提升单粒子烧毁能力的碳化硅二极管结构及制造方法

技术领域

本发明属于功率半导体器件技术领域，具体是一种提升单粒子烧毁能力的碳化硅二极管结构及其制造方法。

背景技术

碳化硅是一种化合物半导体，作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表之一，它拥有3倍于硅的禁带宽度，10倍于硅的临界击穿电场，2倍于硅的临界位移能并且还有电子饱和漂移速度高、热导率高等优点。利用碳化硅功率器件代替硅器件有利于减小电路体积和重量，简化电路结构，提升效率，这使得碳化硅功率器件在大功率、高温、高压电力电子领域尤其是航空航天领域有着广阔的应用前景。

空间辐射环境中有三种影响电子器件可靠性的辐射效应，分别是单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应。碳化硅较高的临界位移能使得碳化硅器件有较强的抗总剂量和抗位移损伤能力，但是碳化硅功率器件抗单粒子烧毁能力不足，现有碳化硅二极管在线性能量传递(LET)高于40MeV·cm

目前，国内外主要的商用碳化硅二极管内部结构采用结势垒肖特基二极管(JBS)和混合PiN肖特基二极管(MPS)，这两种结构在外延层表面离子注入形成P+岛，在器件承受反向偏压时，通过P+岛与N型漂移层形成耗尽区，减小漏电流，提升器件的反向耐压。但是这两种结构在单粒子辐照时，重离子在入射迹径上电离出的空穴在反偏电压作用下向阳极金属移动，并在金属-碳化硅接触层积累，诱发瞬时强电场从而形成热点，造成单粒子烧毁，因此亟需展开碳化硅JBS二极管单粒子效应加固研究。

发明内容

本发明的目的在于提出一种提升单粒子烧毁能力的碳化硅二极管结构及其制造方法，将典型的碳化硅JBS器件中的P+岛改为沟槽型P岛并在该沟槽侧壁形成肖特基接触，同时在沟槽型P岛内设置沟槽型N+岛。沟槽型N+岛、沟槽型P岛和N型CSL层形成NPN结构。一方面通过肖特基侧壁抽取重离子在入射迹径上产生的空穴，另一方面通过P岛等效电阻的压降触发NPN晶体管开启，在两种方式共同作用下，实现金属-碳化硅界面附近的空穴的快速抽取，降低空穴积累造成的瞬时强电场，避免热点的形成，克服现存的碳化硅二极管抗辐照能力差，单粒子辐照下易发生烧毁的问题。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种提升单粒子烧毁能力的碳化硅二极管结构，包括：N+衬底9，所述N+衬底9的上方依次设置N型缓冲层A8、N型缓冲层B7、N型缓冲层C6、和N-外延层5，所述N-外延层5上方设置N型电流扩展层CSL2，N型电流扩展层CSL2表面设置两个相隔一定间距的第一阶沟槽，两个第一阶沟槽内设置JBS接触P岛4，JBS接触P岛4侧表面不超过第一阶沟槽侧壁，在两个JBS接触P岛4上方设置JBS接触N+岛3，JBS接触N+岛3侧表面不超过JBS接触P岛4侧表面，且JBS接触N+岛3底面深度不超过JBS接触P岛4底面深度；分别在两个JBS接触N+岛3表面设置第二阶沟槽，第二阶沟槽底面深度不超过JBS接触N+岛3底面深度，第二阶沟槽侧表面不超过JBS接触N+岛3侧表面；在器件上表面淀积阳极金属1，阳极金属1和N型电流扩展层CSL2形成肖特基接触，和JBS接触N+岛3及JBS接触P岛4形成欧姆接触，在N+衬底9下方淀积阴极金属10，且阴极金属10和N+衬底9形成欧姆接触。

作为优选方式，N型缓冲层A8、N型缓冲层B7、N型缓冲层C6浓度依次降低。

作为优选方式，所述N型电流扩展层CSL2浓度大于N-外延层5浓度。

作为优选方式，所述沟槽JBS接触P岛4在刻蚀第一阶沟槽后离子注入Al形成。

作为优选方式，所述沟槽JBS接触N+岛3在离子注入N后刻蚀沟槽形成。

作为优选方式，所述阳极金属1在JBS接触P岛4、JBS接触N+岛3和N型电流扩展层CSL2形成。

进一步的，所述N-外延层5浓度和厚度由器件电压等级决定。

本发明还提供一种所述提升单粒子烧毁能力的碳化硅二极管结构的制造方法，包括以下步骤：

第一步：选取碳化硅材料作为N+衬底层，在N+衬底上外延生长三层N型缓冲层，从下至上缓冲层的浓度依次降低；

第二步：在N型缓冲层上生长N-外延层；

第三步：在N-外延层表面通过注入N离子形成N型电流扩展层CSL；

第四步：在N型电流扩展层CSL表面利用干法刻蚀形成第一阶沟槽结构，设置沟槽间距；

第五步：在第一阶沟槽表面通过注入Al离子形成P岛，其中，P岛侧表面不超过第一阶沟槽侧壁；

第六步：在P岛表面离子注入形成N+岛，其中N+岛下表面和侧表面均在P岛内部；

第七步：在N+岛表面利用干法刻蚀形成第二阶沟槽结构，其中，第二阶沟槽深度不超过N+岛深度，且第二阶沟槽侧壁位于N+岛内部；

第八步：在器件上表面和下表面淀积金属，其中N+衬底的下表面采用欧姆金属形成阴极金属，上表面形成阳极金属，其中JBS接触P岛、JBS接触N+岛表面采用欧姆接触，第一阶沟槽侧壁及CSL层上表面采用肖特基接触。

本发明在典型的碳化硅JBS器件中将原本的P岛改为沟槽型P岛，在沟槽型P岛内设置沟槽型N+岛，增加三层N型缓冲层和一层N型CSL层。沟槽型N+岛、沟槽型P岛和N型CSL层形成NPN结构。反向阻断状态下，重离子射入该器件并在入射迹径上电离出大量载流子，在反偏电压作用下，空穴向阳极金属移动并在金属-碳化硅接触层积累，本发明一方面通过第一阶沟槽侧壁抽取空穴，另一方面通过P岛等效电阻的压降触发NPN晶体管开启，在两种方式共同作用下，实现金属-碳化硅界面附近的空穴的快速抽取，降低空穴积累造成的瞬时强电场，避免热点的形成，防止单粒子烧毁的发生。

附图说明

图1为本发明中的一种提升单粒子烧毁能力的碳化硅二极管结构示意图。

图2为本发明中在N+衬底上生长三层N-缓冲层和N-外延层的示意图。

图3为本发明中在N-外延层离子注入N或外延形成N型CSL层的示意图。

图4为本发明中在CSL层表面通过干法刻蚀形成第一阶沟槽的示意图。

图5为本发明中在第一阶沟槽内离子注入Al形成JBS接触P岛的示意图。

图6为本发明中在JBS接触P岛表面离子注入N形成JBS接触N+岛的示意图。

图7为本发明中在JBS接触N+岛表面通过干法刻蚀形成第二阶沟槽的示意图。

图8为本发明中在器件下表面淀积阴极金属，上表面淀积阳极金属的示意图。

图9为本发明中提升单粒子烧毁能力的碳化硅二极管和传统JBS二极管的单粒子辐照下器件表面热点温度对比图。

1为阳极金属、2为N型电流扩展层CSL、3为JBS接触N+岛、4为JBS接触P岛、5为N-外延层、6为N型缓冲层C、7为N型缓冲层B、8为N型缓冲层A、9为N+衬底、10为阴极金属。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图1所示，本实施例提供一种提升单粒子烧毁能力的碳化硅二极管结构，包括：N+衬底9，所述N+衬底9的上方依次设置N型缓冲层A8、N型缓冲层B7、N型缓冲层C6、和N-外延层5，所述N-外延层5上方设置N型电流扩展层CSL2，N型电流扩展层CSL2表面设置两个相隔一定间距的第一阶沟槽，两个第一阶沟槽内设置JBS接触P岛4，JBS接触P岛4侧表面不超过第一阶沟槽侧壁，在两个JBS接触P岛4上方设置JBS接触N+岛3，JBS接触N+岛3侧表面不超过JBS接触P岛4侧表面，且JBS接触N+岛3底面深度不超过JBS接触P岛4底面深度；分别在两个JBS接触N+岛3表面设置第二阶沟槽，第二阶沟槽底面深度不超过JBS接触N+岛3底面深度，第二阶沟槽侧表面不超过JBS接触N+岛3侧表面；在器件上表面淀积阳极金属1，阳极金属1和N型电流扩展层CSL2形成肖特基接触，和JBS接触N+岛3及JBS接触P岛4形成欧姆接触，在N+衬底9下方淀积阴极金属10，且阴极金属10和N+衬底9形成欧姆接触。

N型缓冲层A8、N型缓冲层B7、N型缓冲层C6浓度依次降低。

所述N型电流扩展层CSL2浓度大于N-外延层5浓度。

所述沟槽JBS接触P岛4在刻蚀第一阶沟槽后离子注入Al形成。

所述沟槽JBS接触N+岛3在离子注入N后刻蚀沟槽形成。

所述阳极金属1在JBS接触P岛4、JBS接触N+岛3和N型电流扩展层CSL2形成。

本实施例还提供一种所述提升单粒子烧毁能力的碳化硅二极管结构的制造方法，包括以下步骤：

第一步：选取碳化硅材料作为N+衬底层，在N+衬底上外延生长三层N型缓冲层，从下至上缓冲层的浓度依次降低；如图2所示；

第二步：在N型缓冲层上生长N-外延层；如图2所示；

第三步：在N-外延层表面通过注入N离子形成N型电流扩展层CSL；如图3所示；

第四步：在N型电流扩展层CSL表面利用干法刻蚀形成第一阶沟槽结构，设置沟槽间距；如图4所示；

第五步：在第一阶沟槽表面通过注入Al离子形成P岛，其中，P岛侧表面不超过第一阶沟槽侧壁；如图5所示；

第六步：在P岛表面离子注入形成N+岛，其中N+岛下表面和侧表面均在P岛内部；如图6所示；

第七步：在N+岛表面利用干法刻蚀形成第二阶沟槽结构，其中，第二阶沟槽深度不超过N+岛深度，且第二阶沟槽侧壁位于N+岛内部；如图7所示；

第八步：在器件上表面和下表面淀积金属，其中N+衬底的下表面采用欧姆金属形成阴极金属，上表面形成阳极金属，其中JBS接触P岛、JBS接触N+岛表面采用欧姆接触，第一阶沟槽侧壁及CSL层上表面采用肖特基接触。如图8所示；

N-外延层5根据器件的电压等级确定具体浓度和厚度。

N型电流扩展层CSL2根据器件的导通压降确定浓度和深度。

JBS接触P岛4的浓度由阳极金属1确定，确保阳极金属1和JBS接触P岛4形成欧姆接触，和N型电流扩展层CSL2形成肖特基接触。

JBS接触N+岛3的浓度由阳极金属1确定，确保阳极金属1和JBS接触N+岛3形成欧姆接触。

本发明的工作原理为：

当阳极接高电平、阴极接低电平时，JBS接触P岛和N型CSL层形成的PN结和肖特基二极管正向导通。

当阳极接低电平、阴极接高电平时，器件处于反向阻断状态，N-外延层及空间电荷区承受高电压。当重离子射入该器件并在入射迹径上电离出大量载流子时，一方面，第一阶沟槽通过沟槽侧壁抽取空穴，另一方面，通过P岛等效电阻的压降触发NPN结构开启，在两种方式共同作用下，实现金属-碳化硅界面附近的空穴的快速抽取，降低空穴积累造成的瞬时强电场，防止单粒子烧毁的发生。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。