本發(fā)明涉及一種碳化硅器件的終端結(jié)構(gòu)，更具體地說是涉及一種不會隨溫度大幅改變而大為降低擊穿電壓的碳化硅半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

使用硅器件的傳統(tǒng)集成電路大都只能工作在250℃以下，不能滿足高溫、高功率及高頻等要求。當(dāng)中，新型半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)最受人注目和研究。

碳化硅半導(dǎo)體材料具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場等突出優(yōu)點，特別適合制作大功率、高壓、高溫、抗輻照電子器件。

碳化硅禁帶寬度寬(210eV≤E_g≤710eV)，漏電流比硅小幾個數(shù)量級。而且，碳化硅熱穩(wěn)定性極好，本征溫度可達800℃以上，它保證了在高溫工作時的長期可靠性。通過分析優(yōu)值，如Johnson優(yōu)值(JFOM-通過材料的擊穿電場、飽和電子漂移速度來反映相應(yīng)器件的高功率、高頻率性能)、Keyes優(yōu)值(KFOM-通過材料的熱導(dǎo)率、飽和電子漂移速度及介電常數(shù)反映相應(yīng)器件的開關(guān)速度和熱限制)及熱優(yōu)值(QFOM-通過材料的擊穿電場、擊穿電場及熱導(dǎo)率反映相應(yīng)器件的散熱性能)，會發(fā)現(xiàn)碳化硅SiC這幾個優(yōu)值都比現(xiàn)在常用的半導(dǎo)體材料高出很多，是實現(xiàn)結(jié)合高溫與高頻高功率的一種理想材料。

碳化硅擊穿電場較高，是硅材料的8倍，這對功率器件甚為關(guān)鍵。導(dǎo)通電阻是與擊穿電場的立方成反比，所以碳化硅SiC功率器件的導(dǎo)通電阻只有硅器件 的百至二百分之一，顯著降低電子設(shè)備的能耗。因此，碳化硅SiC功率器件也被譽為帶動“新能源革命”的“綠色能源”器件。用碳化硅SiC所制造出來的功率器件具有低比導(dǎo)通電阻，高工作頻率和高溫工作穩(wěn)定性的優(yōu)點，擁有很廣闊的應(yīng)用前景。

隨著6H、4H-SiC體材料的相繼商品化，碳化硅SiC器件工藝，如氧化、摻雜、刻蝕及金屬、半導(dǎo)體接觸，都日漸成熟，這些為碳化硅SiC器件的研制及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

用碳化硅SiC所制造出來的縱向功率器件一般可以承受高的反偏置電壓和大的正向?qū)娏?，不同的功率器件有不同的?guī)格，其所能承受的反偏置電壓和正向電流是不同的?？v向功率器件在區(qū)域結(jié)構(gòu)上可分為有源區(qū)和終端區(qū)，終端區(qū)一般是在外圍緊接著有源區(qū)的邊緣。有源區(qū)中有PN結(jié)，PN結(jié)終止於有源區(qū)的周邊，一般情況下，PN結(jié)的終止會引起PN結(jié)的彎曲，在反偏時，這局部的電場相對有源區(qū)內(nèi)較為平行平面的PN結(jié)的電場為高，從而會出現(xiàn)提前擊穿的現(xiàn)象。為了減少這局部電場，在有源區(qū)的周邊會放置終端區(qū)，用來提高有源區(qū)周邊的局部擊穿電壓，尤其是周邊表面擊穿電壓，使有源區(qū)外的，即終端區(qū)的擊穿電壓接近有源區(qū)內(nèi)平行平面的擊穿電壓，最終是使得整個器件的實際擊穿電壓不因為有源區(qū)的邊緣的PN結(jié)的終止的曲彎而大為降低。從器件物理來說，縱向功率器件的終端部份最常用的結(jié)構(gòu)有場板，場限環(huán)，結(jié)終端廷伸(JTE)，橫向變摻雜(VLD)，Resurf等，也有是用其中的組合所構(gòu)成的如場板加場限環(huán)。這里要討論的是與結(jié)終端延伸(JTE)所形成的有關(guān)結(jié)構(gòu)，結(jié)終端結(jié)構(gòu)與Resurf結(jié)構(gòu)的器件物理是基本上一樣的。Resurf結(jié)構(gòu)是J.Appels在1979年提出來的，這結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1中的區(qū)域3代表有源區(qū)P型摻雜區(qū)，區(qū)域3與區(qū)域4的 交界處是有源區(qū)的邊界，區(qū)域4至芯片的邊緣是終端區(qū)，Appels指出，若區(qū)域4是一等濃度摻雜區(qū)，若果這區(qū)的摻雜濃度過高或過低，在終端區(qū)表面的擊穿電壓都會偏低。如圖2所示的表面電場強度隨位置的變化，圖中所示若濃度過高則在位置b處的電場比別處的高出許多，位置b會先擊穿，若摻雜過低，則會在位置a先擊穿，若果摻雜濃度為1e12cm-2，則在反向偏置時，位a與位b的電場強度會大致同時到達場強的極限而擊穿，如圖3所示，這時的擊穿電壓是這結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化最大的擊穿電壓，終端區(qū)的擊穿與每一位置的累積摻雜劑量是有關(guān)的，與摻雜的深淺分布無關(guān)。后來研究發(fā)現(xiàn)，若果區(qū)域4的摻雜是線性橫向變的會比恒定摻雜的更優(yōu)化，(Institute of Physics，Semicond.Sci.Technol.17(2002)721-728)，圖4是線性橫向變摻雜的示意圖，圖4中的區(qū)域5是代表摻雜濃度均勻的區(qū)域，區(qū)域5的面積與摻雜濃度成正比，區(qū)域5的摻雜濃度與區(qū)域3的濃度是不一樣的，一般來說區(qū)域3的濃度比區(qū)域5的大得多。終端區(qū)的擊穿與每一位置的累積摻雜劑量是有關(guān)的，卻與摻雜的深淺分布無關(guān)。若果區(qū)域5的摻雜是優(yōu)化了的線性橫向變濃度，在擊穿發(fā)生時的電場隨位置分佈會如圖5所示，圖5的電場曲線所包圍的面積比圖3的大，所以其擊穿的電壓在佔有相同面積下會提供更大的擊穿電壓，在工藝制作上，要制作出線性橫向變摻雜(如圖5所示)是很困難的，一般實施方法是通過在漸變的掩膜窗口上作離子注入然后激活，如圖6所示，原來的終端區(qū)域5的具有線性橫向變摻雜區(qū)變成多個分立的摻雜區(qū)，分立摻雜區(qū)之間的距離，即佔空比，隨著低摻雜的區(qū)域而增大，圖6的分立摻雜區(qū)的濃度的橫向積分面積(代表累積的摻雜劑量)應(yīng)該與原來連續(xù)圖5的線性橫變摻雜區(qū)的橫向積分面積相當(dāng)，圖6是把區(qū)域5分割為6小等份來計算占空的，若分割成愈多小區(qū)來計算占空比，則所得 的橫向積分面積更接近原來線性橫變摻雜區(qū)的橫向積分面積。一般稱圖6的終端結(jié)構(gòu)為多環(huán)-結(jié)終端延伸(MFZ-JTE)。圖6的終端結(jié)構(gòu)中的分立摻雜區(qū)的濃度與間距一旦選定了優(yōu)化值，則得到的擊穿電壓是優(yōu)化的，若果摻雜的濃度改變了，則擊穿電壓便會降低，隨偏離優(yōu)化值愈遠而下降得愈大。對於碳化硅來說，注入的P型摻雜離子鋁的有效離子化(即能激活的百分比)隨溫度而變的，如圖7所示，例如摻雜濃度為1e17cm-2的鋁原子在室溫時，離子化(ionized dopant fraction)只有0.2，在200℃時約為0.6，相差為4倍之多。即是P型鋁摻雜濃度(激活了的濃度)對同一的注入?yún)^(qū)來說，在200℃時的實際有效濃度是室溫時的4倍之多，這對Resurf，或是VLD，或是多分立區(qū)-結(jié)終端延伸(MFZ-JTE)來說都是致命的，即是當(dāng)這種結(jié)構(gòu)的終端區(qū)的摻雜可能在某一溫度是優(yōu)化的，當(dāng)溫度作大幅改變了，如從室溫升至200℃，實際有效濃度變成室溫時的約4倍之多，摻雜濃度便大大遠離原先的優(yōu)化值，這會使擊穿電壓大為降低，如果不解決這問題，基於Resurf或VLD，或JTE，或MFZ-JTE等都不適用於作為碳化硅的終端結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所揭示的終端結(jié)構(gòu)可以避免以上的缺點，能使終端的擊穿電壓不會隨溫度大幅改變而大為降低，也不會因為表面態(tài)電荷，層間介質(zhì)電荷或鈍化層電荷的變化而大為降低。

本發(fā)明所用的基本器件物理原理是Resurf，進一步優(yōu)化為橫向摻雜濃度缐性漸變的Resurf，工藝制作用漸變開孔注入離子來實現(xiàn)。本發(fā)明的核心思想是在設(shè)計時便安排好終端結(jié)構(gòu)中某一部分是在高溫時負(fù)責(zé)承受反向偏置的電壓， 某一部份是在低溫時起作用，在溫度變化過程中，終端結(jié)構(gòu)內(nèi)怎樣會自動地有相應(yīng)的部份來承受反向電壓，設(shè)計本發(fā)明的終端結(jié)構(gòu)的要點與主要步驟如下：

(1).訂好器件要工作的溫度范圍，這里以低溫為室溫25℃，高溫為200℃為例，實際上低溫值和高溫值(即終端的低摻雜濃度分布與高摻雜濃度分布)可以隨意選擇。

(2).先設(shè)計好在低溫時的終端結(jié)構(gòu)，如在25℃時的結(jié)構(gòu)，其中需要調(diào)校的參數(shù)可能包括有摻雜濃度(即注入劑量在25℃時經(jīng)離化后的實際有效濃度)，不同摻雜區(qū)的寬度，摻雜區(qū)之間的間距，終端摻雜區(qū)的總長度，摻雜區(qū)下的外延層厚度和濃度等等，假如在25℃時的最優(yōu)化摻雜濃度分布為圖8中的線25。

(3).用之前設(shè)計好的低溫終端結(jié)構(gòu)(即濃度分布)來設(shè)計高溫終端的濃度分布，假設(shè)外延的濃度不變(實際上會增加了20％，這影響不大，在這里忽略)，其他的參數(shù)如之前(2)所述的基本上都變化很少，那么在200C時的濃度分布應(yīng)該與在低溫時的分布大致一樣，要點是在200℃時的離化率是0.6，25℃時是0.2，對同一的注入離子的實際有效濃度在200℃時的濃度增加為4部，所以在200℃時濃度分布折合為圖8中的線200的濃度分布。

(4).設(shè)計一在約中間溫度的終端濃度分布，這里這中間溫度為90℃，在90℃時的離化率約為0.3，用之前(3)的論點，中間溫度的終端濃度分布折合為圖8中的線90的濃度分布。

(5).然后把不同溫度的濃度分布用以下方法接合在一起：先把低溫的濃度分布緊接著有源區(qū)，之后把中間溫度(即90℃)的接在低溫濃度分布之后，接合點是在兩者的相同濃度之處，然后把重疊的屬于低溫的部分拿掉，之后把高溫 的接在中間溫度濃度分布之后，接合點是它們相同濃度之處，把重疊屬于中間溫度的拿掉，最后整個濃度分布如圖9所示，這是在低溫時的有效濃度分布，在低溫時，當(dāng)器件在反向偏置時，區(qū)域25’，90’和200’都用來承受反向電壓，高溫時，有效濃度分布如圖10所示，這時主要是區(qū)域200”用來承受反向電壓，其它區(qū)域像有源區(qū)一樣，除了邊緣部份變成耗盡區(qū)，大部分區(qū)域是沒有耗盡的，是最低電位的。

以上是把溫度范圍分為三段，即低(25℃)、中(90℃)和高(200℃)來設(shè)計，也可以分為二段或三段以上的溫度來設(shè)計。工藝制作可以在漸變掩膜窗口上注入離子來實現(xiàn)，透過漸變掩膜窗口加上恰當(dāng)?shù)淖⑷霌诫s劑量會得到相應(yīng)的摻雜區(qū)和佔空比，從而得到優(yōu)化的有效結(jié)果。

用本發(fā)明設(shè)計的終端區(qū)可以避免因為摻雜劑量的離化率(ionized dopant fraction)隨溫度變化而變化，用本發(fā)明設(shè)計的終端區(qū)的方法也可使擊穿電壓不受表面態(tài)密度或鈍化層的雜質(zhì)濃度不同而受影響，用本發(fā)明設(shè)計的終端區(qū)需要使用較大的芯片面積。

附圖說明

附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制：

圖1是終端為Resurf結(jié)構(gòu)的功率分立器件的橫切面示意圖；

圖2是終端為Resurf結(jié)構(gòu)的P型摻雜區(qū)濃度不優(yōu)化時表面電場分布示意圖；

圖3是終端為Resurf結(jié)構(gòu)的P型摻雜區(qū)濃度優(yōu)化時表面電場分布示意圖；

圖4是終端為線性漸變Resurf結(jié)構(gòu)的功率分立器件的橫切面示意圖；

圖5是終端為線性漸變Resurf結(jié)構(gòu)的P型摻雜區(qū)濃度優(yōu)化時的表面電場分布示意圖；

圖6是在漸變掩膜窗口上注入摻雜來實現(xiàn)線性漸變Resurf終端結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7是鋁在4H-SiC中在不同溫度時的離化率；

圖8是終端P型區(qū)在不同溫度時優(yōu)化的摻雜濃度折合在25C時的濃度分布示意圖；

圖9是本發(fā)明終端P型區(qū)在25C時優(yōu)化的摻雜濃度分布示意圖；

圖10是本發(fā)明終端P型區(qū)在200C時優(yōu)化的摻雜濃度分布示意圖；

圖11是本發(fā)明實施例在表面氧化層上形成有源區(qū)注入開孔的橫切面示意圖；

圖12是本發(fā)明實施例在表面氧化層上形成終端區(qū)注入開孔的橫切面示意圖；

圖13是本發(fā)明實施例在碳化硅表面部分形成P型摻雜區(qū)；

圖14是本發(fā)明實施例在有源區(qū)形成接觸孔示意圖；

圖15是本發(fā)明實施例在碳化硅表面金屬接觸處留下一層鎳(肖特基金屬接觸)的示意圖；

圖16是本發(fā)明實施例在碳化硅器件表面完成鋁合金層的示意圖。

參考符號表：

1 碳化硅襯底

2 碳化硅外延層

3 有源區(qū)中的P的型區(qū)

4 終端區(qū)中的Resurf P型區(qū)

5 終端區(qū)為連續(xù)摻雜的線性漸變Resurf P型區(qū)

6 終端區(qū)為線性漸變Resurf的分立摻雜P型區(qū)

10 二氧化硅層

20 層間介質(zhì)

30 光刻涂層

40 Ni金屬層(肖特基金屬接觸)

50 鋁合金層

具體實施方式

本發(fā)明可用于各種各樣的碳化硅器件終端結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)舉一有關(guān)功率肖特基二極管實施例來介紹本發(fā)明的其中一種應(yīng)用。實施例中主要是介紹如何使用本發(fā)明的其中一種工藝方法，碳化硅晶圓片的磨薄和背面金屬化等步驟從略。

實施例：

如圖11所示，先將碳化硅表面清洗干凈，之后在表面沉積一層二氧化硅(厚度為0.5um至2.0um)，在二氧化硅表面積淀光刻涂層，利用掩模暴露出部分二氧化硅，然后對暴露出的部分二氧化硅進行干蝕，直至暴露出碳化硅外延層的上表面，在二氧化硅中形成掩模開孔，接著清除掉光刻涂層，然后對硅片表面少于注入一次P型摻雜劑(鋁(Al)和硼(B)，劑量為1e14/cm²至1e16/cm²，能量為100KeV至2000KeV)。

如圖12所示，清除掉表面二氧化硅，之后在表面沉積一層二氧化硅(厚度為0.5um至2.0um)，在二氧化硅表面積淀光刻涂層，利用掩模暴露出部分二氧化硅，然后對暴露出的部分二氧化硅進行干蝕，直至暴露出碳化硅外延層的上表面，在二氧化硅中形成多個掩模開孔，接著清除掉光刻涂層，然后對硅片表面少于注入一次P型摻雜劑(鋁(Al)和硼(B)，劑量為1e14/cm²至2e15/cm²，能量為100KeV至2000KeV)。

如圖13所示，為了避免在高溫退火時SiC內(nèi)的Si會蒸發(fā)出來，在晶圓最頂層表面沉積石墨(C)層作為保護，然后才進行高溫退火熱處理，退火溫度約為1100℃至1600℃之間，完成退火后便清除掉表面石墨(C)層。

如圖14所示，將碳化硅表面清洗干凈，之后在外延層最表面上先沉積無摻雜二氧化硅層(厚度為0.1um至0.5um)，然后沉積硼磷玻璃(厚度為0.1um至0.8um)，形成層間介質(zhì)，接著在層間介質(zhì)表面積淀光刻涂層，利用接觸孔掩模暴露出部分層間介質(zhì)，然后對暴露出的部分層間介質(zhì)進行干蝕，直至暴露出碳化硅外延層的上表面，在層間介質(zhì)中形成接觸孔掩模開孔。

如圖15所示，在接觸孔底部以及層間介質(zhì)上表面沉積一層鎳(Ni)層9，接著清除掉光刻涂層，藉著Life-off方法，在剝離光刻涂層時把不需要的Ni金屬層去掉。

如圖16所示，對Ni金屬層進行適當(dāng)?shù)耐嘶鸸に?，通常的溫度范圍?00至800C，在氮氣氛中快速熱退火60秒，接著在該器件的上面沉積一層鋁合金50(厚度為0.8um至10um)，然后通過金屬掩模進行金屬浸蝕，形成發(fā)射區(qū)金屬墊層和終端區(qū)場板。

最后應(yīng)說明的是：以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明可用于涉及制造各種半導(dǎo)體功率分立器件(例如，絕緣柵雙極晶體管(Trench IGBT)或溝槽二極管)，本發(fā)明可用于制備600V至15000V的半導(dǎo)體功率分立器件，本發(fā)明的實施例是以N型溝道器件作出說明，本發(fā)明亦可用于P型溝道器件，盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換，但是凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。