应用于碳化硅大尺寸高压器件的小角度倾斜台面终端结构制造技术

本实用新型专利技术提供了一种应用于碳化硅大尺寸高压器件的小角度倾斜台面终端结构，此类高压器件包括SiC GTO、SiC PiN以及其他使用小角度倾斜台面终端结构的SiC器件；本实用新型专利技术的刻蚀技术使用厚光刻胶作为掩膜方式及实现了大面积的光刻胶均匀回流，依据光刻胶回流条件的不同，刻蚀出的SiC小角度倾斜台面底角可在0°~20°之间。根据不同类型器件对倾斜台面刻蚀深度的不同可使用该刻蚀技术制成单一倾斜台面刻蚀终端结构或多次使用形成多级的倾斜台面刻蚀终端结构。本实用新型专利技术相较于其他多台面终端刻蚀方案工艺得到了显著简化且由于该方案是理想的斜坡其对器件边缘场强聚集的抑制效果理论上也要优于其他近似方案。

【技术实现步骤摘要】
应用于碳化硅大尺寸高压器件的小角度倾斜台面终端结构
本技术涉及一种可应用于碳化硅大尺寸高压器件的新型小角度倾斜台面终端结构及其制备方法，属于半导体电力电子器件

技术介绍
以碳化硅（SiC）材料为代表的宽禁带半导体材料是近年来在国内外都广受重视和被重点发展的新型第三代半导体材料，具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、临界击穿场强大、抗辐照及高工作温度等特点，目前SiC材料的外延生长技术在宽禁带半导体材料中是相对发展较为成熟的，其非常适合用来制备各类性能优良的功率电子器件。作为宽禁带半导体的SiC材料与传统的硅材料相比，由于SiC的击穿场强是Si的几乎十倍，这意味着制备相同电压等级的功率器件，采用SiC材料的器件其承受电压的漂移层厚度将远小于Si基器件，这一方面可以大幅缩减器件的重量体积，另一方面也将显著改善器件的正向导通电阻，从而显著降低器件的功率损耗。除去体积与功耗的改进以外，SiC材料制备的器件能在更高的温度下工作并且热导率也更高，这将显著降低器件对散热系统的要求，从而进一步降低系统整体的体积与重量。除此之外，SiC材料的抗辐照能力也比Si材料更强，其严酷环境适应性更为优良。正是由于SiC材料相对于Si材料的诸多显著优势，又由于近年来SiC材料外延技术也不断走向成熟，四英寸的SiC外延片已经商用，因而基于SiC材料的各类型功率器件也相继的被开发出来。诸多类型的SiC功率器件在科研及产业领域都是关注的热点，目前已有报道的基于SiC材料的功率器件包括：整流器件的PIN、SBD以及JBS；开关器件的MOSFET、JFET、BJT、IGBT以及GTO。其中SiC肖特基二极管（SBD）已经在光伏发电领域被用来和硅基IGBT组成混合功率模块而得到了广泛应用。目前基于SiC材料的功率开关器件的研发一直是学术及产业热点。其中碳化硅的晶闸管（Thyristor）器件在超大功率的开关应用场景中，例如高压直流输电（HVDC）、超大电流电解、脉冲功率应用中，以其耐压高、正向导通压降小、通态功耗低而相较于其他类型功率开关器件具有较大优势，目前对碳化硅晶闸管的研究大多集中在门极可关断晶闸管GTO（GateTurn-OffThyristor）器件上。和其他的高压器件对终端结构有着严苛的要求类似，对于门极可关断晶闸管器件GTO来说，一个可靠的终端结构（termination）设计与实现是GTO器件能够获得较高的阻断电压的关键，而这一终端结构的要求对于基于SiC半导体材料的GTO器件来说实现起来却并不容易，这是因为一方面SiC半导体的临界击穿场强远远高于常规的Si基或GaAs基半导体，另一方面SiC的器件加工工艺技术却远远落后于Si基器件的工艺技术，许多在Si基功率器件制备过程中较为成熟的终端结构目前还无法在SiC半导体材料中实现。例如：常用的保护环和结终端扩展（JTE）结构都依赖于有效的离子注入或扩散技术，而目前扩散掺杂方法还无法在SiC半导体中实现；离子注入掺杂虽然已经在SiC器件工艺中得到应用，但其离子注入过程需要在高温条件下进行，且后续还需要极高温度的后退火处理进行杂质的激活，工艺的成熟度远远不及Si材料。对于SiCGTO器件的终端结构设计，目前文献上有报道的大致有以下三种类型：离子注入JTE、梯度刻蚀JTE以及近似负倾角结构，这几种结构要么损伤晶体质量要么工艺复杂。它们的结构示意图如图1所示。对于离子注入JTE这种终端结构，其存在一个很大的固有不足，便是离子注入过程以及后续的超高温退火过程会对SiC的晶体质量以及表面粗糙度造成严重的损害，这些会对器件的性能造成显著的负面影响。因而相较于离子注入的终端结构，近年来发展刻蚀型的终端结构成为了SiCGTO器件终端设计领域的研究热点。相继有数个研究小组都报道了基于台阶刻蚀型的SiCGTO终端结构。法国的研究人员G.Paques等人于2011年第一个报道了采用梯度刻蚀JTE（gradedetchedjunctionterminationextension）终端结构的SiCGTO器件。在这之后应用于SiCGTO器件的刻蚀终端技术继续发展，CREE公司的A.Agarwal等人甚至将这一技术发展到了极致，他们通过刻蚀超过十级的台阶形成了一个近似的负倾角终端结构。制作这种小角度负倾角终端结构的目的是抑制器件台面边缘的场强聚集效应，防止器件在高压下边缘发生提前击穿。其作用原理是通过展宽空间电荷区在斜面上的宽度来降低边缘处的场强大小，斜面的角度越小，其斜面上距离展宽越多，相应的对边缘场强尖峰的抑制效果越明显。基于这种近似负倾角终端结构，近年来CREE公司相继报道了12kV、20kV阻断电压的SiCGTO器件。然而这种采用多台阶刻蚀的终端结构尽管是十分有效的，但是其工艺实施上却极端复杂，需要通过大量的光刻掩膜及ICP离子刻蚀步骤才能完成，如果要实现诸如CREE公司报道的这种超过十级的近似负倾角终端结构工艺成本极大。因此，如果能够开发出可用于诸如GTO这类功率器件终端结构的SiC材料小角度倾斜台面刻蚀技术，则其在学术及产业上都将具有重要意义。尽管目前国内外还没有过采用真正意义上的理想负倾角终端结构的SiCGTO器件的相关报道，然而关于SiC材料的倾斜台面刻蚀在SiC雪崩光电探测器（APD）的技术方案中，有采用光刻胶回流（reflow）的方法。然而要成功的将探测器领域的一些经验借鉴到GTO功率器件的终端设计中其面临的挑战是巨大的。首先是器件尺寸的巨大差异导致的光刻胶能否均匀回流的问题，目前SiCAPD的典型器件尺寸为百微米级而GTO器件的典型尺寸是毫米甚至厘米级的，单个GTO器件的尺寸是APD器件的数百倍；其次是刻蚀深度的显著差异问题，由于光刻胶的掩膜阻挡能力有限，对于APD器件1μm左右的台面刻蚀深度是比较容易实现的，而对于典型GTO器件至少4μm的刻蚀深度要实现起来则比较困难。光刻胶回流技术的核心是采用光刻胶而非金属或氧化物作为阻挡掩膜，器件面积和刻蚀深度这两个方面的问题导致要开发能够应用于SiCGTO器件的小角度倾斜台面终端结构非常困难。
技术实现思路
本技术提供了一种应用于碳化硅大尺寸高压器件的小角度倾斜台面终端结构，利用SiC小角度倾斜台面刻蚀技术形成小角度倾斜台面，特别是适合应用于诸如SiCGTO这类大尺寸（>1mm2）功率器件终端结构，但不限于碳化硅门极可关断晶闸管，SiCGTO；本技术这种结构的工艺流程非常简化，其对边缘场强的抑制效果也更好。本技术所采用的技术方案如下：应用于碳化硅大尺寸高压器件的小角度倾斜台面终端结构，其特征在于：所述倾斜台面为上小下大的锥状台面结构，台面结构的面积大于1mm2；所述倾斜台面的斜面与水平面之间的夹角小于20°。采用新型小角度倾斜台面终端结构的碳化硅GTO器件其典型的材料外延结构从上到下依次为P+/N/P-/P/N+，衬底为N+的SiC本征衬底；其中最上方的P+层及N层在SiCGTO器件中的典型厚度约各为2μm，漂移层P-的典型厚度范围为5~200μm。器件边缘刻蚀的小角度倾斜台面用于抑制台面边缘的电场聚集和器件隔离，小角度倾斜台面的倾角定义为小角度倾斜台面的倾斜面与衬底平面之间的夹角，为了有效的抑制边本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.应用于碳化硅大尺寸高压器件的小角度倾斜台面终端结构，其特征在于：所述小角度倾斜台面终端结构的倾斜台面为上小下大的锥状台面结构，台面结构的面积大于1mm2；所述倾斜台面的斜面与水平面之间的夹角小于20°。

【技术特征摘要】
1.应用于碳化硅大尺寸高压器件的小角度倾斜台面终端结构，其特征在于：所述小角度倾斜台面终端结构的倾斜台面为上小下大的锥状台面结构，台面结构的面积大于1mm2；所述倾斜台面的斜面与水平面之间的夹角小于20°。2.如权利要求1所述的应用于碳化硅大尺寸高压器件的小角度倾斜台面终端结构，其特征在于：应用于SiCGTO器件的刻蚀终端结构设计中的所述小角度倾斜台面终端结构的具体结构采用由上至下的P+/N/P-/P/N+外延结构，其中依次为：P+接触层（106）、Nbase层（105）、P-漂移层（104）、P缓冲层（103）、N+场截止层（102），衬底为N+的4H-SiC本征衬底（101）；所述P+接触层（106）的厚度介于0.2-5μm之间，平均掺杂浓度介于2×1018-1×1020cm-3之间；所述Nbase层（105）的厚度介于0.2-5μm之间，平均掺杂浓度介于5×1016-1×1018cm-3之间；所述P-漂移层（104）的厚度介于5-200μm之间，平均掺杂浓度介于5×1013-1×1015cm-3之间；所述P缓冲层（103）的厚度介于0.2-5μm之间，平均掺杂浓度介于5×1016-1×1018cm-3之间；所述N+场截止层（102）的厚度介于0.2-5μm之间，平均掺杂浓度介于1×1018-1×1020cm-3之间。3.如权利要求1所述的应用于碳化硅大尺寸高压器件的小角度倾斜台面终端结构，其特征在于：应用于SiCPiN器件的刻蚀终端结构设计中的所述小角度倾斜台面终端结构的具体结构采用由上至下的P+/i/N+外延结构，其中依次为：P+接触层、本征i漂移层、N+场截止层，衬底为N+的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李良辉，李俊焘，徐星亮，李志强，周坤，张林，代刚，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：新型
国别省市：四川,51