本發(fā)明涉及一種N型碳化硅半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，更具體地說(shuō)是涉及一種N型碳化硅肖特基二極管的新結(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(chǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，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(gè)數(shù)量級(jí)。而且，碳化硅熱穩(wěn)定性極好，本征溫度可達(dá)800℃以上，它保證了在高溫工作時(shí)的長(zhǎng)期可靠性。通過(guò)分析優(yōu)值，如Johnson優(yōu)值(JFOM-通過(guò)材料的擊穿電場(chǎng)、飽和電子漂移速度來(lái)反映相應(yīng)器件的高功率、高頻率性能)、Keyes優(yōu)值(KFOM-通過(guò)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(kāi)關(guān)速度和熱限制)及熱優(yōu)值(QFOM-通過(guò)材料的擊穿電場(chǎng)、擊穿電場(chǎng)及熱導(dǎo)率反映相應(yīng)器件的散熱性能)，會(huì)發(fā)現(xiàn)碳化硅SiC這幾個(gè)優(yōu)值都比現(xiàn)在常用的半導(dǎo)體材料高出很多，是實(shí)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(chǎng)較高，是硅材料的8倍，這對(duì)功率器件甚為關(guān)鍵。導(dǎo)通電阻 是與擊穿電場(chǎng)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(yù)為帶動(dòng)“新能源革命”的“綠色能源”器件。用碳化硅SiC所制造出來(lái)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(diǎn)，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)。

600V和1200V N型碳化硅肖特基二極管是最早商品化的碳化硅器件，一般的碳化硅N型肖特基二極管的器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，這結(jié)構(gòu)的組成主要可以分為有源區(qū)與終端區(qū)，有源區(qū)由肖特基金屬接觸與PN結(jié)並連，終端區(qū)由場(chǎng)限環(huán)組成。因?yàn)樘蓟鑀N結(jié)的導(dǎo)通電壓一般大于3V而肖特基金屬接觸的導(dǎo)通電壓是1V左右，當(dāng)正向?qū)妷荷儆?V時(shí)，導(dǎo)通電流主要是電子電流從襯底的陽(yáng)極流經(jīng)肖特基勢(shì)壘進(jìn)入表面陰極電極，所以是單一載流子器件。當(dāng)器件處于反向偏置時(shí)，電子嘗試從表面跨越肖特基勢(shì)壘而進(jìn)入碳化硅半導(dǎo)體內(nèi)，在一般反偏置不是很大時(shí)，在表面電極內(nèi)只有非常小的一部份電子能獲得足夠能量跨越勢(shì)壘進(jìn)入碳化硅半導(dǎo)體內(nèi)而形成反向漏電流的一部份，當(dāng)反偏較大時(shí)，有源區(qū)里的P型摻雜區(qū)的耗盡層會(huì)連接起來(lái)把表面的肖特基金屬接觸屏蔽起來(lái)，使得表面電極里的電子更難進(jìn)入碳化硅半導(dǎo)體內(nèi)，從而使得碳化硅肖特基二極管反向時(shí)，除了漏電流外是不導(dǎo)電的，所以肖特基二極管便成為單向?qū)ㄆ骷?。要形成圖1的器件結(jié)構(gòu)是要在碳化硅體內(nèi)形成P型摻雜區(qū)的?；谔蓟鑃iC的鍵強(qiáng)度高，雜質(zhì)擴(kuò)散所要求的溫度(＞1800℃)，大大超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)器件工藝的條件，所以器件制 作工藝中的摻雜不能采用擴(kuò)散工藝，只能利用外延控制摻雜和高溫離子注入摻雜。

外延摻雜可利用碳化硅源氣體流量變化，使摻雜濃度控制在從輕摻雜(10¹⁴/cm³)到簡(jiǎn)并摻雜(＞10¹⁹/cm³)的范圍。硅烷、丙烷是碳化硅SiC典型的外延氣體源。6H-SiC在硅(Si)面N型襯底上同質(zhì)外延典型的生長(zhǎng)速率為3μm/h。在生長(zhǎng)反應(yīng)室中，通過(guò)調(diào)節(jié)氣體源的比例來(lái)進(jìn)行位置競(jìng)爭(zhēng)外延，使雜質(zhì)位于晶格位置。在碳(C)面襯底上的生長(zhǎng)則不同，但對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)制尚無(wú)深刻了解。

因?yàn)椴荒懿捎脭U(kuò)散工藝摻雜，離子注入工藝在器件制作中非常重要。鋁(Al)和硼(B)為典型的P型摻雜元素，產(chǎn)生相對(duì)深的受主能級(jí)(分別為211meV和300meV)，Al的電離能小于B的電離能，Al要求的激活溫度比B低；而B(niǎo)原子比Al原子輕，注入引起的損傷較少，且注入范圍更深，應(yīng)根據(jù)器件工藝要求來(lái)選擇注入元素。

可是，當(dāng)離子注入碳化硅過(guò)大時(shí)，會(huì)引致晶格損傷，形成非晶化的結(jié)構(gòu)，大大降低碳化硅原有的性能。為了減少注入離子時(shí)所引起的晶格損傷和非晶化結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，在注入離子時(shí)需對(duì)襯底加上高溫，一般對(duì)N注入時(shí)需要約650℃，在對(duì)Al注入時(shí)需要約700～800℃。注入后，還需要經(jīng)過(guò)高溫退火熱處理(＞1300℃)，把注入的離子激活，同時(shí)令注入離子時(shí)所引起的的晶格損傷復(fù)原。由于SiC的鍵強(qiáng)度高，需要在高溫下才能產(chǎn)生晶格空缺，讓摻雜離子填入，獲得激活。文獻(xiàn)報(bào)道了退火溫度1300℃得到少于10％激活率；當(dāng)溫度大于1600℃時(shí)，激活率才會(huì)超過(guò)95％。

當(dāng)溫度大于1300℃時(shí)，SiC內(nèi)的Si會(huì)蒸發(fā)出來(lái)，器件晶圓表面亦會(huì)粗化，令器件效能降低?，F(xiàn)有的工藝是在晶圓最頂層表面沉積碳化硅(SiC)或石墨(C) 層作為保護(hù)，然后才進(jìn)行退火熱處理，退火后要把石墨層清除掉，形成P型摻雜區(qū)是關(guān)鍵的步驟，也是很增加成本的步驟，若果N型碳化硅肖特基二極管結(jié)構(gòu)不需要P型摻雜區(qū)，制作成本上便可以大為降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種能避免上述不足而實(shí)用可行的一種有關(guān)N型碳化硅肖特基二基極管的有源區(qū)結(jié)構(gòu)和終端區(qū)結(jié)構(gòu)。使用本發(fā)明來(lái)制作N型肖特基二極管時(shí)可以不用注入P型摻雜區(qū)，也不用在N型外延層上長(zhǎng)P型外延層，這可大大降低器件的制作成本。一般肖特基二極管的有源區(qū)或是終端區(qū)都是用P型摻雜區(qū)來(lái)擴(kuò)展反向偏置時(shí)的耗盡層，避免耗盡層過(guò)于集中，即避免電場(chǎng)過(guò)度集中而引起器件局部提早擊穿。本發(fā)明的核心思想是不用P型摻雜區(qū)來(lái)擴(kuò)展器件在反向偏置時(shí)的耗盡層，而改用溝槽結(jié)構(gòu)，這溝槽的深度為0.5um至6.0um之間，寬度為0.5um至4.0um之間，溝槽內(nèi)壁(側(cè)邊和底部)有一層介質(zhì)層物質(zhì)如二氧化硅或氮化硅等，厚度為0.01um至1um，側(cè)邊的厚度與底部的厚度可以各自獨(dú)立選取，有源區(qū)的溝槽與終端區(qū)溝槽可以各自獨(dú)立選取其特征，中間填以導(dǎo)電物質(zhì)如摻雜或非摻雜多晶硅或難容金屬等。這種溝槽結(jié)構(gòu)之所以能夠擴(kuò)展外延層，因?yàn)楫?dāng)電場(chǎng)力線穿過(guò)溝槽介質(zhì)后遇到溝槽中的導(dǎo)電物質(zhì)時(shí)，電場(chǎng)力線無(wú)法穿越導(dǎo)電物質(zhì)而繞道到旁邊未耗盡的區(qū)域從而擴(kuò)展了耗盡層，在圖1中的有源區(qū)，溝槽結(jié)構(gòu)在器件處于電壓反偏置時(shí)能使耗盡層很快便擴(kuò)展並連合起來(lái)而屏蔽掉肖特基金屬接觸，使反向電壓只有一小部份落在肖特基勢(shì)壘上，這會(huì)使得反向時(shí)的漏電流大為減少。在終端區(qū)處，如果沒(méi)有任何終端結(jié)構(gòu)處，如圖2所示，在反向偏置時(shí)，電場(chǎng)會(huì)集中在有源區(qū)的邊緣的表面處使器件提早擊穿。 假如在終端處恰當(dāng)?shù)奈恢梅派弦陨纤f(shuō)的溝槽結(jié)構(gòu)，這些溝槽單元會(huì)使反置時(shí)的耗盡層不至太集中而擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，最終使器件達(dá)至最優(yōu)化亦即最大的擊穿電壓。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是能大為降低產(chǎn)品的研發(fā)周期，並使生產(chǎn)工序更簡(jiǎn)單易做，大大降低生產(chǎn)成本，並提高器件的性?xún)r(jià)比。

附圖說(shuō)明

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

圖1是一般肖特基二極管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是沒(méi)有任何終端結(jié)構(gòu)的肖特基二極管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例在表面上形成氧化層100和光刻涂層200的橫切面示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例在表面暴露出溝槽開(kāi)孔示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例在溝槽內(nèi)完成犧牲性氧化層示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例在清除掉外延層表面上的氧化層和多晶硅層示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例形成接觸孔示意圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)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9是本發(fā)明實(shí)施例在碳化硅器件表面完成鋁合金層的示意圖。

參考符號(hào)表：

10 N型碳化硅襯底

20 碳化硅N型外延層

30 二氧化硅層

39 N型碳化硅體內(nèi)的P型摻雜區(qū)

40 P型高摻雜的多晶硅

50 層間介質(zhì)

60 Ni金屬層(肖特基金屬接觸)

70 鋁合金層

100 二氧化硅層

200 光刻涂層

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例：

如圖3所示，首先將N型碳化硅外延層20置于N型碳化硅襯底10的上方，接著在外延層的上面采用積淀方式形成二氧化硅(SiO2)層100(厚度為0.01um至2um氧化物硬光罩)，在氧化層上再積淀一層光刻涂層200。

如圖4所示，然后通過(guò)溝槽掩模形成圖案暴露出氧化層的一些部分，接著對(duì)溝槽掩模形成圖案暴露出的氧化層進(jìn)行干蝕后，暴露出外延層。

如圖5所示，然后清除掉光刻涂層，接著通過(guò)蝕刻形成溝槽(深度為0.5um至6.0um，寬度為0.1um至4.0um)，然后對(duì)溝槽進(jìn)行犧牲性氧化(時(shí)間為10分鐘至100分鐘，溫度為1000℃至1200℃)，以消除在開(kāi)槽過(guò)程中被等離子破壞的碳化硅層。

如圖6所示，然后清除掉外延層表面和溝槽內(nèi)所有氧化層，接著通過(guò)沉積方式，在溝槽暴露著的側(cè)壁和底部，和外延層的上表面形成一層二氧化硅層30(厚度為0.01um至1um)，接著在溝槽中和外延層的上表面沉積P型高摻雜劑的多晶硅40，多晶硅摻雜濃度為R_S＝15Ω/□至100Ω/□(方阻)，以填充溝槽并覆蓋頂面，然后對(duì)在外延層表面上的氧化層和多晶硅層進(jìn)行平面腐蝕處理或化學(xué)機(jī)械，最終清除掉外延層表面上的氧化層。

如圖7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(wú)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)50，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(duì)暴露出的部分層間介質(zhì)進(jìn)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(kāi)孔。

如圖8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60，接著清除掉光刻涂層，藉著Life-off方法，在剝離光刻涂層時(shí)把不需要的Ni金屬層去掉。

如圖9所示，對(duì)Ni金屬層進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐嘶鸸に噥?lái)使Ni金屬在碳化硅表面形成肖特基金屬接觸，接著在該器件的上面沉積一層鋁合金70(厚度為0.8um至10um)，然后通過(guò)金屬掩模進(jìn)行金屬浸蝕，形成發(fā)射區(qū)金屬墊層和和終端區(qū)場(chǎng)板。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上僅為本發(fā)明的實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明的有源區(qū)結(jié)構(gòu)可用于涉及制造N型碳化硅肖特基二極管，本發(fā)明亦可用于P型器件，本發(fā)明的終端區(qū)結(jié)構(gòu)可用于涉及制造N型碳化硅器件包括肖特基二極管，或絕緣柵晶體管(MOS)，或絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或PiN二極管。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之。