本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件以及半導(dǎo)體工藝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種N溝碳化硅靜電感應(yīng)晶閘管及其制造方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，對(duì)功率半導(dǎo)體器件的性能提出了越來(lái)越高的要求。目前使用的功率器件主要由硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料制成，由于受材料性能的限制，器件的電學(xué)性能已經(jīng)難以持續(xù)的大幅提高；而且用這些材料制成的器件不能在高溫強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期工作，特別是在新能源、汽車電子、航空航天等領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的硅功率器件已經(jīng)逐漸難以勝任。

在眾多新型半導(dǎo)體材料中，碳化硅(SiC)材料以其良好的物理和電學(xué)性能成為制造新一代半導(dǎo)體功率器件和電路的首選材料。尤其是高溫、高壓和高頻電力電子應(yīng)用領(lǐng)域，SiC功率器件更具有硅功率器件難以比擬的優(yōu)勢(shì)和潛力。

近年來(lái)，SiC器件的商用化有了很大的進(jìn)展，包括Cree、英飛凌、羅姆等多家公司可以提供包括SiC SBD、JFET、MOSFET商用產(chǎn)品，但是SiC功率器件的廣泛應(yīng)用還面臨著很多的挑戰(zhàn)。特別是SiC全控型功率器件的發(fā)展相對(duì)較慢，目前市場(chǎng)上只有少數(shù)國(guó)外公司可以提供種類比較單一的SiC全控型功率器件，而且價(jià)格高昂，難以廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域。

在眾多的SiC功率器件類型中，SiC JFET是電壓控制的單極型器件，具有單步制備工藝相對(duì)成熟且不存在MOS界面層質(zhì)量問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)，一直是中等額度電壓SiC功率器件的研究熱點(diǎn)，并成為了首款商用的SiC全控型功率器件，但至今未能廣泛推廣。其中最大的問(wèn)題是SiC JFET的正、反向特性都同時(shí)敏感的依賴于溝道區(qū)域的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，這給高功率常關(guān)型SiC JFET的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝研制帶來(lái)了困難，提高了器件制備成本，影響了器件的應(yīng)用。

為了解決常關(guān)型SiC JFET折中開(kāi)態(tài)電阻和關(guān)態(tài)特性困難的問(wèn)題，引入電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)是比較理想的選擇，常見(jiàn)的方案有兩種：一是將SiC JFET工作于雙極模式下(BJFET/BMFET)，讓柵源PN結(jié)正偏向溝道內(nèi)注入的少數(shù)載流子以調(diào)制開(kāi)態(tài)電阻；二是采用類似于SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)的結(jié)構(gòu)，在漏極引入一個(gè)PN結(jié)。

其中第一種方案雖然不增加工藝難度，但需要柵極由電壓驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏黩?qū)動(dòng)，不僅會(huì)增大驅(qū)動(dòng)功率、增加驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜度；同時(shí)由于柵極注入只能調(diào)制溝道低摻雜區(qū)的電導(dǎo)率，所以該方案的應(yīng)用價(jià)值有限。

而靜電感應(yīng)晶閘管可以看出JFET與PIN的串聯(lián)，即具有SiC JFET工藝成熟、易驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有更強(qiáng)烈的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。與BJFET相比，SITH漏端PN結(jié)注入的少子可以有效的調(diào)制整個(gè)漂移區(qū)的電導(dǎo)率，有效降低器件的開(kāi)態(tài)電阻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種有利于降低器件開(kāi)態(tài)電阻、提升功率特性，實(shí)用性強(qiáng)的N溝碳化硅靜電感應(yīng)晶閘管及其制造方法。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種N溝碳化硅靜電感應(yīng)晶閘管，包括自下而上依次設(shè)置的第二P型歐姆接觸電極、P型SiC襯底、N型SiC緩沖層、N型SiC漂移層和N型SiC電流增強(qiáng)層，所述N型SiC電流增強(qiáng)層上刻蝕形成有若干個(gè)臺(tái)階，相鄰臺(tái)階之間設(shè)有溝槽，所述臺(tái)階的頂端設(shè)置有N型SiC歐姆接觸層，N型SiC歐姆接觸層的上部設(shè)置有N型歐姆接觸電極，N型歐姆接觸電極的形狀與N型SiC歐姆接觸層相同，所述溝槽內(nèi)設(shè)置有P型SiC歐姆接觸區(qū)，P型SiC歐姆接觸區(qū)與所述臺(tái)階側(cè)面和溝槽的底部接觸，位于溝槽底部的P型SiC歐姆接觸區(qū)的上部設(shè)置有第一P型歐姆接觸電極，所述第二P型歐姆接觸電極、N型歐姆接觸電極和第一P型歐姆接觸電極均包括依次沉積的Ni層和Pt層。

所述P型SiC襯底的摻雜濃度為1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3。

所述N型SiC緩沖層的厚度為0.5～2.0μm，摻雜濃度為1×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-3。

所述N型SiC漂移層的厚度為材料中空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度的0.4～0.9倍，摻雜濃度N_drift為1×10¹⁴～8×10¹⁵cm^-3。

所述N型SiC電流增強(qiáng)層的摻雜濃度N_CSL為1×10¹⁶～1×10¹⁷cm^-3，N型SiC電流增強(qiáng)層在溝槽底部的厚度為0.5～2μm。

所述臺(tái)階高度為1.5～3.5μm，臺(tái)階寬度為cm的1.0～2.0倍。

所述N型歐姆接觸層的摻雜濃度1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3，厚度為0.2～0.5μm。

一種N溝碳化硅靜電感應(yīng)晶閘管的制造方法，包括以下步驟：

步驟一、由SiC基片構(gòu)成的P型SiC襯底；

步驟二、采用化學(xué)氣相沉積法在P型SiC襯底的上表面上依次外延生長(zhǎng)N型SiC緩沖層、N型SiC漂移層、N型SiC電流增強(qiáng)層和N型SiC歐姆接觸層；

步驟三、通過(guò)SF₆氣體，采用反應(yīng)離子干法刻蝕法在N型SiC電流增強(qiáng)層和N型SiC歐姆接觸層上刻蝕若干個(gè)臺(tái)階，相鄰臺(tái)階之間設(shè)有溝槽；

步驟四、采用離子注入法在N型SiC電流增強(qiáng)層的臺(tái)階側(cè)面和溝槽底部形成P型SiC歐姆接觸區(qū)，并在惰性氣體氣氛下進(jìn)行溫度為1650℃～1700℃的熱退火；

步驟五、在N型SiC歐姆接觸層上部、P型SiC襯底下部和溝槽底部的P型SiC歐姆接觸區(qū)上部均依次淀積Ni層和Pt層；

步驟六、在N₂氣氛下進(jìn)行溫度為950℃～1050℃的熱退火，在N型SiC歐姆接觸層的上部形成N型歐姆接觸電極；在溝槽底部的P型SiC歐姆接觸區(qū)上部形成第一P型歐姆接觸電極；在P型SiC襯底下部形成第二P型歐姆接觸電極，即得到N溝碳化硅靜電感應(yīng)晶閘管。

所述N型SiC歐姆接觸層上部淀積的Ni層厚度為200nm～400nm，Pt層厚度為50nm～200nm；P型SiC襯底下部淀積的Ni層厚度為200nm～400nm，Pt層厚度為50nm～200nm；溝槽底部的N型SiC電流增強(qiáng)層上部淀積的Ni層厚度為200nm～400nm，Pt層厚度為50nm～200nm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的N溝碳化硅靜電感應(yīng)晶閘管采用P型SiC襯底，通過(guò)與N型SiC漂移層形成PN結(jié)，提供少子注入以獲得電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，并在P型SiC襯底與N型SiC漂移層之間設(shè)置N型SiC緩沖層以避免穿通，在N型SiC漂移層與N型SiC歐姆接觸層之間設(shè)置N型SiC電流增強(qiáng)層以降低溝道區(qū)的阻抗。對(duì)于常規(guī)結(jié)構(gòu)的SiC JFET，器件的開(kāi)態(tài)電阻和擊穿電壓都敏感依賴于溝道區(qū)的材料參數(shù)，難以折中，尤其是對(duì)于常關(guān)型器件，很難同時(shí)獲得低開(kāi)態(tài)電阻和高擊穿電壓。本發(fā)明的N溝碳化硅靜電感應(yīng)晶閘管通過(guò)采用P型襯底形成的少子注入調(diào)制低摻雜的N型漂移層，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)讓電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)覆蓋整個(gè)漂移區(qū)，少子擴(kuò)散長(zhǎng)度大于漂移區(qū)厚度，能夠顯著削弱漂移區(qū)摻雜對(duì)開(kāi)態(tài)電阻的影響。對(duì)于這種類型的器件，理論上有N溝，即采用N型的溝道和漂移層，以及P溝，即P型的溝道和漂移層兩種技術(shù)方案，即分別采用采用空穴和電子作為襯底注入的少子以調(diào)制溝道區(qū)的電導(dǎo)率。一般情況下電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度要比空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)，比如SiC中電子的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度Ln為10～25μm，而空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度Lp為5～12μm。但對(duì)于SiC材料P型雜質(zhì)的激活率、離化率和遷移率等參數(shù)都顯著低于N型雜質(zhì)，即P型材料的性能顯著低于N型材料，這既不利于工藝的研制也不利于提升器件的關(guān)態(tài)和開(kāi)關(guān)特性。采用本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)，有效解決了傳統(tǒng)SiC JFET存在的問(wèn)題，同時(shí)獲得低開(kāi)態(tài)電阻和高擊穿電壓，提高設(shè)計(jì)靈活度，降低工藝難度，新穎合理，實(shí)用性強(qiáng)。

進(jìn)一步，為了獲得高的擊穿電壓，需要降低漂移區(qū)摻雜濃度和增加漂移區(qū)的厚度，但這都會(huì)顯著增大開(kāi)態(tài)電阻。由于漂移層的厚度由電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)決定，且開(kāi)態(tài)電阻不再受漂移區(qū)摻雜濃度的影響，本發(fā)明通過(guò)采用低摻雜的漂移區(qū)以獲得高擊穿電壓。采用本方案的設(shè)計(jì)后，開(kāi)態(tài)電阻和擊穿電壓分別由兩個(gè)參數(shù)決定，大大增加了設(shè)計(jì)靈活度。但同時(shí)，采用上述的設(shè)計(jì)思路后，器件關(guān)態(tài)時(shí)，柵耗盡區(qū)很容易延伸到襯底，即發(fā)生穿通，這會(huì)導(dǎo)致器件的擊穿特性變差。本發(fā)明在P型襯底和N型漂移層之間設(shè)置N型緩沖層，以避免穿通的發(fā)生，有利于提升擊穿電壓。

進(jìn)一步，由于采用了低摻雜的漂移層，溝道區(qū)的阻抗會(huì)顯著上升，本發(fā)明在N型漂移層與歐姆接觸層之間設(shè)置N型SiC電流增強(qiáng)層以降低溝道區(qū)的阻抗，從而降低漂移層低摻雜對(duì)開(kāi)態(tài)電阻的影響，提升器件性能，提高設(shè)計(jì)的靈活度。

進(jìn)一步，采用了本發(fā)明的結(jié)構(gòu)后，設(shè)計(jì)和研制開(kāi)態(tài)電阻低的常關(guān)型器件更為容易，設(shè)計(jì)方法是溝道寬度，即臺(tái)階寬度去掉摻雜深度小于等于2倍柵耗盡層厚度，根據(jù)器件物理的知識(shí)，耗盡層厚度為其中V_D為自建電勢(shì)，對(duì)于SiC材料和本結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，約等于

本發(fā)明的方法制備的N溝碳化硅靜電感應(yīng)晶閘管有效的解決了傳統(tǒng)SiC JFET存在的問(wèn)題，同時(shí)獲得低開(kāi)態(tài)電阻和高擊穿電壓，提高設(shè)計(jì)靈活度，采用的方法降低工藝難度，新穎合理，實(shí)用性強(qiáng)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明方法的流程圖；

圖3a為本發(fā)明制造方法步驟一完成后的器件結(jié)構(gòu)示意圖，圖3b為步驟二完成后的器件結(jié)構(gòu)示意圖，圖3c為步驟三完成后的器件結(jié)構(gòu)示意圖，圖3d為步驟四完成后的器件結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1-P型SiC襯底；2-N型SiC緩沖層；3-N型SiC漂移層；4-N型SiC電流增強(qiáng)層；5-N型SiC歐姆接觸層；6-P型SiC歐姆接觸區(qū)；7-N型歐姆接觸電極；8-第一P型歐姆接觸電極；9-第二P型歐姆接觸電極。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)包括由P型SiC襯底1和設(shè)置在P型SiC襯底1上部的N型SiC緩沖層2，N型SiC緩沖層2上設(shè)置N型SiC漂移層3，N型SiC漂移層3上設(shè)置N型SiC電流增強(qiáng)層4，N型SiC電流增強(qiáng)層4上設(shè)置N型SiC歐姆接觸層5，N型SiC電流增強(qiáng)層4和N型SiC歐姆接觸層5上刻蝕形成多個(gè)臺(tái)階，相鄰臺(tái)階之間設(shè)有溝槽，在臺(tái)階側(cè)面和溝槽底部設(shè)置有P型SiC歐姆接觸區(qū)6，P型SiC歐姆接觸區(qū)6與所述臺(tái)階側(cè)面、溝槽的底部和N型SiC歐姆接觸層5均接觸，N型SiC歐姆接觸層5上部設(shè)置有形狀與N型SiC歐姆接觸層5形狀相同的N型歐姆接觸電極7，溝槽底部的P型SiC歐姆接觸區(qū)6上部設(shè)置有P型歐姆接觸電極8；P型SiC襯底1下部設(shè)置有P型歐姆接觸電極9，第二P型歐姆接觸電極9、N型歐姆接觸電極7和第一P型歐姆接觸電極8均包括依次沉積的Ni層和Pt層。

P型SiC襯底1的摻雜濃度1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3；N型SiC緩沖層2的厚度為0.5～2.0μm，摻雜濃度為1×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-3，在具體工藝中厚度與摻雜濃度呈反比例關(guān)系；N型SiC漂移層3的厚度為材料中空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度的0.4～0.9倍，摻雜濃度N_drift為1×10¹⁴～8×10¹⁵cm^-3；N型SiC電流增強(qiáng)層4的摻雜濃度N_CSL為1×10¹⁶～1×10¹⁷cm^-3，其下邊界延伸到溝槽底部下方0.5～2μm，即在溝槽底部的N型SiC電流增強(qiáng)層4厚度為0.5～2μm，臺(tái)階高度為1.5～3.5μm，臺(tái)階寬度為cm的1.0～2.0倍；N型歐姆接觸層5的摻雜濃度為1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3，厚度為0.2～0.5μm。

參見(jiàn)圖2，本發(fā)明的制備方法包括以下步驟：

步驟一、提供由SiC基片構(gòu)成的P型SiC襯底1，如圖3a所示；

步驟二、采用化學(xué)氣相沉積法在P型SiC襯底1的上表面上依次外延生長(zhǎng)厚度為0.5～2.0μm，摻雜濃度為1×10¹⁶～5×10¹⁷cm^-3的N型SiC緩沖層2；厚度為材料中空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度的0.4～0.9倍，摻雜濃度N_drift為1×10¹⁴～8×10¹⁵cm^-3的N型SiC漂移層3；摻雜濃度N_CSL為1×10¹⁶～1×10¹⁷cm^-3的N型SiC電流增強(qiáng)層4；摻雜濃度為1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3，厚度為0.2～0.5μm的N型SiC歐姆接觸層5，如圖3b所示；

步驟三、通過(guò)SF₆氣體，采用反應(yīng)離子干法刻蝕法在N型SiC電流增強(qiáng)層4和N型SiC歐姆接觸層5上刻蝕出高度為1.5～3.5μm，寬度為cm的1.0～2.0倍，間距為2～5μm的若干個(gè)臺(tái)階，相鄰臺(tái)階之間設(shè)溝槽，如圖3c所示；

步驟四、采用離子注入法在N型SiC電流增強(qiáng)4的臺(tái)階側(cè)面和底部形成摻雜濃度為1×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3的P型SiC歐姆接觸區(qū)6，并在惰性氣體氣氛下進(jìn)行溫度為1650℃～1700℃的熱退火，如圖3d所示；

步驟五、在N型SiC歐姆接觸層5上方依次淀積Ni層和Pt層，Ni層的厚度為200nm～400nm，Pt層的厚度為50nm～200nm；

步驟六、在P型SiC襯底1下方依次淀積Ni層和Pt層，Ni層的厚度為200nm～400nm，Pt層的厚度為50nm～200nm；

步驟七、在溝槽底部的P型SiC歐姆接觸區(qū)6上方依次淀積Ni層和Pt層，Ni層的厚度為200nm～400nm，Pt層的厚度為50nm～200nm；

步驟八、在N₂氣氛下進(jìn)行溫度為950℃～1050℃的熱退火，在在N型SiC歐姆接觸層5的上部形成由Ni層和Pt層構(gòu)成的N型歐姆接觸電極7；在溝槽底部的P型SiC歐姆接觸區(qū)6上部形成由Ni層和Pt層構(gòu)成的P型歐姆接觸電極8；在P型襯底1下方形成由Ni層和Pt層構(gòu)成的P型歐姆接觸電極9，即得到N溝碳化硅靜電感應(yīng)晶閘管。

靜電感應(yīng)晶閘管，是一種典型的復(fù)合型功率半導(dǎo)體器件，從技術(shù)上可以理解為單極型器件(靜電感應(yīng)晶體管，SIT)加上了少子調(diào)制效應(yīng)。從材料角度，其性能由單極型器件的體材料和少子的性能決定。對(duì)于N溝型器件，是N型體材料(電子導(dǎo)電)和P型少子(空穴)；對(duì)于P溝器件，是P型體材料(空穴導(dǎo)電)和N型少子(電子)。

對(duì)于大部分半導(dǎo)體材料，N型材料的性能(包括體材料和少子性能)都優(yōu)于P型材料，因此，類似靜電感應(yīng)晶閘管這樣的復(fù)合型器件，難以同時(shí)獲得高的體材料和少子性能，即只能采用N型體材料加P型少子(N溝)或者P型體材料加N型少子(P溝)。

對(duì)于半導(dǎo)體材料，N型和P型體材料和少子特性，在數(shù)值上往往差了兩三倍甚至更多，而工藝上也有很大的差別。以SiC材料為例，N型和P型材料的摻雜元素、雜質(zhì)激活溫度、雜質(zhì)激活率、雜質(zhì)離化率、遷移率、擴(kuò)散系數(shù)、少子壽命等，以及研制歐姆接觸所采用的金屬類型、退火溫度，研制肖特基接觸的工藝參數(shù)，以及最后的工藝效果等，都有較大的差別。N溝和P溝SiC器件不僅僅是摻雜類型的轉(zhuǎn)換，而且是在器件特性和設(shè)計(jì)方法上有較大的區(qū)別。

參照目前研究較多的另外一款SiC復(fù)合型功率半導(dǎo)體器件——SiC IGBT，與本專利涉及的理論思想類似，也是單極型器件(MOSFET)加上少子調(diào)制效應(yīng)，目前學(xué)術(shù)界對(duì)于其N溝和P溝的研究都較為重視，研究發(fā)現(xiàn)這兩種器件的特性各有優(yōu)劣。同時(shí)開(kāi)展這兩種類型器件的研究將有助于這一類器件更快更好的發(fā)展。本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)和工藝方案，能夠有效解決傳統(tǒng)SiC JFET存在的問(wèn)題，同時(shí)獲得低開(kāi)態(tài)電阻和高擊穿電壓，提高設(shè)計(jì)靈活度，降低工藝難度，新穎合理，實(shí)用性強(qiáng)。