一种新型源区沟槽碳化硅二极管器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种新型源区沟槽碳化硅二极管器件及其制备方法。

背景技术

碳化硅是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料。相比传统的硅材料，碳化硅的禁带宽度是硅的3倍；导热率为硅的4-5倍；击穿电压为硅的8-10倍；电子饱和飘移速率为硅的2-3倍，满足了现代工业需求。其下游应用领域包括智能电网、新能源汽车、光伏风电、5G通信，在功率器件领域碳化硅二极管早已开始商业化应用。

目前市面上主流的SiC二极管产品，基本上采用JBS结构，即PN结二极管+肖特基结二极管，其电压范围主要在：650V-1700V，电流范围：2A-50A。正向导通压降VF是衡量二极管正向导通性能最重要的参数，目前主要降低VF值的方法有：通过增大芯片面积、衬底背面减薄、改变肖特基接触金属等方式。但这些方法都有明显的缺点：增大芯片面积会减少单片芯片数量，增加了单颗芯片成本；衬底背面减薄技术壁垒较高且对晶圆运输提出了更高的要求，容易导致裂片；改变肖特基接触金属，商业化应用还不成熟，制造成本较高。

本文提出一种新型源区沟槽碳化硅二极管器件，在制造成本增加较少的情况下，通过提高源区表层N离子浓度和增加与肖特基金属接触面积显著降低碳化硅二极管VF特性；终端整体刻槽，屏蔽外延层表面N型注入区对终端的影响，使得在不降低终端效率的前提下，降低碳化硅二极管器件的VF值。

发明内容

本发明涉提供了一种显著降低碳化硅二极管VF值的碳化硅二极管器件及其制备方法。

本发明的技术方案是：

一种新型源区沟槽碳化硅二极管器件，包括从下而上依次设置的背面加厚金属、背面欧姆接触金属、碳化硅衬底、碳化硅外延层和N型注入区；

所述N型注入区的顶面设有伸入碳化硅外延层的终端沟槽和若干间隔设置的源区沟槽；

所述源区沟槽的槽底设有向下延伸的P型注入区；

所述终端沟槽的顶面设有伸入碳化硅外延层的P型主结和若干间隔设置的P型分压环；

所述碳化硅外延层上设有覆盖P型主和若干P型分压环的场氧层；

位于端部所述N型注入区的顶面设有经过源区沟槽并延伸至场氧层上表面的正面肖特基金属；

所述正面肖特基金属的顶面设有正面加厚金属；

所述场氧层上设有延伸至正面加厚金属上表面的无机钝化层；

所述无机钝化层上设有有机钝化层。

具体的，所述碳化硅衬底和碳化硅外延层导电类型均为N型。

具体的，所述源区沟槽和终端沟槽的深度相同。

具体的，所述源区沟槽和P型注入区的宽度相同。

若干P型分压环（7）的宽度均不同，越往器件末端其宽度越小。

具体的，若干所述源区沟槽之间和若干P型注入区之间的间距相同。

具体的，所述正面肖特基金属和正面加厚金属右侧末端搭设在场氧层上。

具体的，所述无机钝化层和有机钝化层左侧前端搭设在正面加厚金属上方。

一种新型源区沟槽碳化硅二极管器件的制造方法，包括如下步骤：

S100，在碳化硅衬底上外延生长一层碳化硅外延层；

S200，在碳化硅外延层上形成N型注入区；

S300，在碳化硅外延层上通过刻蚀工艺形成源区沟槽和终端沟槽；

S400，在源区沟槽和终端沟槽上通过Al离子注入和高温激活退火形成若干P型注入区，若干P型分压环和P型主结；

S500，在碳化硅外延层上通过沉积形成覆盖P型主结和若干P型分压环的场氧层；

S600，在N型注入区的顶面通过金属溅射形成正面肖特基金属，正面肖特基金属从N型注入区的端部向中部延伸，伸至场氧层的上方；沉积完后进行快速退火处理，形成肖特基接触；

S700，在正面肖特基金属上溅射正面加厚金属，作为正电极引出；

S800，在场氧层上沉积一层延伸至正面加厚金属上表面的无机钝化层；

S900，在无机钝化层上涂布一层有机钝化层；

S1000，在碳化硅衬底的背面通过溅射形成背面欧姆接触金属；

S1100，在背面欧姆接触金属上溅射形成背面加厚金属。

具体的，步骤S200中的N型注入区深度不超过源区沟槽深度。

具体的，步骤S300中的源区沟槽和终端沟槽深度相同。

本发明通过在碳化硅二极管外延层上方全面注入一层的N型注入区，通过刻蚀形成源区沟槽和终端沟槽，再通过离子注入形成P型注入区、P型主结和P型分压环，在不增加单颗芯片面积和工艺复杂程度的基础上，进一步降低了器件的正向导通压降。

通过碳化硅二极管外延层上方的N型注入区来提高表层外延层离子浓度，降低了导通电阻，同时N型注入区深度小于P型注入区深度，在反向耐压时，可以被P型注入区引起的耗尽区完全保护，故芯片反向性能几乎不受影响。

通过碳化硅二极管源区沟槽，使得源区表面三维立体，增加了源区与肖特基金属的接触面积，进一步减小了器件的正向导通压降。通过终端沟槽刻蚀掉终端区表面的N型注入区，可以减小N型注入区对终端耗尽区扩展影响，提高了器件终端效率。

附图说明

图1是步骤S100生长外延层的结构示意图；

图2是步骤S200注入N型注入区的结构示意图；

图3是步骤S300刻蚀源区沟槽和终端沟槽的结构示意图；

图4是步骤S400注入P型注入区、P型主结和P型分压环的结构示意图；

图5是步骤S500沉积场氧层的结构示意图；

图6是步骤S600溅射正面接触金属的结构示意图；

图7是步骤S700溅射正面加厚金属的结构示意图；

图8是步骤S800沉积无机钝化层的结构示意图；

图9是步骤S900涂布有机钝化层的结构示意图；、

图10是步骤S1000溅射背面欧姆接触金属的结构示意图；

图11是步骤S1100溅射背面加厚金属的结构示意图；

图12是不同N型注入区深度的正向特性曲线仿真图；

图13是不同沟槽深度的正向特性曲线仿真图；

图中1是碳化硅衬底，2是碳化硅外延层，3是N型注入区，4是源区沟槽，5是终端沟槽，6是P型注入区，7是P型分压环，8是P型主结，9是场氧层，10是正面肖特基金属，11是正面加厚金属，12是无机钝化层，13是有机钝化层，14是背面欧姆接触金属，15是背面加厚金属。

具体实施方式

下面结合具体实际案例对本发明进行详细说明。所述实施例的示例在附图中示出，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种新型源区沟槽碳化硅二极管器件，包括从下而上依次设置的背面加厚金属15、背面欧姆接触金属14、碳化硅衬底1、碳化硅外延层2和N型注入区3；

所述N型注入区3的顶面设有伸入碳化硅外延层2的终端沟槽5和若干间隔设置的源区沟槽4；

所述源区沟槽4的槽底设有向下延伸的P型注入区6；

所述终端沟槽5的顶面设有伸入碳化硅外延层2的P型主结8和若干间隔设置的P型分压环7；

所述碳化硅外延层2上设有覆盖P型主结8和若干P型分压环7的场氧层9；

位于端部所述N型注入区3的顶面设有经过源区沟槽4并延伸至场氧层9上表面的正面肖特基金属10；

所述正面肖特基金属10的顶面设有正面加厚金属11；

所述场氧层9上设有延伸至正面加厚金属11上表面的无机钝化层12；

所述无机钝化层12上设有有机钝化层13。

进一步限定，所述碳化硅衬底1和碳化硅外延层2导电类型均为N型。

进一步限定，所述源区沟槽4和终端沟槽5的深度相同。

进一步限定，所述源区沟槽4和P型注入区6的宽度相同。在不影响N型注入区3正向通流的情况下，在器件反向耐压时P型注入区6可以有效屏蔽N型注入区3肖特基通道，降低器件的漏电流。

若干P型分压环7的宽度均不同，越往器件末端其宽度越小，每间隔2-3个场限环，环宽度减小0.2um。

若干P型分压环7之间的间距不同，越往芯片末端间距越大，每间隔2-3个场限环，环间距增加0.1-0.2um，不均匀场限环具有合适的P/N比，能够有效提高场限环终端效率，例如1200V碳化硅二极管，其反向击穿电压可提高至1500V。

进一步限定，若干所述源区沟槽4之间和若干P型注入区6之间的间距相同。简化了碳化硅二极管芯片版图设计。

进一步限定，所述正面肖特基金属10和正面加厚金属11右侧（以图11方向为参考方向）末端搭设在场氧层9上。搭在场氧层上方的金属层形成场板结构，有助于缓解源区边缘P型注入区的底端电场集中效应，场板有助于促进场限环终端耗尽区扩展，提高终端效率。

进一步限定，所述无机钝化层12和有机钝化层13左侧前端（以图11方向为参考方向）搭设在正面加厚金属11上方。搭在金属上方的有机和无机钝化层可以有效防止水汽从终端进入源区，提高了器件的可靠性实验寿命。

一种新型源区沟槽碳化硅二极管器件的制造方法，包括如下步骤：

S100，参照图1所示，在碳化硅衬底1上外延生长一层碳化硅外延层2；

S200，参照图2所示，在碳化硅外延层2上通过全面N离子注入，形成N型注入区3；

S300，参照图3所示，在碳化硅外延层2上通过介质薄膜沉积、光刻和刻蚀，形成图形化掩膜氧化层后，通过刻蚀工艺形成源区沟槽4和终端沟槽5；

S400，参照图4所示，在源区沟槽4和终端沟槽5上通过介质薄膜沉积、光刻和刻蚀，形成图形化掩膜氧化层后，通过Al离子注入和高温激活退火形成若干P型注入区6，若干P型分压环7和P型主结8；

S500，参照图5所示，在碳化硅外延层2上通过沉积形成覆盖P型主结8和若干P型分压环7的场氧层9；

S600，参照图6所示，在N型注入区3的顶面通过金属溅射形成正面肖特基金属10，正面肖特基金属10从N型注入区3的端部向中部延伸，伸至场氧层9的上方；沉积完后进行快速退火处理，形成肖特基接触；

S700，参照图7所示，在正面肖特基金属10上溅射正面加厚金属11，作为正电极引出；

S800，参照图8所示，在场氧层9上沉积一层延伸至正面加厚金属11上表面的无机钝化层12，无机钝化层12全面覆盖场氧层9且左侧前端搭在正面加厚金属11上；

S900，参照图9所示，在无机钝化层12上涂布一层有机钝化层13；

S1000，参照图10所示，在碳化硅衬底1的背面通过溅射形成背面欧姆接触金属14；

S1100，参照图11所示，在背面欧姆接触金属14上溅射形成背面加厚金属15。

进一步限定，步骤S200中的N型注入区3深度不超过源区沟槽4深度，离子浓度是碳化硅外延层10-20倍，注入温度在400℃-600 ℃。

N型注入区3深度不超过源区沟槽4深度，因为器件在反向耐压过程，必须要保证P型注入区6引起的耗尽区完全屏蔽掉N型注入区3沟道，减小器件在反向时的漏电流；其次终端沟槽也需要将外延层表面的N型注入区3完全覆盖掉，避免终端耗尽区扩展被夹断，影响器件耐压；不同N型注入区深度对正向特性影响参照图12所示，本文采用N型注入区深度为1um效果最佳。

进一步限定，步骤S300中的源区沟槽4和终端沟槽5深度相同且沟槽深度在1-3um之间，沟槽深度过大会导致外延层厚度相对减小，影响器件的反向耐压；不同沟槽深度对正向特性影响参照图13所示，沟槽深度对正向特性曲线影响较小，本文采用沟槽深度为1um效果最佳。

进一步限定，步骤S400中离子注入为Al离子，注入温度在400℃-600 ℃，完成注入后高温激活退火温度在1600℃-1900℃。

图12是对器件正向IV特性仿真的曲线。该仿真固定了沟槽深度为1um，N型注入区浓度和外延层等其他影响因素不变，只对N型注入区深度DOE实验。如图所示：对N型注入区深度共进行了3种深度实验，分别是0.5um，0.8um，1um。随着N型注入区深度越深，IV曲线斜率越大，对应的相同电流下正向导通压降越小。图中改善前曲线是指没有N型注入区和挖沟槽的常规器件的正向IV特性曲线，在相同电流下它的正向导通压降明显偏大。

图13同样是对器件正向IV特性仿真的曲线。该仿真固定了N型注入区深度为1um，沟槽深度和外延层等其他影响因素不变，只对沟槽深度DOE实验。如图所示：对沟槽深度共进行了3种深度实验，分别是1um，2um，3um。随着沟槽深度越浅，IV曲线斜率越大，对应的相同电流下正向导通压降越小。图中改善前曲线是指没有N型注入区和挖沟槽的常规器件的正向IV特性曲线，在相同电流下它的正向导通压降明显偏大。

对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：

（1）、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；

（2）、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；

以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本案所公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。