m，摻雜濃度為I X 1019cm_3的氮離子，形成N+源區(qū)；(10)在整個(gè)碳化硅表面采用干氧氧化和濕氧氧化結(jié)合的工藝進(jìn)行氧化，形成50nm的柵氧化層；(11)在整個(gè)碳化硅表面用低壓熱壁化學(xué)汽相淀積法淀積厚度為150nm的多晶硅作為柵極，其淀積溫度為60(T70(TC，壓強(qiáng)為6(T80Pa，反應(yīng)氣體為硅烷和磷化氫，載運(yùn)氣體為氦氣；(12)在P+歐姆接觸區(qū)、N+源區(qū)以及整個(gè)碳化硅背面淀積厚度為300nm/100nm的Al/Ti合金，作為源極和漏極的接觸金屬層，然后在1100±50°C溫度下，氮?dú)鈿夥罩袑?duì)整個(gè)碳化硅退火3分鐘形成歐姆接觸電極。所述步驟(I)、(2)、(3)均采用化學(xué)氣相淀積CVD方法，其工藝條件為外延生長溫度為1600°C,壓力為IOOmbar,反應(yīng)氣體是娃燒和丙燒,載運(yùn)氣體為純氫氣,雜質(zhì)源為液態(tài)氮?dú)?；所述步驟(5)、(6)均采用化學(xué)氣相淀積CVD方法，其工藝條件為外延生長溫度為1600°C，壓力為lOOmbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為三甲基招;所述步驟(4)所涉及的ICP刻蝕工藝條件為ICP線圈功率850W，源功率100W，反應(yīng)氣體SF6和O2分別為48sccm和12sccm ；所述步驟(8)所涉及的離子注入工藝條件為注入溫度650°C，離子激活退火溫度1750°C，退火時(shí)間:IOmin ；所述步驟(9)所涉及的離子注入工藝條件為注入溫度500°C，離子激活退火溫度1750°C，退火時(shí)間:IOmin ；
所述步驟(10)所涉及的氧化工藝條件為干氧氧化溫度1200°C，濕氧氧化溫度950。。。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明由于引入P+柱區(qū)和N+柱區(qū)形成的超結(jié)結(jié)構(gòu)，使得器件P+柱區(qū)和N+柱區(qū)的摻雜濃度可以大大提高，從而使得在擊穿電壓不變的條件下器件的導(dǎo)通電阻得到顯著減?。煌瑫r(shí)由于在超結(jié)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)漂移區(qū)之間加入了高摻雜的電流擴(kuò)展層，可使導(dǎo)通電阻進(jìn)
一步減小。


圖I是傳統(tǒng)的碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明基于半超結(jié)的碳化硅MOSFET結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的制作工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D2，本發(fā)明的場效晶體管器件包括源極I、多晶硅柵極2、SiO2氧化物介質(zhì)
3、N+源區(qū)4、P+歐姆接觸區(qū)5、P阱6，JFET區(qū)7、P+柱區(qū)8、N+柱區(qū)9、電流擴(kuò)展層10、N_外延層11、襯底12和漏極13。其中，N+襯底12，為厚度為200 500 μ m，氮離子摻雜濃度是5 X IO18 I X 102°cnT3的N型碳化娃襯底片；N_外延層11，為厚度為5 20 μ m、氮離子摻雜濃度是5 X IO15 I X IO16CnT3的N型碳化娃外延層；電流擴(kuò)展層10，為厚度為O. 05、. 5 μ m、氮離子摻雜濃度是I X IO17飛X IO17CnT3的N型碳化娃外延層；N+柱區(qū)9，為厚度為5 20 μ m，氮離子摻雜濃度為I X IO16 3 X IO17CnT3的N型碳化娃外延層；P+柱區(qū)8，為厚度為5 20 μ m，鋁離子摻雜濃度為I X 10吣3 X 1017cm_3的P型碳化娃外延層；JFET區(qū)7，為厚度為O. 5 μ m，氮離子摻雜濃度為I X IO17CnT3的N型碳化硅，通過離子注入工藝形成；
P阱6，為厚度為O. 5 μ m，鋁離子摻雜濃度為5 X IO15CnT3的P型碳化硅外延層；P+歐姆接觸區(qū)5，為厚度為O. 5 μ m，鋁離子摻雜濃度為I X IO19CnT3的P型碳化硅，通過離子注入工藝形成；N+源區(qū)4，為厚度為O. 25 μ m，氮離子摻雜濃度為I X IO19CnT3的N型碳化硅，通過離子注入工藝形成；SiO2氧化物介質(zhì)3,為厚度為50nm SiO2介質(zhì)層,通過干氧加濕氧的工藝形成；柵極2，為厚度為150nm的多晶硅層，采用低壓熱壁化學(xué)汽相淀積法形成；源極I,為由厚度為300nm/100nm的Al/Ti組成的合金層；
漏極13，為由厚度為300nm/100nm的Al/Ti組成的合金層。所述的N+襯底12上面為N-外延層11 ;N_外延層11上方為電流擴(kuò)展層10 ;電流擴(kuò)展層10上方的兩側(cè)對(duì)稱分布兩個(gè)P+柱區(qū)8 ；N+柱區(qū)9位于兩個(gè)P+柱區(qū)8之間；該N+柱區(qū)9的寬度為兩個(gè)P+柱區(qū)8的寬度之和；在P+柱區(qū)8的上方為P阱6 ;在N+柱區(qū)9的上方為JFET區(qū)7 ;在P阱6的邊緣為P+歐姆接觸區(qū)5 ;在P阱6中靠近P+歐姆接觸區(qū)5的位置為N+源區(qū)4 ;在JFET區(qū)7上面為SiO2隔離介質(zhì)3 ；Si02隔離介質(zhì)3上面為柵極2 ;在N+源區(qū)4和P+歐姆接觸區(qū)5上面為源極I ;N+襯底12的背面為漏極13。參照?qǐng)D3，制作本發(fā)明上述器件的方法，給出如下三種實(shí)施例實(shí)施例I步驟I.在N+碳化硅襯底片上外延生長f漂移層,如圖3a。先對(duì)厚度為200 μ m，氮離子摻雜摻雜濃度為I X 102°cm_3N+型碳化硅襯底片進(jìn)行RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗，再在其正面上用低壓熱壁化學(xué)氣相淀積法外延生長厚度為5 μ m、氮離子摻雜濃度為lX1016cm_3的N_外延漂移層，其外延工藝條件是溫度為1600°C，壓力lOOmbar，反應(yīng)氣體是娃燒和丙燒，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮?dú)?。步驟2.在f漂移層上外延生長N+電流擴(kuò)展層，如圖3b。在N_外延層的表面外延生長厚度為O. 05 μ m，氮離子摻雜濃度為I X IO17CnT3的N+電流擴(kuò)展層，其外延生長溫度為1600°C，壓力lOOmbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮?dú)猓徊襟E3.在電流擴(kuò)展層上外延生長N+柱區(qū)域，如圖3c。用低壓熱壁化學(xué)氣相淀積法外延生長厚度為5 μ m、氮離子摻雜濃度為3X1017的CnT3N+外延層，外延生長溫度為1600°C，壓力lOOmbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮?dú)?；步驟4.采用ICP刻蝕工藝，對(duì)N+外延層的兩側(cè)進(jìn)行刻蝕，形成形成待外延的P+柱區(qū)，刻蝕深度為5μπι;如圖3d。在刻蝕出的區(qū)域采用ICP刻蝕工藝，刻蝕形成深度為5 μ m的P+柱區(qū)域，ICP刻蝕工藝條件為ICP線圈功率850W，源功率100W，反應(yīng)氣體SF6和O2分別為48sccm和12sccm。步驟5.選擇性外延生長P+柱區(qū),如圖3e。在刻蝕出的區(qū)域用低壓熱壁化學(xué)氣相淀積法外延生長厚度為5 μ m、氮離子摻雜濃度為3 X IO17CnT3的P+柱區(qū)，其外延工藝條件是溫度為1600°C，壓力lOOmbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為三甲基鋁。步驟6.外延生長P講區(qū)域,如圖3f。
在整個(gè)碳化硅的正面外延生長形成厚度為O. 5 μ m、鋁離子摻雜濃度為5 X IO15CnT3的P阱外延層，其外延生長工藝條件是溫度為1600°C，壓力lOOmbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為三甲基鋁。步驟7.在P阱的中間區(qū)域采用氮離子注入形成氮離子摻雜濃度為IXlO17CnT3JFET 區(qū)，如圖 3g。(7. I)用低壓化學(xué)汽相淀積方式在整個(gè)碳化硅表面淀積一層厚度為O. 2 μ m的SiO2鈍化層，再淀積厚度為I μ m的Al作為JFET區(qū)中氮離子注入的阻擋層，通過光刻和刻蝕形成JFET注入?yún)^(qū)； (7. 2)在500°C的環(huán)境溫度下進(jìn)行4次氮離子注入，先后注入能量分別為380keV、250keV、150keV 和 80keV,對(duì)應(yīng)的劑量為 I. 66X IO1W2U. 30X 1012cnT2、I. 02X IO1W2 和
7.23 X IO11CnT2 的氮離子；(7. 3)采用RCA清洗標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碳化硅表面進(jìn)行清洗，烘干后做C膜保護(hù)；然后在1750°C氬氣氛圍中進(jìn)行離子激活退火15min。步驟8.在P阱的邊緣區(qū)域采用4次選擇性鋁離子注入工藝，形成P+歐姆接觸區(qū)，如圖3h。(8. I)用低壓化學(xué)汽相淀積方式在整個(gè)碳化硅表面淀積一層厚度為O. 2 μ m的SiO2鈍化層，再淀積厚度為I. O μ m的Al作為P+歐姆接觸區(qū)5和氮離子注入的阻擋層，通過光刻和刻蝕形成P+歐姆接觸注入?yún)^(qū)；(8.2)在650°C的環(huán)境溫度下進(jìn)行四次鋁離子注入，注入能量分別為280keV、180keV、IOOkeV 和 40keV,對(duì)應(yīng)的劑量為 4. 8 X 1014cm_2、4. O X 1014cm_2、3. 5 X IO1W2 和
2.7 X IO14CnT2 ；(8. 3)采用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗外延片，烘干后做C膜保護(hù)，在1700°C氬氣氛圍中作離子激活退火，時(shí)間為15min。步驟9.在P+層中靠近P+歐姆接觸區(qū)進(jìn)行多次選擇性氮離子注入，形成N+源區(qū)，如圖3i。(9. I)用低壓化學(xué)汽相淀積方式在整個(gè)碳化硅表面淀積一層厚度為O. 2 μ m的SiO2鈍化層，再淀積厚度為O. 5 μ m的Al來作為N+源區(qū)5中氮離子注入的阻擋層，通過光刻和刻蝕形成N+源注入?yún)^(qū)；(9.2)在500°C的環(huán)境溫度下進(jìn)行3次氮離子注入，注入能量分別為180keV、IOOkeV 和 30keV，對(duì)應(yīng)的劑量為 3. 8 X IO15CnT2、2. 5 X IO15CnT2 和 I. 6 X IO1W ；(9. 3)采用RCA清洗標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碳化硅表面進(jìn)行清洗，烘干后做C膜保護(hù)，在1750°C氬氣氛圍中作離子激活退火15min。步驟10.在整個(gè)碳化硅表面進(jìn)行氧化工藝，形成柵氧化膜，如圖3j。先在1200°C下干氧氧化I. 5小時(shí)，再在950°C下濕氧氧化I小時(shí)，形成50nm的柵氧化膜，然后通過光刻、刻蝕形成圖2中的SiO2氧化物介質(zhì)。步驟11.淀積形成磷離子重?fù)诫s的多晶硅柵極，如圖3k。用低壓熱壁化學(xué)汽相淀積法在整個(gè)碳化硅表面生長150nm的多晶硅，然后通過光亥IJ、刻蝕保留住柵氧化膜上的多晶硅作為柵極，淀積工藝條件是淀積溫度為600°C，淀積壓強(qiáng)為60Pa,反應(yīng)氣體米用娃燒和磷化氫,載運(yùn)氣體米用氦氣。
步驟12.形成源、漏歐姆接觸，如圖31。(12. I)在整個(gè)碳化硅片正面涂光刻膠，然后通過顯影形成N+以及P+歐姆接觸區(qū)域，作為源接觸金屬區(qū)，整個(gè)碳化硅的背面作為漏接觸金屬區(qū)；(12. 2)對(duì)整個(gè)碳化硅片的正面和反面淀積300nm/100nm的Al/Ti合金，之后通過超聲波剝離使正面形成源接觸金屬層，背面形成漏接觸金屬層；(12. 3)在1150°C溫度下，氮?dú)鈿夥罩袑?duì)整個(gè)碳化硅片退火3分鐘，使源、漏接觸金屬層形成歐姆接觸。實(shí)施例2步驟一.在N+碳化硅襯底片上外延生長N_漂移層，如圖3a。
先對(duì)厚度為500 μ m,氮離子摻雜摻雜濃度為5X IO18CnT3N+型碳化娃襯底片進(jìn)行RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗，再在其正面上用低壓熱壁化學(xué)氣相淀積法外延生長厚度為20 μ m、氮離子摻雜濃度為5 X IO15CnT3的N_外延漂移層，其外延工藝條件是溫度為1600°C，壓力lOOmbar，反應(yīng)氣體是娃燒和丙燒，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮?dú)?。步驟二 .在N_漂移層上外延生長N+電流擴(kuò)展層，如圖3b。在N_外延層的表面外延生長厚度為O. 5 μ m，氮離子摻雜濃度為5 X IO17CnT3的N+電流擴(kuò)展層，其外延生長溫度為1600°C，壓力lOOmbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮?dú)?；步驟三.在電流擴(kuò)展層上外延生長N+柱區(qū)域，如圖3c。用低壓熱壁化學(xué)氣相淀積法外延生長厚度為20μπκ氮離子摻雜濃度為
IX IO16CnT3的N+外延層，外延生長溫度為1600°C，壓力lOOmbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮?dú)猓徊襟E四.采用ICP刻蝕工藝，對(duì)N+外延層的兩側(cè)進(jìn)行刻蝕，形成待外延的P+柱區(qū)，刻蝕深度為20 μ m;如圖3d。在刻蝕出的區(qū)域采用ICP刻蝕工藝，刻蝕形成深度為20 μ m的P+柱區(qū)，ICP刻蝕工藝條件為ICP線圈功率850W，源功率100W，反應(yīng)氣體SF6和O2分別為48sccm和12sccm。步驟五.選擇性外延生長P+柱區(qū)，如圖3e。在刻蝕出的區(qū)域用低壓熱壁化學(xué)氣相淀積法外延生長厚度為20 μ m、氮離子摻雜濃度為lX1016cm_3的P+外延層，其外延工藝條件是溫度為1600°C，壓力lOOmbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為三甲基鋁。步驟六，與實(shí)施例I的步驟6相同。步驟七，與實(shí)施例I的步驟7相同。步驟八，與實(shí)施例I的步驟8相同。步驟九，與實(shí)施例I的步驟9相同。步驟十，與實(shí)施例I的步驟10相同。步驟^^一，淀積形成磷離子重?fù)诫s的多晶硅柵極，如圖3k。用低壓熱壁化學(xué)汽相淀積法在整個(gè)碳化硅表面生長150nm的多晶硅，然后通過光亥IJ、刻蝕保留住柵氧化膜上的多晶硅作為柵極，淀積工藝條件是淀積溫度為700°C，淀積壓強(qiáng)為80Pa,反應(yīng)氣體米用娃燒和磷化氫,載運(yùn)氣體米用氦氣。步驟十二，與實(shí)施例I的步驟12相同。
實(shí)施例3步驟A.在N+碳化硅襯底片上外延生長N_漂移層，如圖3a。先對(duì)厚度為350 μ m,氮離子摻雜摻雜濃度為I X IO19CnT3N+型碳化娃襯底片進(jìn)行RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗，再在其正面上用低壓熱壁化學(xué)氣相淀積法外延生長厚度為10 μ m、氮離子摻雜濃度為8 X IO15CnT3的N_外延漂移層，其外延工藝條件是溫度為1600°C，壓力lOOmbar，反應(yīng)氣體是娃燒和丙燒，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮?dú)?。步驟B.在f漂移層上外延生長N+電流擴(kuò)展層，如圖3b。在f外延層的表面外延生長厚度為O. I μ m，氮離子摻雜濃度為3X IO17CnT3的N+電流擴(kuò)展層，其外延生長溫度為1600°C，壓力lOOmbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮?dú)?；步驟C.在電流擴(kuò)展層上外延生長N+柱區(qū)域，如圖3c。 用低壓熱壁化學(xué)氣相淀積法外延生長厚度為10 μ m、氮離子摻雜濃度為I X IO17的CnT3N+外延層，外延生長溫度為1600°C，壓力lOOmbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮?dú)?；步驟D.采用ICP刻蝕工藝，對(duì)N+外延層的兩側(cè)進(jìn)行刻蝕，形成待外延的P+柱區(qū)，刻蝕深度為10 μ m;如圖3d。在刻蝕出的區(qū)域采用ICP刻蝕工藝，刻蝕形成深度為10 μ m的P+柱區(qū)，ICP刻蝕工藝條件為ICP線圈功率850W，源功率100W，反應(yīng)氣體SF6和O2分別為48sccm和12sccm。步驟E.選擇性外延生長P+柱區(qū),如圖3e。在刻蝕出的區(qū)域用低壓熱壁化學(xué)氣相淀積法外延生長厚度為10 μ m、氮離子摻雜濃度為lX1017cm_3的P+柱區(qū)，其外延工藝條件是溫度為1600°C，壓力lOOmbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為三甲基鋁。步驟F,與實(shí)施例I的步驟6相同。步驟G，與實(shí)施例I的步驟7相同。步驟H,與實(shí)施例I的步驟8相同。步驟I，與實(shí)施例I的步驟9相同。步驟J，與實(shí)施例I的步驟10相同。步驟K.淀積形成磷離子重?fù)诫s的多晶硅柵極，如圖3k。用低壓熱壁化學(xué)汽相淀積法在整個(gè)碳化硅表面生長150nm的多晶硅，然后通過光亥IJ、刻蝕保留住柵氧化膜上的多晶硅作為柵極，淀積工藝條件是淀積溫度為650°C，淀積壓強(qiáng)為70Pa,反應(yīng)氣體米用娃燒和磷化氫,載運(yùn)氣體米用氦氣。步驟L，與實(shí)施例I的步驟12相同。
權(quán)利要求
1.一種基于半超結(jié)的碳化娃金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管MOSFET,包括源極(I)、柵極(2)、SiO2氧化物介質(zhì)(3)、N+源區(qū)(4)、P+歐姆接觸區(qū)(5)、P阱(6)、JFET區(qū)域(7)、N_外延層(11)、N+襯底(12)和漏極(13)，其特征在于 N-外延層(11)上方設(shè)有電流擴(kuò)展層(10)，電流擴(kuò)展層(10)上方的兩側(cè)且在P阱(6)的正下方設(shè)有P+柱區(qū)(8)，兩個(gè)P+柱區(qū)(8)橫向?qū)挾认嗟龋? JFET區(qū)域(7)的下方設(shè)有N+柱區(qū)(9)，該N+柱區(qū)(9)位于兩個(gè)P+柱區(qū)(8)之間，其寬度為兩個(gè)P+柱區(qū)(8)的寬度之和； 所述P+柱區(qū)(8)和N+柱區(qū)(9)的摻雜濃度相等，均為摻雜濃度為I X IO16 3 X IO17CnT3的高摻雜區(qū)域； 所述電流擴(kuò)展層(10)為摻雜濃度為I X IO17飛X IO17CnT3的N型高摻雜區(qū)域，以拓寬電流縱向流動(dòng)時(shí)的通路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于半超結(jié)的碳化硅MOSFET器件，其特征在于P+柱區(qū)(8)和N+柱區(qū)(9)的厚度相等，均為5 20 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于半超結(jié)的碳化硅MOSFET器件，其特征在于電流擴(kuò)展層(10)的厚度為O. 05 O. 5 μ m。
4.一種基于半超結(jié)的碳化硅MOSFET器件制作方法，包括如下步驟 (1)在N+碳化硅襯底的正面上外延生長厚度為5 20μ m，氮離子摻雜濃度為5X IO15 I X IO16CnT3 的 N-外延層； (2)在N_外延層的表面外延生長厚度為O.05、. 5 μ m，氮離子摻雜濃度為I X IO17^XIOiW的N.電流擴(kuò)展層； (3)在N+電流擴(kuò)展層上外延生長厚度為5 20μ m，氮離子摻雜濃度為I X IO16 3 X IO17CnT3 的 N+ 外延層； (4)采用ICP刻蝕工藝，對(duì)N+外延層的兩側(cè)進(jìn)行刻蝕，形成待外延的P+柱區(qū)，刻蝕深度為5 20 μ m ； (5)在刻蝕出的區(qū)域上外延生長厚度為5 20μ m，鋁離子摻雜濃度為I X IO16 3 X IO17CnT3的外延層形成P+柱區(qū)； (6)在整個(gè)碳化硅的正面外延生長形成厚度為O.5 μ m，鋁離子摻雜濃度為5 X IO15CnT3的P阱外延層； (7)在P阱外延層的中間區(qū)域離子注入深度為O.5 μ m，摻雜濃度為lX1017cm_3的氮離子形成JFET區(qū)； (8)在P+柱區(qū)的邊緣區(qū)域離子注入深度為O.5 μ m，摻雜濃度為lX1019cm_3的鋁離子形成P+歐姆接觸區(qū)； (9)在P阱中靠近P+歐姆接觸區(qū)離子注入深度為O.25 μ m,摻雜濃度為I X IO19CnT3的氮離子，形成N+源區(qū)； (10)在整個(gè)碳化硅表面采用干氧氧化和濕氧氧化結(jié)合的工藝進(jìn)行氧化，形成50nm的柵氧化層； (11)在整個(gè)碳化硅表面用低壓熱壁化學(xué)汽相淀積法淀積厚度為150nm的多晶硅作為柵極，其淀積溫度為60(T70(TC，壓強(qiáng)為6(T80Pa，反應(yīng)氣體為硅烷和磷化氫，載運(yùn)氣體為氦氣;(12)在P+歐姆接觸區(qū)、N+源區(qū)以及整個(gè)碳化硅背面淀積厚度為300nm/100nm的Al/Ti合金，作為源極和漏極的接觸金屬層，然后在1100±50°C溫度下，氮?dú)鈿夥罩袑?duì)整個(gè)碳化硅退火3分鐘形成歐姆接觸電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于半超結(jié)的碳化硅MOSFET器件的制作方法，其中步驟(I)、(2)、(3)均采用化學(xué)氣相淀積CVD方法，其工藝條件為外延生長溫度為1600°C，壓力為IOOmbar,反應(yīng)氣體是娃燒和丙燒,載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為液態(tài)氮?dú)狻?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于半超結(jié)的碳化硅MOSFET器件的制作方法，其中步驟(5)、(6)均采用化學(xué)氣相淀積CVD方法，其工藝條件為外延生長溫度為1600°C，壓力為lOOmbar，反應(yīng)氣體是硅烷和丙烷，載運(yùn)氣體為純氫氣，雜質(zhì)源為三甲基鋁。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于半超結(jié)的碳化硅MOSFET器件的制作方法，其中步驟(4)所涉及的ICP刻蝕工藝條件為ICP線圈功率850W，源功率100W，反應(yīng)氣體SF6和O2分別為48sccm 和 12sccm。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于半超結(jié)的碳化硅MOSFET器件的制作方法，其中步驟(8)所涉及的離子注入工藝條件為注入溫度650°C，離子激活退火溫度1750°C，退火時(shí)間IOmin0
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于半超結(jié)的碳化硅MOSFET器件的制作方法，其中步驟(9)所涉及的離子注入工藝條件為注入溫度500°C，離子激活退火溫度1750°C，退火時(shí)間IOmin0
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于半超結(jié)的碳化硅MOSFET器件的制作方法，其中步驟(10)所涉及的氧化工藝條件為干氧氧化溫度1200°C,濕氧氧化溫度950°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于超結(jié)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)漂移區(qū)相結(jié)合的半超結(jié)結(jié)構(gòu)的碳化硅MOSFET，主要解決現(xiàn)有碳化硅MOSFET在高擊穿電壓時(shí)導(dǎo)通電阻高的問題。它包括源極(1)、柵極(2)、SiO2氧化物介質(zhì)(3)、N+源區(qū)(4)、P+接觸區(qū)(5)、P阱(6)、JFET區(qū)域(7)、N-外延層(11)、N+襯底(12)和漏極(13)，其中N-外延層(11)上方設(shè)有電流擴(kuò)展層(10)，電流擴(kuò)展層(10)上方的兩側(cè)且在P阱(6)的正下方設(shè)有摻雜濃度為1×1016~3×1017cm-3的P+柱區(qū)(8)，兩個(gè)P+柱區(qū)(8)橫向?qū)挾认嗟?，JFET區(qū)域(7)的下方設(shè)有與P+柱區(qū)摻雜濃度相等、寬度為兩個(gè)P+柱區(qū)寬度之和的N+柱區(qū)(9)。本發(fā)明器件具有導(dǎo)通電阻低的優(yōu)點(diǎn)，可用于大功率電氣設(shè)備、太陽能發(fā)電模塊以及混合燃料電動(dòng)車。
文檔編號(hào)H01L29/78GK102832248SQ20121033275
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者湯曉燕, 宋慶文, 李華超, 張玉明, 張義門 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)