本發(fā)明屬于碳化硅半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體涉及一種碳化硅半導(dǎo)體器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

碳化硅(SiC)作為一種新興的第三代半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的物理和電學(xué)特性。在電動汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、綠色能源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

SiC IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)器件兼具M(jìn)OSFET(金氧半場效晶體管)器件開關(guān)速度快和BJT(雙極型三極管)器件導(dǎo)通電阻小的特點，在電力電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過利用漂移區(qū)電導(dǎo)調(diào)制作用，IGBT的漂移區(qū)電阻相對于MOSFET大幅降低。作為一種功率器件，IGBT需要更厚、更低摻雜的外延漂移區(qū)支撐更高的電壓，因此SiC IGBT器件的漂移區(qū)壓降仍然較高，限制了SiC IGBT器件的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的在于提供一種碳化硅半導(dǎo)體器件及其制備方法，以解決上述的至少一項技術(shù)問題。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種碳化硅半導(dǎo)體器件，由多個元胞并聯(lián)形成，各所述元胞結(jié)構(gòu)包括：

一p+襯底；

一外延層，位于所述p+襯底之上；

兩個離子注入的n勢壘區(qū)，分別疊置于所述外延層上兩側(cè)；

兩個離子注入的p+屏蔽區(qū)，分別疊置在各所述n勢壘區(qū)之上；

兩個p+基區(qū)，分別與各所述p+屏蔽區(qū)相鄰；

兩個n+源區(qū)，分別疊置在各所述p+基區(qū)之上，且與所述p+基區(qū)相鄰。

優(yōu)選地，所述元胞結(jié)構(gòu)還包括：

一集電極層，位于所述p+襯底之下；

兩個發(fā)射極，分別位于各所述p+基區(qū)和各n+源區(qū)之上；

一柵氧化層，位于所述兩個n+源區(qū)之上；

一柵電極，位于所述柵氧化層之上。

優(yōu)選地，所述n勢壘區(qū)的注入離子為N或者P，注入離子的摻雜濃度為5×10¹⁶cm^-3～3×10¹⁷cm^-3，其中3×10¹⁷也可以表示為3.00E+017。

優(yōu)選地，兩個所述n勢壘區(qū)的間距(即勢壘間距)為1μm～8μm。

優(yōu)選地，所述p+屏蔽區(qū)的注入離子為Al或者B，注入離子的摻雜濃度為5×10¹⁷cm^-3～1×10¹⁹cm^-3。

優(yōu)選地，兩個所述p+屏蔽區(qū)的間距為8μm～16μm。

優(yōu)選地，所述外延層包括：n緩沖層和n-漂移區(qū)，所述n緩沖層位于所述p+襯底上方，n-漂移區(qū)位于n緩沖層上方；所述n緩沖層厚度為1μm～5μm，注入離子包括N或者P，注入離子的摻雜濃度為5×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁸cm^-3；n-漂移區(qū)厚度大于100μm，注入離子包括N或者P，注入離子的摻雜濃度小于5×10¹⁴em^-3。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種碳化硅半導(dǎo)體器件的制備方法，包括：

S1、在p+襯底上生長外延層；

S2、在所述外延層上通過離子注入在外延層兩側(cè)形成n勢壘區(qū)；

S3、在各所述n勢壘區(qū)上通過離子注入形成p+屏蔽區(qū)；

S4、在各所述p+屏蔽區(qū)上通過離子注入形成n+源區(qū)；

S5、在各n+源區(qū)的外側(cè)通過離子注入形成p+基區(qū)。

優(yōu)選地，步驟S5之后還包括：

S61、在所述n+源區(qū)上通過生長柵氧化層；

S62、在所述柵氧化層兩側(cè)生長發(fā)射極；

S63、在所述柵氧化層上生長柵電極；

S64、在所述p+襯底下方生長集電極層。

優(yōu)選地，在所述步驟S2～S5中離子注入后均退火激活，且退火激活的溫度均為1500℃以上。

(三)有益效果

本發(fā)明提供的碳化硅半導(dǎo)體器件，相較于常規(guī)IGBT器件，有以下優(yōu)點：

1、該碳化硅半導(dǎo)體器件可應(yīng)用于高壓領(lǐng)域，具有良好的導(dǎo)通特性和開關(guān)特性。該結(jié)構(gòu)具有制備過程與現(xiàn)有工藝兼容，器件導(dǎo)通特性明顯優(yōu)于常規(guī)的碳化硅IGBT的特點。

2、本發(fā)明在常規(guī)IGBT器件的基礎(chǔ)上，利用離子注入，在器件內(nèi)部形成空穴勢壘，提高發(fā)射極注入比，形成注入增強效應(yīng)，大幅提高器件導(dǎo)通性能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的元胞結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例的步驟流程圖；

圖3為本發(fā)明實施例的碳化硅器件和常規(guī)碳化硅IGBT器件的輸出特性曲線對比示意圖；

圖4A為本發(fā)明實施例的碳化硅器件在正向?qū)顟B(tài)下器件頂部的電子分布圖；

圖4B為常規(guī)碳化硅IGBT器件在正向?qū)顟B(tài)下器件頂部的電子分布圖；

圖5為本發(fā)明實施例的碳化硅器件阻斷電壓隨n勢壘區(qū)摻雜和勢壘間距改變的示意圖。

具體實施方式

在本發(fā)明中，“上”、“下”、“相鄰”、“之下”或“之上”等方向用語，僅是參考附加圖式的方向，其中“上”、“下”、“之下”或“之上”表示與單一或多個元件間的接觸與非接觸。使用的這些方向用語是用來說明，而并非用來限制本發(fā)明。

為降低碳化硅IGBT器件的高漂移區(qū)電阻，降低器件的導(dǎo)通壓降，提高碳化硅IGBT器件的導(dǎo)通能力。本發(fā)明提供了一種碳化硅器件結(jié)構(gòu)，該器件可應(yīng)用于高壓狀態(tài)如牽引傳動及智能電網(wǎng)等場合，此外該器件還能大幅增加器件導(dǎo)通過程中漂移區(qū)的載流子濃度，使器件導(dǎo)通時具有極低的漂移區(qū)導(dǎo)通電阻。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明實施例的一方面，提供了一種碳化硅半導(dǎo)體器件，由多個元胞并聯(lián)形成，圖1為本發(fā)明實施例的元胞結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，每個元胞結(jié)構(gòu)包括：一p+襯底1；一外延層，位于所述p+襯底1之上，包括n緩沖層2和n-漂移區(qū)3；兩個離子注入的n勢壘區(qū)8，分別疊置于所述外延層上兩側(cè)；兩個離子注入的p+屏蔽區(qū)7，分別疊置在各所述n勢壘區(qū)8之上；兩個p+基區(qū)6，分別與各所述p+屏蔽區(qū)7相鄰；兩個n+源區(qū)5，分別疊置在各所述p+基區(qū)6之上，且與所述p+基區(qū)6相鄰；一集電極層10，位于所述p+襯底1之下；兩個發(fā)射極9，分別位于各所述p+基區(qū)6和各n+源區(qū)5之上；一柵氧化層4，位于所述兩個n+源區(qū)5之上；一柵電極11，位于所述柵氧化層4之上。

其中，所述p+襯底1、p+屏蔽區(qū)7、n+源區(qū)5和p+基區(qū)6為重?fù)诫s區(qū)域，所述n緩沖層2和n勢壘區(qū)8為中摻雜區(qū)域，所述n-漂移區(qū)3為輕摻雜區(qū)域。

本發(fā)明實施例提供了一種可以在30kV下工作的碳化硅器件結(jié)構(gòu)。本發(fā)明實施例的p+襯底1選擇常規(guī)IGBT器件的p+襯底，同時，柵氧化層4的厚度選擇40nm。

所述n勢壘區(qū)8通過離子注入后退火激活形成，可以選擇N或P作為注入離子，注入離子的摻雜濃度為5×10¹⁶cm^-3至3×10¹⁷cm^-3，所述兩個n勢壘區(qū)8的間距W_n為1μm至8μm，通過改變n勢壘區(qū)8的摻雜濃度和n勢壘區(qū)8的間距，可以在導(dǎo)通電阻和關(guān)斷損耗之間做出優(yōu)選。n勢壘區(qū)8較薄，因此只需通過一次離子注入形成埋層，埋層頂部距離SiC晶片上表面0.7μm，底部距離晶片上表面0.9μm。本發(fā)明實施例選擇P作為注入離子，且P的摻雜濃度為2×10¹⁷cm^-3，所述兩個n勢壘區(qū)8的間距W_n選擇4μm。

所述p+屏蔽區(qū)7通過離子注入后退火激活形成，可以選擇Al或B作為注入離子，注入離子的摻雜濃度為5×10¹⁷cm^-3至1×10¹⁹cm^-3，通過改變p+屏蔽區(qū)7的摻雜濃度，可以獲得合適的閾值電壓。所述兩個p+屏蔽區(qū)7的間距W_p+為8μm至16μm，影響器件的溝道密度和JFET區(qū)電阻，通過優(yōu)化p+屏蔽區(qū)7的間距W_p+和注入離子的摻雜濃度，可以獲得導(dǎo)通特性最優(yōu)的器件結(jié)構(gòu)。此外，器件依靠p+屏蔽區(qū)7的耗盡隔斷n-漂移區(qū)3和n+源區(qū)5，施加正柵壓后耗盡區(qū)寬度減小，形成積累型溝道。相比于反型溝道，該積累型溝道具有更高的溝道載流子遷移率。p+屏蔽區(qū)7較厚，因此需要通過三次離子注入形成均勻摻雜的埋層，本發(fā)明實施例選擇Al作為注入離子，且Al的摻雜濃度為2×10¹⁸cm^-3，所述兩個p+屏蔽區(qū)7的間距W_p+選擇10μm，埋層頂部距離SiC晶片上表面0.2μm，底部距離晶片上表面0.7μm。

所述n+源區(qū)5和p+基區(qū)6也是通過離子注入后退火激活形成，所述n+源區(qū)5選擇N或者P作為注入離子，所述兩個n+源區(qū)5的間距W_n+為12～18μm，p+基區(qū)6選擇選擇Al或B作為注入離子，注入離子的摻雜濃度均大于1×10¹⁹cm^-3。本發(fā)明實施例中，n+源區(qū)5選擇P作為注入離子，所述兩個n+源區(qū)5的間距W_n+為12μm，且注入離子的摻雜濃度為5×10¹⁹cm^-3，p+基區(qū)6選擇Al作為注入離子，且注入離子的摻雜濃度為5×10¹⁹cm^-3，寬度為2μm。

通過外延的方法在p+襯底1上生長所述外延層，包括：n緩沖層2和n-漂移區(qū)3，所述n緩沖層2位于p+襯底1上方，n-漂移區(qū)3位于n緩沖層2上方。所述n緩沖層2厚度為1μm～5μm，注入離子為N或者P，注入離子的摻雜濃度為5×10¹⁶cm^-3至1×10¹⁸cm^-3；n-漂移區(qū)3厚度大于100μm，注入離子為N或者P，注入離子的摻雜濃度小于5×10¹⁴cm^-3。且對應(yīng)越高阻斷電壓要求的器件，選取n-漂移區(qū)3的厚度越厚，摻雜越低。本發(fā)明實施例中，所述n緩沖層2厚度為2μm，注入離子為P，注入離子的摻雜濃度為2×10¹⁷cm^-3；n-漂移區(qū)3厚度為250μm，注入離子為P，注入離子的摻雜濃度為1.8×10¹⁴cm^-3。

此外，本實施例中的p+基區(qū)6深度大于所述n+源區(qū)5，可以減少閂鎖效應(yīng)。

本發(fā)明實施例的另一方面，還提供了一種碳化硅半導(dǎo)體器件的制備方法，圖2為本發(fā)明實施例的步驟流程圖，如圖2所示，所述方法包括：

S1、在p+襯底上生長外延層；

S2、在所述外延層上通過離子注入在外延層兩側(cè)形成n勢壘區(qū)；

S3、在各所述n勢壘區(qū)上通過離子注入形成p+屏蔽區(qū)；

S4、在各所述p+屏蔽區(qū)上通過離子注入形成n+源區(qū)；

S5、在各n+源區(qū)的外側(cè)通過離子注入形成p+基區(qū)，其中，所述外側(cè)指所述器件的兩端。

其中，所述n勢壘區(qū)、p+屏蔽區(qū)、n+源區(qū)和p+基區(qū)都是通過離子注入后退火激活形成，激活退火溫度為1500℃以上。本發(fā)明實施例的激活退火溫度選擇1800℃。

更進(jìn)一步地，步驟S5之后還包括：

S61、在所述n+源區(qū)上生長柵氧化層；

S62、在所述柵氧化層兩側(cè)生長發(fā)射極；

S63、在所述柵氧化層上生長柵電極；

S64、在所述p+襯底下方生長集電極層。

其中，所述柵氧化層的制作工藝可以為熱氧化，電極的制作工藝可以為蒸發(fā)電極或者濺射，本發(fā)明實施例采用蒸發(fā)電極實現(xiàn)柵電極、發(fā)射極和集電極的制作。

圖3為本發(fā)明實施例的碳化硅器件和常規(guī)碳化硅IGBT器件的輸出特性曲線對比示意圖，兩者具有相同的外延層結(jié)構(gòu)，在300W/cm²功耗限制下，本發(fā)明碳化硅器件的導(dǎo)通電阻相比于常規(guī)碳化硅IGBT器件減小45％。由此可見，本發(fā)明的碳化硅半導(dǎo)體器件，相比于常見的碳化硅IGBT器件，具有導(dǎo)通電阻明顯大幅減小的特點。

圖4A為本發(fā)明實施例的碳化硅器件在正向?qū)顟B(tài)下器件頂部的電子分布圖，圖4B為常規(guī)碳化硅IGBT器件在正向?qū)顟B(tài)下器件頂部的電子分布圖，如圖4A和圖4B所示，由于n勢壘區(qū)與n-漂移區(qū)之間內(nèi)建勢的存在，導(dǎo)通狀態(tài)下，空穴電流受到該內(nèi)建勢的阻礙，使得本發(fā)明器件的發(fā)射極電子電流與空穴電流的比例相比于常規(guī)IGBT器件增加，形成發(fā)射極注入增強效應(yīng)，導(dǎo)致本發(fā)明器件漂移區(qū)內(nèi)載流子濃度高于常規(guī)碳化硅IGBT器件，即器件漂移區(qū)內(nèi)電導(dǎo)調(diào)制現(xiàn)象更為明顯。

圖5為本發(fā)明實施例的碳化硅器件阻斷電壓隨n勢壘區(qū)摻雜和勢壘間距改變的示意圖，如圖5所示，隨著n勢壘區(qū)摻雜的提高，碳化硅材料內(nèi)最大場強提高，使得器件的阻斷特性下降；隨著勢壘間距的減小，柵氧化層內(nèi)的最大場強提高，同樣使得器件的阻斷特性下降。此外，通過仿真優(yōu)化可以得到合適的n勢壘區(qū)注入離子的摻雜濃度及勢壘間距。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。