一种SiC肖特基功率二极管及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种SiC肖特基功率二极管及其制备方法。

背景技术

SiC(碳化硅)常见的晶体类型有3C、4H以及6H等。其中，4H-SiC因其质量好、价格低的特点，是制造电力电子功率器件的不二之选。

4H-SiC肖特基功率二极管适用于整流、逆变等功率系统中，是目前电动汽车、工业控制、高铁等新型产业能源转换系统中不可或缺的新型功率元器件之一。随着功率容量的不断提升，4H-SiC肖特基功率二极管的工作电压和工作电流也要随之进一步提升。

现有的4H-SiC功率肖特基功率二极管中，为了实现较高的工作电压(大于3000V)，大多是通过加厚其外延层来实现的，3000V以上的工作电压需要外延层的厚度在30μm以上。然而，当外延层的厚度大于20μm时，SiC 外延工艺将使得4H-SiC肖特基功率二极管的性能和良率大幅下降，给高电压功率肖特基功率二极管的产品化造成不便。因此，如何提升高工作电压下的4H-SiC肖特基功率二极管的性能和良率，是一个亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种SiC肖特基功率二极管及其制备方法。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种SiC肖特基功率二极管，包括：

N型4H-SiC衬底；

P型4H-SiC隔离层，堆叠于所述N型4H-SiC衬底上方；

N型4H-SiC外延层，堆叠于所述P型4H-SiC隔离层上方；所述N型4H-SiC 外延层的厚度为4μm～6μm；

其中，所述N型4H-SiC外延层沿水平方向的中部刻有倒梯形阳极凹槽和位于所述倒梯形阳极凹槽内角下方的两个隔离槽；所述N型4H-SiC外延层的两端顶部向内避让形成两个隔离区；所述隔离区和所述隔离槽内均填满绝缘介质，形成电流疏导结构；每个所述隔离区和所述倒梯形阳极凹槽之间的N型4H-SiC外延层靠近所述隔离区的部分注有N元素形成N+注入区，靠近所述倒梯形阳极凹槽的部分注有Al元素形成P+注入保护区；

所述SiC肖特基功率二极管还包括：

阴极欧姆接触金属层，覆盖在所述N+注入区上方；

第一钝化层，覆盖在所述P+注入保护区的上方；

第二钝化层，覆盖在所述倒梯形阳极凹槽的底部；

阳极肖特基接触金属层，覆盖在所述第一钝化层靠近所述倒梯形阳极凹槽的部分表面、所述倒梯形阳极凹槽的表面以及所述第二钝化层的表面；

第三钝化层，覆盖在所述第一钝化层的剩余表面，并向两侧相邻的阳极肖特基接触金属层和阴极欧姆接触金属层延伸。

优选地，本发明提供的SiC肖特基功率二极管还包括：第四钝化层，覆盖在所述隔离区内填满的绝缘介质上方。

优选地，所述倒梯形阳极凹槽的深度为1.5μm～2μm，底部宽度为 5μm～10μm，底部内角的角度为45°±10°。

优选地，所述隔离区的高度以及所述隔离槽的深度均为2μm～3μm，宽度均为1μm～2μm。

优选地，所述N+注入区的高度为0.3μm～0.5μm，宽度为5μm～10μm。

优选地，所述第一钝化层和所述第二钝化层均为SiO

优选地，所述第三钝化层和所述第四钝化层均为聚酰亚胺钝化层。

优选地，所述阴极欧姆接触金属层的材质包括：Ni、Ti、NiSi合金或TiSi 合金。

优选地，所述阳极肖特基接触金属层的材质，包括：Ti、Ni、W、Au、 Pt或Pd。

本发明还提供了一种SiC肖特基功率二极管的制备方法，包括：

获取N型4H-SiC衬底，并在所述N型4H-SiC衬底的上表面淀积P型 4H-SiC，形成P型4H-SiC隔离层；

在所述P型4H-SiC隔离层上方淀积厚度为4μm～6μm的N型4H-SiC，形成 N型4H-SiC外延层；

刻蚀所述N型4H-SiC外延层在水平方向的中部，形成倒梯形阳极凹槽；

对所述倒梯形阳极凹槽的内角下方的N型4H-SiC外延层进行刻蚀，形成两个隔离槽，并对所述N型4H-SiC外延层的两端顶部进行刻蚀，形成两个隔离区；

在所述隔离区和所述隔离槽内均填满绝缘介质，形成电流疏导结构；

针对每个所述隔离区和所述倒梯形阳极凹槽之间的N型4H-SiC外延层，在靠近该隔离区的部分注入N元素，形成N+注入区，以及在靠近所述倒梯形阳极凹槽的部分注入Al元素，形成P+注入保护区；

在所述P+注入保护区的上表面生长第一钝化层，并在所述倒梯形阳极凹槽的底部生长第二钝化层；

在所述N+注入区的上表面制作阴极欧姆接触金属层，然后进行热退火处理；

在所述第一钝化层靠近所述倒梯形阳极凹槽的部分表面、所述倒梯形阳极凹槽的表面以及所述第二钝化层的表面制作阳极肖特基接触金属层；

在所述第一钝化层的剩余表面制作第三钝化层，并使所述第三钝化层向所述第一钝化层两侧相邻的阳极肖特基接触金属层和阴极欧姆接触金属层延伸。

本发明提供的SiC肖特基功率二极管，将阴极和阳极设置在同侧，由此使得两极间的导通路径行进在外延层的水平方向上，不依赖于外延层在垂直方向上的厚度；由此使得本发明对外延层的厚度要求不高，在厚度为 4μm～6μm的情况下即可实现较高工作电压(大于3000V)；相比于现有的肖特基功率二极管若要达到3000V以上的工作电压需要外延层的厚度在30μm以上，本发明对外延工艺要求不高，现有外延工艺完全可以满足，不会因工艺的不足而导致器件的性能和良率下降。其中，为了确保水平方向导通路径的肖特基功率二极管在高工作电压下的性能，本发明在该肖特基功率二极管中刻蚀倒梯形阳极凹槽，并在倒梯形阳极凹槽表面及其周围制作阴极欧姆接触金属，由此增大了阴极欧姆接触金属的面积，从而提升了二极管的电流导通面积，且还可以缩短从阳极到阴极的电流路径，从而有效提升了肖特基功率二极管的正向导通能力。此外，倒梯形阳极凹槽底部的内角为钝角，也可以缓解凹槽底部的电场集中现象。并且，本发明在外延层中刻蚀了两个隔离槽以及两个隔离区，从而形成电流疏导结构，从而可以在肖特基功率二极管在正向工作时对外延层中的电流走向进行疏导，使得电流流动指向性更强，由此可以降低肖特基功率二极管在正向工作时的电阻以及功耗。此外，本发明在阳极和阴极之间的外延层注入了Al元素形成与N 型4H-SiC外延层极性相反的P+注入保护区，以此来降低肖特基功率二极管的表面泄漏电流，提升肖特基功率二极管的反向特性。

本发明提供的SiC肖特基功率二极管，对材料的需求难度低，所需制备工艺简单，制备成本不高。

以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种SiC肖特基功率二极管的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种SiC肖特基功率二极管的结构示意图；

图3是本发明实施例中制备SiC肖特基功率二极管的方法流程图；

图4(a)至图4(j)以图形化的方式展示了本发明实施例中制备SiC肖特基功率二极管的流程。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

为了提升高工作电压下的4H-SiC肖特基功率二极管的性能和良率，本发明实施例提供了一种SiC肖特基功率二极管。参见图1所示，该SiC肖特基功率二极管包括：N型4H-SiC衬底1、P型4H-SiC隔离层2、N型4H-SiC外延层3、阴极欧姆接触金属层9、第一钝化层7、第二钝化层8、第三钝化层11 以及阳极肖特基接触金属层10。其中，

P型4H-SiC隔离层2堆叠于N型4H-SiC衬底1上方；N型4H-SiC外延层3 堆叠于P型4H-SiC隔离层2上方，该N型4H-SiC外延层3的厚度为4μm～6μm。

N型4H-SiC外延层3沿水平方向的中部刻有倒梯形阳极凹槽和位于倒梯形阳极凹槽内角下方的两个隔离槽，倒梯形阳极凹槽加上隔离槽两者的深度小于N型4H-SiC外延层3的厚度，即隔离槽并不穿透N型4H-SiC外延层3； N型4H-SiC外延层3的两端顶部向内避让形成两个隔离区，这两个隔离区也是通过刻蚀N型4H-SiC外延层3而形成的；隔离区和隔离槽内均填满绝缘介质4，形成电流疏导结构，以对N型4H-SiC外延层3中的电流走向进行疏导。每个隔离区和倒梯形阳极凹槽之间的N型4H-SiC外延层3靠近隔离区的部分注有N(氮)元素形成N+注入区5，靠近倒梯形阳极凹槽的部分注有Al(铝)元素形成P+注入保护区6，该P+注入保护区6的作用在于提升肖特基功率二极管的击穿电压。其中，N+所表示的含义是N型掺杂原子的注入量大于10

阴极欧姆接触金属层9覆盖在N+注入区5上方，该阴极欧姆接触金属层9 即是肖特基功率二极管的阴极，在N+注入区5上方制作的阴极可以降低肖特基功率二极管的导通电阻。第一钝化层7覆盖在P+注入保护区6的上方，第二钝化层8覆盖在倒梯形阳极凹槽的底部，这两部分钝化层的作用在于降低肖特基功率二极管的表面漏电流；阳极肖特基接触金属层10，即肖特基功率二极管的阳极，覆盖在第一钝化层7靠近倒梯形阳极凹槽的部分表面、倒梯形阳极凹槽的表面以及第二钝化层8的表面，这三部分上覆盖的阳极肖特基接触金属是连续非断开的。第三钝化层11覆盖在第一钝化层7的剩余表面，并向两侧相邻的阳极肖特基接触金属层10和阴极欧姆接触金属层9延伸；也就是说，第三钝化层11除了覆盖在第一钝化层7的剩余表面之外，还可以同时覆盖这部分表面两侧的一部分阳极肖特基接触金属层10和阴极欧姆接触金属层9上。

另外，阳极肖特基接触金属和阴极欧姆接触金属的表面还可以进一步附着电极接触金属，如铝或银等。

本发明实施例提供的SiC肖特基功率二极管，将阴极和阳极设置在同侧，由此使得两极间的导通路径行进在外延层的水平方向上，不依赖于外延层在垂直方向上的厚度；由此使得本发明实施例对外延层的厚度要求不高，在厚度为4μm～6μm的情况下即可实现较高工作电压(大于3000V)，相比于现有的肖特基功率二极管若要达到3000V以上的工作电压需要外延层的厚度在30μm以上，本发明对外延工艺要求不高，现有外延工艺完全可以满足，不会因工艺的不足而导致器件的性能和良率下降。其中，为了确保水平方向导通路径的肖特基功率二极管在高工作电压下的性能，本发明实施例在该肖特基功率二极管中刻蚀倒梯形阳极凹槽，并在倒梯形阳极凹槽表面及其周围制作阴极欧姆接触金属，由此增大了阴极欧姆接触金属的面积，从而提升了二极管的电流导通面积，且还可以缩短从阳极到阴极的电流路径，从而有效提升了肖特基功率二极管的正向导通能力。此外，倒梯形阳极凹槽底部的内角为钝角，也可以缓解凹槽底部的电场集中现象。并且，本发明实施例在外延层中刻蚀了两个隔离槽以及两个隔离区，从而形成电流疏导结构，从而可以在肖特基功率二极管在正向工作时对外延层中的电流走向进行疏导，使得电流流动指向性更强，由此可以降低肖特基功率二极管在正向工作时的电阻以及功耗。此外，本发明实施例在阳极和阴极之间的外延层注入了Al元素形成与N型4H-SiC外延层极性相反的P+注入保护区，以此来降低肖特基功率二极管的表面泄漏电流，提升肖特基功率二极管的反向特性。

可选地，在一个实施例中，参见图2所示，本发明实施例提供的SiC肖特基功率二极管，还可以包括：第四钝化层12，该第四钝化层12覆盖在隔离区内填满的绝缘介质4上方；该第四钝化层12的作用在于进一步降低肖特基功率二极管的表面漏电流。

下面对本发明实施例中进行更进一步的举例说明，需要说明的是，下文示出的各种材质以及尺寸参数等仅仅作为本发明实施例的示例，并不构成对本发明实施例的限定。

示例性的，在倒梯形阳极凹槽及其下方的隔离槽两者的深度小于N型 4H-SiC外延层3的厚度的前提下，倒梯形阳极凹槽的深度可以为1.5μm～2μm，底部宽度为5μm～10μm，底部内角的角度为45°±10°。

示例性的，隔离区的高度以及隔离槽的深度均可以为2μm～3μm，宽度均可以为1μm～2μm。其中，隔离区以及隔离槽中填充的绝缘介质4可以包括： Si

示例性的，N+注入区5的高度优选为0.3μm～0.5μm，宽度优选为 5μm～10μm。

在一个实施例中，第一钝化层7和第二钝化层8均可以为SiO

在一个实施例中，第三钝化层11和第四钝化层12均可以为聚酰亚胺钝化层。该聚酰亚胺钝化层的厚度优选为5μm±1μm。

可选地，阴极欧姆接触金属层9的材质可以包括：Ni(镍)、Ti(钛)、NiSi(镍硅)合金或TiSi(钛硅)合金；阳极肖特基接触金属层10的材质可以包括：Ti、 Ni、W(钨)、Au(金)、Pt(铂)或Pd(钯)。

本发明实施例对N型4H-SiC衬底1、P型4H-SiC隔离层2、阴极欧姆接触金属层9以及阳极肖特基接触金属层10的厚度不做限定，可根据实际对肖特基功率二极管的性能需求来选定。

在一个具体的实施例中，N型4H-SiC外延层3的厚度为5μm；倒梯形阳极凹槽的深度为1.5μm，底部宽度为5μm，底部内角的角度为45°；隔离区的高度以及隔离槽的深度均为2μm，宽度均为1μm，两者内部填充的绝缘介质 4均为Si

下面对本发明实施例提供的SiC肖特基功率二极管的制备方法进行详细说明。参见图3所示，该方法包括以下步骤：

S1：获取N型4H-SiC衬底，并在N型4H-SiC衬底的上表面淀积P型4H-SiC，形成P型4H-SiC隔离层。

具体的，采用化学气相淀积工艺，在N型4H-SiC衬底1的上表面淀积P 型4H-SiC材料，形成P型4H-SiC隔离层2。该步骤S1可以形象地用图4(a)来表示。

S2：在P型4H-SiC隔离层的上方淀积厚度为4μm～6μm的N型4H-SiC，形成N型4H-SiC外延层。

具体的，采用化学气相淀积工艺，在P型4H-SiC隔离层2的上表面淀积N 型4H-SiC材料，形成N型4H-SiC外延层3。该步骤S2可以形象地用图4(b)来表示。

S3：刻蚀N型4H-SiC外延层在水平方向的中部，形成倒梯形阳极凹槽。

具体的，采用干法刻蚀工艺，在N型4H-SiC外延层3在水平方向的中部进行刻蚀，形成倒梯形阳极凹槽。该步骤S3可以形象地用图4(c)来表示。

优选地，在刻蚀深度小于N型4H-SiC外延层的厚度的前提下，该倒梯形阳极凹槽的深度为1.5μm～2μm，底部宽度为5μm～10μm，底部内角的角度为 45°±10°。

S4：对倒梯形阳极凹槽的内角下方的N型4H-SiC外延层进行刻蚀，形成两个隔离槽，以及对N型4H-SiC外延层的两端顶部进行刻蚀，形成两个隔离区。

具体的，采用干法刻蚀工艺，对倒梯形阳极凹槽的内角下方的N型 4H-SiC外延层进行刻蚀，并对N型4H-SiC外延层的两端顶部进行刻蚀，分别形成隔离槽和隔离区。该步骤S4可以形象地用图4(d)来表示。

S5：在隔离区和隔离槽内均填满绝缘介质，形成电流疏导结构。

具体的，采用外延生长工艺，在隔离区和隔离槽内生长绝缘介质4。该步骤S5可以形象地用图4(e)来表示。

S6：针对每个隔离区和倒梯形阳极凹槽之间的N型4H-SiC外延层，在靠近该隔离区的部分注入N元素，形成N+注入区，并在靠近倒梯形阳极凹槽的部分注入Al元素，形成P+注入保护区。

具体的，针对每个隔离区和倒梯形阳极凹槽之间的N型4H-SiC外延层3，采用离子注入工艺，在靠近该隔离区的部分注入N元素形成N+注入区5，同样采用离子注入工艺在靠近倒梯形阳极凹槽的部分注入Al元素，形成P+注入保护区6。该步骤S6可以形象地用图4(f)来表示。

优选地，N+注入区的高度为0.3μm～0.5μm，宽度为5μm～10μm。

S7：在P+注入保护区的上表面生长第一钝化层，并在倒梯形阳极凹槽的底部生长第二钝化层。

这里，第一钝化层7和第二钝化层8均可以为SiO

该步骤S7可以形象地用图4(g)来表示。

S8：在N+注入区的上表面制作阴极欧姆接触金属层，然后进行热退火处理。

具体的，采用磁控溅射方法或电子束蒸发方法，在N+注入区5的上表面制作阴极欧姆接触金属层9，然后进行热退火处理；退火温度为950℃～1000℃，退火时间3分钟。该步骤S8可以形象地用图4(h)来表示。

S9：在第一钝化层靠近倒梯形阳极凹槽的部分表面、倒梯形阳极凹槽的表面以及第二钝化层的表面制作阳极肖特基接触金属层。

具体的，采用磁控溅射方法或电子束蒸发方法，在第一钝化层7靠近倒梯形阳极凹槽的部分表面、倒梯形阳极凹槽的表面以及第二钝化层8的表面制作阳极肖特基接触金属层10。

该步骤S9可以形象地用图4(i)来表示。

S10：在第一钝化层的剩余表面制作第三钝化层，并使第三钝化层向第一钝化层两侧相邻的阳极肖特基接触金属层和阴极欧姆接触金属层延伸。

具体的，如果第三钝化层11采用为聚酰亚胺钝化层，则可以直接在第一钝化层7的剩余表面旋涂聚酰亚胺，并将聚酰亚胺旋涂过界，以部分覆盖两侧相邻的阳极肖特基接触金属层10和阴极欧姆接触金属层9。如果采用 SiO

该步骤S10可以形象地用图4(j)来表示。

基于本发明实施例提供的SiC肖特基功率二极管的制备方法可见，该肖特基功率二极管对材料的需求难度低，所需制备工艺简单，制备成本不高，可实现3000V以上高压4H-SiC肖特基功率二极管的产品化。采用本发明实施例提供的方法所制备出的肖特基功率二极管可工作在3000V以上的高压下，且具有较高的正向导通能力、反向特性以及较低的表面漏电流和功耗，具有较高的可靠性。

可选地，在一种实现方式中，本发明实施例提供的制备方法还可以包括：在隔离区内填满的绝缘介质上方制作第四钝化层。由此，本发明实施例制作完成的SiC肖特基功率二极管的结构可以参见图2所示。

在隔离区内填满的绝缘介质上方制作第四钝化层，可以进一步降低SiC 肖特基功率二极管的表面漏电流。该第四钝化层的材质优选与第三钝化层的材质相同，此时第四钝化层可以与第三钝化层同时制备；具体的制作工艺参见第三钝化层的制作工艺，此处不再赘述。

需要说明的是，对于产品制备方法实施例而言，由于其基本相似于产品实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见产品实施例的部分说明即可。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。