碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)及其制造方法，器件包括器件元胞和器件終端；器件終端包括P型結(jié)終端拓展區(qū)，P型結(jié)終端拓展區(qū)之中有N+注入環(huán)和刻蝕溝槽，刻蝕溝槽和N+注入環(huán)相連，刻蝕溝槽位于N+注入環(huán)的外側(cè)，刻蝕溝槽內(nèi)部填充氧化層，相鄰的N+注入環(huán)被刻蝕溝槽和P型結(jié)終端拓展區(qū)分隔，相鄰的刻蝕溝槽被P型結(jié)終端拓展區(qū)和N+注入環(huán)分隔，P型結(jié)終端拓展區(qū)和N+注入環(huán)的上表面覆蓋氧化層，本發(fā)明使電場分布趨于平緩，使終端區(qū)的耗盡層充分拓展，提高終端耐壓能力，降低器件擊穿電壓對JTE區(qū)濃度的敏感程度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)能有效降低器件表面的局部電場，同時(shí)降低器件表面的碰撞電離率，降低了表面漏電，提高了器件表面的可靠性。
【專利說明】
碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域。尤其是一種碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展與人們生活水平的提高，人們對半導(dǎo)體功率器件在其體積，可靠性，耐壓，功耗等方面不斷提出更高的要求。傳統(tǒng)硅器件受限制于材料本身的特性，越來越接近其理論極限。在此背景之下，人們開始探索硅材料之外的新材料，碳化硅技術(shù)就誕生了。碳化硅具有一系列傳統(tǒng)硅材料所不具備的優(yōu)勢，如更高的擊穿電場，更高的熱導(dǎo)率，更大的禁帶寬度，使得碳化硅更適合用于高壓功率應(yīng)用。
[0003]碳化硅結(jié)勢皇控制肖特基二極管(JBS)是一種正偏時(shí)利用肖特基結(jié)導(dǎo)通，反偏時(shí)利用PN結(jié)反向阻斷承受電壓的復(fù)合器件。其特點(diǎn)是反偏時(shí)PN結(jié)的空間電荷區(qū)為肖特基二極管承受較高反偏電壓，而正偏時(shí)使其適當(dāng)降低肖特基勢皇以保持較低正向壓降。該復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要保證相鄰PN結(jié)的空間電荷區(qū)在反偏壓下能夠很快接通，在陰極和陽極之間形成比肖特基勢皇更高更寬的PN結(jié)勢皇以屏蔽肖特基接觸，使器件耐壓提高，器件漏電更小。并且，肖特基結(jié)正向偏置時(shí)，PN結(jié)也進(jìn)入正偏狀態(tài)，但肖特基二極管的開啟電壓比PN結(jié)低，正向電流將通過肖特基勢皇接觸導(dǎo)通，因而正向壓降較低。
[0004]結(jié)終端拓展(JTE)是功率器件中常用的一項(xiàng)終端技術(shù)。一般的功率器件，其高場區(qū)往往是在其主結(jié)邊緣處。而結(jié)終端拓展結(jié)構(gòu)是通過在主結(jié)邊緣處引入電荷，使得主結(jié)邊緣處的電場降低，并使電場分布向終端拓展，電場分布更加平緩，耗盡區(qū)向終端進(jìn)一步拓展，從而達(dá)到提高器件耐壓的目的。本發(fā)明通過進(jìn)一步控制結(jié)終端拓展區(qū)引入的電荷濃度，使得靠近主結(jié)的部分濃度較高，遠(yuǎn)離主結(jié)的部分濃度較低，即所謂的橫向變摻雜技術(shù)，可以使電場分布進(jìn)一步平緩，進(jìn)一步提高終端的耐壓能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)及其制造方法。具有該結(jié)構(gòu)的器件可以使高場區(qū)域的電場分布更加均勻，有效地提高了器件的方向擊穿電壓，同時(shí)此結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝兼容。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0007]—種碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)，包括器件元胞和器件終端；
[0008]器件元胞是傳統(tǒng)的結(jié)勢皇控制肖特基結(jié)構(gòu)，即在N-漂移區(qū)上有若干相間的重?fù)诫sP型體區(qū)與陽極金屬相連；
[0009]所述器件終端位于N型重?fù)诫s襯底之上的N-漂移區(qū)中，包括P型結(jié)終端拓展區(qū)，P型結(jié)終端拓展區(qū)之中有若干N型離子注入形成的N+注入環(huán)和刻蝕溝槽，刻蝕溝槽和N+注入環(huán)相連，刻蝕溝槽位于N+注入環(huán)的外側(cè)，刻蝕溝槽內(nèi)部填充氧化層，相鄰的N+注入環(huán)被刻蝕溝槽和P型結(jié)終端拓展區(qū)分隔，相鄰的刻蝕溝槽被P型結(jié)終端拓展區(qū)和N+注入環(huán)分隔，P型結(jié)終端拓展區(qū)和N+注入環(huán)的上表面覆蓋氧化層，氧化層一直延伸到N+截止環(huán)。
[0010]作為優(yōu)選方式，所述的P型結(jié)終端拓展區(qū)由離子注入形成。
[0011 ] 作為優(yōu)選方式，所述器件元胞為碳化硅JBS器件元胞、或碳化硅MOSFET器件元胞、或碳化娃IGBT器件元胞或碳化娃PiN器件元胞。
[0012]作為優(yōu)選方式，所述N+注入環(huán)由離子注入一次形成，且注入深度小于P型結(jié)終端拓展區(qū)的深度。
[0013]作為優(yōu)選方式，所述刻蝕溝槽的形狀為矩形、梯形或U形中的一種。
[0014]作為優(yōu)選方式，最外的N+注入環(huán)部分或者全部包含于P型結(jié)終端拓展區(qū)內(nèi)。
[0015]作為優(yōu)選方式，所述刻蝕溝槽由干法刻蝕一次形成，刻蝕深度統(tǒng)一。
[0016]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供一種上述碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)的制造方法，包括如下步驟:
[0017](I)清洗碳化硅片；
[0018](2)在碳化硅片上淀積S12并刻蝕P+區(qū)及JTE區(qū)開孔；
[0019](3)向碳化硅片進(jìn)行P型離子注入，在此同時(shí)形成重?fù)诫sP型體區(qū)及JTE區(qū)；
[0020](4)在碳化硅片上淀積S12并刻蝕N+環(huán)及截止環(huán)開孔；
[0021](5)向碳化硅片進(jìn)行N型離子注入，在此同時(shí)形成N+注入環(huán)及N+截止環(huán)；
[0022](6)在碳化硅片上淀積S12并刻蝕出溝槽開孔；
[0023](7)在碳化硅片上刻蝕出溝槽；
[0024](8)在碳化硅片上淀積S12并刻蝕接觸開孔；
[0025](9)在碳化硅片上蒸發(fā)金屬并退火依次形成背面歐姆接觸和正面肖特基接觸。
[0026]下面以碳化硅結(jié)勢皇控制肖特基二極管(JBS)為例，說明本發(fā)明的工作原理:
[0027]當(dāng)陰極接地，陽極接高壓且大于導(dǎo)通電壓時(shí)，JBS正向?qū)?。此時(shí)只有元胞區(qū)工作終端區(qū)不工作。由于肖特基結(jié)的開啟電壓比PN結(jié)低，正向電流將通過肖特基勢皇接觸經(jīng)由P體區(qū)之間的N型外延通道導(dǎo)通，因而正向壓降較低。
[0028]當(dāng)陽極接地，陰極接高壓且未達(dá)到擊穿電壓時(shí)，器件處于反向阻斷狀態(tài)由元胞區(qū)的PN結(jié)和終端區(qū)的結(jié)終端拓展結(jié)構(gòu)承受耐壓。圖2為器件終端耗盡區(qū)示意圖，其中I為N-漂移區(qū)，2為重?fù)诫sP型體區(qū)，3為P型結(jié)終端拓展區(qū)，4為N+注入環(huán)，5為刻蝕溝槽，6為氧化層，7為N+截止環(huán)，11為耗盡區(qū)邊界。常規(guī)JTE結(jié)構(gòu)終端能在一定程度上降低主結(jié)末端的高場集中現(xiàn)象，形成兩個(gè)電場尖峰，但是之間的電場強(qiáng)度很低，說明耗盡區(qū)沒有充分得到拓展。圖5是本發(fā)明的終端結(jié)構(gòu)的電場分布示意圖，經(jīng)過N型離子注入和刻蝕槽調(diào)制的JTE區(qū)的電場被抬高，出現(xiàn)多個(gè)電場尖峰，耗盡區(qū)進(jìn)一步拓展，耐壓也進(jìn)一步提升。
[0029]本發(fā)明的有益效果為:傳統(tǒng)的JTE結(jié)構(gòu)對JTE區(qū)的濃度十分敏感，JTE區(qū)濃度過高，高場集中在JTE邊緣，擊穿電壓降低;JTE區(qū)濃度過低，JTE區(qū)對主結(jié)的影響較小，高場集中在主結(jié)邊緣，擊穿電壓降低。本發(fā)明通過在P型結(jié)終端拓展區(qū)注入N型離子和刻蝕溝槽以達(dá)到對結(jié)終端拓展區(qū)的電荷調(diào)制，使電場分布趨于平緩，降低電場集中現(xiàn)象，使終端區(qū)的耗盡層充分拓展，提高終端耐壓能力，降低器件擊穿電壓對JTE區(qū)濃度的敏感程度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)能有效降低器件表面的局部電場，同時(shí)降低器件表面的碰撞電離率，降低了表面漏電，提高了器件表面的可靠性。本發(fā)明在改善器件反向特性的同時(shí)對器件的正向特性幾乎沒有影響。本發(fā)明結(jié)構(gòu)采用常規(guī)碳化硅工藝，可由現(xiàn)有的碳化硅二極管制造工藝實(shí)現(xiàn)，無特殊工藝，不會(huì)增加工藝的難度。與傳統(tǒng)的場限環(huán)結(jié)構(gòu)和單區(qū)JTE結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明可以有效縮短終端長度，節(jié)省芯片面積。
【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明提供的碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖
[0031]圖2是本發(fā)明終端結(jié)構(gòu)在反向阻斷時(shí)的耗盡區(qū)示意圖。
[0032]圖3是傳統(tǒng)JTE結(jié)構(gòu)終端示意圖。
[0033]圖4是傳統(tǒng)JTE結(jié)構(gòu)終端，與本發(fā)明終端結(jié)構(gòu)的擊穿電壓仿真結(jié)果對比圖。
[0034]圖5是本發(fā)明終端結(jié)構(gòu)水平方向的表面一維電場分布仿真結(jié)果，橫坐標(biāo)為終端水平方向的長度，縱坐標(biāo)為電場強(qiáng)度。
[0035]圖6是本發(fā)明提供的一種終端結(jié)構(gòu)，其中終端上的N+注入環(huán)的間距s相同。
[0036]圖7是本發(fā)明提供的一種終端結(jié)構(gòu)，其中終端上的N+注入環(huán)的寬度w相同。
[0037]圖8?圖16是以碳化硅JBS為例的本發(fā)明結(jié)構(gòu)的一種制造方法。
[0038]圖中I為N-漂移區(qū)，2為重?fù)诫sP型體區(qū)，3為P型結(jié)終端拓展區(qū)，4為N+注入環(huán)，5為刻蝕溝槽，6為氧化層，7為N+截止環(huán)，8為N型重?fù)诫s襯底，9為陰極，10為陽極金屬，11為耗盡區(qū)邊界。
【具體實(shí)施方式】
[0039]以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0040]一種碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)，包括器件元胞和器件終端；
[0041]器件元胞是傳統(tǒng)的結(jié)勢皇控制肖特基結(jié)構(gòu)，即在N-漂移區(qū)I上有若干相間的重?fù)诫sP型體區(qū)2與陽極金屬10相連；
[0042]所述器件終端位于N型重?fù)诫s襯底8之上的N-漂移區(qū)I中，包括P型結(jié)終端拓展區(qū)3，所述的P型結(jié)終端拓展區(qū)3由離子注入形成。P型結(jié)終端拓展區(qū)3之中有若干N型離子注入形成的N+注入環(huán)4和刻蝕溝槽5，刻蝕溝槽5和N+注入環(huán)4相連，刻蝕溝槽5位于N+注入環(huán)4的外側(cè)，刻蝕溝槽5內(nèi)部填充氧化層6，相鄰的N+注入環(huán)4被刻蝕溝槽5和P型結(jié)終端拓展區(qū)3分隔，相鄰的刻蝕溝槽5被P型結(jié)終端拓展區(qū)3和N+注入環(huán)4分隔，P型結(jié)終端拓展區(qū)3和N+注入環(huán)4的上表面覆蓋氧化層6，氧化層6—直延伸到N+截止環(huán)7。
[0043]器件終端是在結(jié)終端拓展結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過注入N型離子和刻蝕溝槽，實(shí)現(xiàn)電荷量的調(diào)制從而提高器件耐壓的，這種結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化高場區(qū)的電場強(qiáng)度分布，從而有效地改善器件反向特性，并提高器件可靠性。
[0044]所述N+注入環(huán)4由離子注入一次形成，且注入深度小于P型結(jié)終端拓展區(qū)3的深度。所述N+注入環(huán)4和刻蝕溝槽5的個(gè)數(shù)為6個(gè)。所述刻蝕溝槽5的形狀為矩形、梯形或U形中的一種。最外的N+注入環(huán)4部分或者全部包含于P型結(jié)終端拓展區(qū)3內(nèi)。所述刻蝕溝槽5由干法刻蝕一次形成，刻蝕深度統(tǒng)一。所述氧化層6厚度為Ιμπι，長度從主結(jié)末開始一直延伸到截止環(huán)。
[0045]如圖8-圖16所示，本實(shí)施例還提供一種上述碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)的制造方法，包括如下步驟:
[0046](I)清洗碳化硅片；
[0047](2)在碳化硅片上淀積S12并刻蝕P+區(qū)及JTE區(qū)開孔；
[0048](3)向碳化硅片進(jìn)行P型離子注入，在此同時(shí)形成重?fù)诫sP型體區(qū)及JTE區(qū)；
[0049](4)在碳化硅片上淀積S12并刻蝕N+環(huán)及截止環(huán)開孔；
[0050](5)向碳化硅片進(jìn)行N型離子注入，在此同時(shí)形成N+注入環(huán)及N+截止環(huán)；
[0051](6)在碳化硅片上淀積S12并刻蝕出溝槽開孔；
[0052](7)在碳化硅片上刻蝕出溝槽；
[0053](8)在碳化硅片上淀積S12并刻蝕接觸開孔；
[0054](9)在碳化硅片上蒸發(fā)金屬并退火依次形成背面歐姆接觸和正面肖特基接觸。
[0055]下面以碳化硅結(jié)勢皇控制肖特基二極管(JBS)為例，說明本發(fā)明的工作原理:
[0056]當(dāng)陰極9接地，陽極接高壓且大于導(dǎo)通電壓時(shí)，JBS正向?qū)?。此時(shí)只有元胞區(qū)工作終端區(qū)不工作。由于肖特基結(jié)的開啟電壓比PN結(jié)低，正向電流將通過肖特基勢皇接觸經(jīng)由P體區(qū)之間的N型外延通道導(dǎo)通，因而正向壓降較低。
[0057]當(dāng)陽極接地，陰極9接高壓且未達(dá)到擊穿電壓時(shí)，器件處于反向阻斷狀態(tài)由元胞區(qū)的PN結(jié)和終端區(qū)的結(jié)終端拓展結(jié)構(gòu)承受耐壓。圖2為器件終端耗盡區(qū)示意圖，其中I為N-漂移區(qū)，2為重?fù)诫sP型體區(qū)，3為P型結(jié)終端拓展區(qū)，4為N+注入環(huán)，5為刻蝕溝槽，6為氧化層，7為N+截止環(huán)，11為耗盡區(qū)邊界。常規(guī)JTE結(jié)構(gòu)終端能在一定程度上降低主結(jié)末端的高場集中現(xiàn)象，形成兩個(gè)電場尖峰，但是之間的電場強(qiáng)度很低，說明耗盡區(qū)沒有充分得到拓展。圖5是本發(fā)明的終端結(jié)構(gòu)的電場分布示意圖，經(jīng)過N型離子注入和刻蝕槽調(diào)制的JTE區(qū)的電場被抬高，出現(xiàn)多個(gè)電場尖峰，耗盡區(qū)進(jìn)一步拓展，耐壓也進(jìn)一步提升。
[0058]在具體實(shí)施過程中，可以根據(jù)具體情況，在基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，進(jìn)行一定的變通設(shè)計(jì)。如終端JTE區(qū)的濃度可以和主結(jié)不同，終端JTE區(qū)可以同主結(jié)相連或不相連，終端區(qū)N+環(huán)的間距相同或不相同，刻蝕槽的間距相同或不相同，如圖6所示即為N+注入環(huán)間距相同的終端結(jié)構(gòu)示意圖。終端區(qū)N+注入環(huán)的寬度相同或不相同，如7圖所示即為N+注入環(huán)寬度相同的結(jié)構(gòu)示意圖。在工藝實(shí)施上，基于現(xiàn)有工藝，P型JTE區(qū)可采取與主結(jié)同時(shí)離子注入形成，也可在主結(jié)形成后單獨(dú)注入形成。終端區(qū)N+環(huán)采用離子注入可精確控制注入的劑量和能量以實(shí)現(xiàn)電場分布的優(yōu)化。終端區(qū)刻蝕槽可采用干法刻蝕形成。
[0059]本發(fā)明可適用但不局限于碳化硅JBS器件，如碳化硅MOSFET器件，碳化硅IGBT器件，碳化硅PiN器件等功率器件均可采用本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)作為終端。
[0060]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括器件元胞和器件終端； 器件元胞是傳統(tǒng)的結(jié)勢皇控制肖特基結(jié)構(gòu)，即在N-漂移區(qū)(I)上有若干相間的重?fù)诫sP型體區(qū)(2)與陽極金屬(10)相連； 所述器件終端位于N型重?fù)诫s襯底(8)之上的N-漂移區(qū)(I)中，包括P型結(jié)終端拓展區(qū)(3)，P型結(jié)終端拓展區(qū)(3)之中有若干N型離子注入形成的N+注入環(huán)(4)和刻蝕溝槽(5)，刻蝕溝槽(5)和N+注入環(huán)(4)相連，刻蝕溝槽(5)位于N+注入環(huán)(4)的外側(cè)，刻蝕溝槽(5)內(nèi)部填充氧化層(6)，相鄰的N+注入環(huán)(4)被刻蝕溝槽(5)和P型結(jié)終端拓展區(qū)(3)分隔，相鄰的刻蝕溝槽(5)被P型結(jié)終端拓展區(qū)(3)和N+注入環(huán)(4)分隔，P型結(jié)終端拓展區(qū)(3)和N+注入環(huán)(4)的上表面覆蓋氧化層(6)，氧化層(6)—直延伸到N+截止環(huán)(7)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的P型結(jié)終端拓展區(qū)(3)由離子注入形成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述器件元胞為碳化娃JBS器件元胞、或碳化娃MOSFET器件元胞、或碳化娃IGBT器件元胞或碳化娃PiN器件元胞。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述N+注入環(huán)(4)由離子注入一次形成，且注入深度小于P型結(jié)終端拓展區(qū)(3)的深度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述刻蝕溝槽(5)的形狀為矩形、梯形或U形中的一種。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)，其特征在于:最外的N+注入環(huán)(4)部分或者全部包含于P型結(jié)終端拓展區(qū)(3)內(nèi)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述刻蝕溝槽(5)由干法刻蝕一次形成，刻蝕深度統(tǒng)一。8.權(quán)利要求1至7任意一項(xiàng)所述的碳化硅功率器件終端結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于包括如下步驟: (1)清洗碳化硅片； (2)在碳化硅片上淀積S12并刻蝕P+區(qū)及JTE區(qū)開孔； (3)向碳化硅片進(jìn)行P型離子注入，在此同時(shí)形成重?fù)诫sP型體區(qū)及JTE區(qū)； (4)在碳化硅片上淀積S12并刻蝕N+環(huán)及截止環(huán)開孔； (5)向碳化硅片進(jìn)行N型離子注入，在此同時(shí)形成N+注入環(huán)及N+截止環(huán)； (6)在碳化硅片上淀積S12并刻蝕出溝槽開孔； (7)在碳化硅片上刻蝕出溝槽； (8)在碳化娃片上淀積Si O2并刻蝕接觸開孔； (9)在碳化硅片上蒸發(fā)金屬并退火依次形成背面歐姆接觸和正面肖特基接觸。
【文檔編號】H01L29/872GK105977310SQ201610599784
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月27日
【發(fā)明人】鄧小川, 柏思宇, 宋凌云, 陳茜茜, 張波
【申請人】電子科技大學(xué)