一种电荷调制终端及其制备方法和含该终端的SiC高压器件技术

本发明专利技术公开了一种应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端，在终端台面上依次设置的结终端扩展区内分别设置位于第二结终端扩展区的第二电荷调制区，…，和位于第N结终端扩展区的第N电荷调制区；第二区至第N区的等效电荷总量在横向上随着与主结距离的变大而逐渐变小。该电荷调制终端能缓解JTE区边缘电场峰值过高的问题，改善JTE终端的分压效率。该结构通过多次离子注入工艺形成，工艺简单，节省成本。包含该电荷调制终端的碳化硅高压器件具有更高的耐压、更高的面积使用率以及更稳定的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体电力电子器件
，特别是涉及一种应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端，还涉及了该电荷调制终端的制备方法，以及包含该电荷调制终端的碳化硅高压器件。
技术介绍
碳化硅(SiC)材料具有禁带宽度大，热导率高，临界雪崩击穿电场强度高，饱和载流子漂移速度大，热稳定性好等特点，是制造功率半导体器件的理想材料。SiC高压器件与同等级的硅器件相比，具有更低的通态压降、更高的工作频率、更低的功耗、更小的体积以及更好的热特性，更适合应用于电力电子电路。SiC高压器件一般采用台面与结终端扩展(JTE)相结合的方式对终端进行保护。硅基器件中常用的湿法腐蚀与磨角工艺不适用于SiC器件，而常规的干法刻蚀形成的台阶具有侧壁陡峭的特点，在台阶底部存在电场集中的问题，对高压SiC器件的终端保护造成困难。由于SiC难以通过扩散工艺制作结终端扩展区，通过离子注入工艺形成的JTE具有单一的掺杂浓度，要实现SiC高压器件的终端保护，一般需要特别长的横向尺寸，不仅如此，单一掺杂浓度的JTE的保护效率一般较低，而且当工艺参数发生偏差时，单区JTE的保护效率会发生较大波动。Toru Hiyoshi等2009年在Materials Science Forum发表文章《Bevel Mesa Combined with Implanted Junction Termination Structurefor 10kV SiC PiN Diodes》，文章中利用湿法腐蚀，将刻蚀掩膜的边缘制成弧形形貌，然后通过干法刻蚀形成具有弧形结构的SiC PiN二极管台面终端，改善了电场集中现象，实现了10kV SiC PiN二极管的终端保护。但其JTE为单区JTE，仍具有横向尺寸大，保护效率低以及电压随工艺偏差波动大的缺点。Gan Feng等2012年在IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES发表文章《Space-Modulated Junction Termination Extension for Ultrahigh-Voltage p-i-n Diodes in 4H-SiC》，文章中提到通过两次离子注入在PiN二极管中形成空间调制三区JTE的方法，其所述的空间调制三区JTE是通过在各JTE区之间以及在第三JTE区外增加调制区，以降低各JTE区之间以及第三JTE区与SiC外延层之间的浓度梯度，经仿真，能够实现对16kV4H-SiC PiN二极管的终端保护。但鉴于SiC的特殊性，注入杂质几乎不存在横向扩展，其降低浓度梯度的实际效果有限，且第三JTE区外侧的浮动区还造成终端稳定性下降的缺点。因此，针对上述技术问题，有必要提供一种高性能、高可行性的应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端，解决了现有终端所占面积过大且随JTE区掺杂浓度波动保护效率波动较大的问题。本专利技术的另一目的是提供上述应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端的制备方法，解决了现有终端工艺复杂、成本高昂的问题。本专利技术的第三个目的是提供含有上述电荷调制终端的碳化硅高压器件。本专利技术所采用的一个技术方案是，一种应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端，其特征在于，包括：A.实现主器件功能的SiC衬底及外延层结构；B.位于器件边缘，由内向外水平依次排列的用于终端保护的第一结终端扩展区、第二结终端扩展区、第三结终端扩展区…、第N结终端扩展区；C.位于第二结终端扩展区内的第二电荷调制区，位于第三结终端扩展区内的第三电荷调制区，…，和位于第N结终端扩展区的第N电荷调制区；并且，第二区、第三区至第N区的等效电荷总量在横向上随着与主结距离的变大而逐渐变小；D.位于结终端扩展区上方的钝化层；碳化硅高压器件为以JTE为终端的SiC电力电子器件。该电荷调制终端的特点还在于：优选地，3≤N≤7。优选地，电荷调制区的掺杂浓度与所述N个结终端扩展区中任意一个的掺杂浓度相等。本专利技术的第二个技术方案是，一种上述电荷调制终端的制备方法，包括以下步骤：步骤1，在碳化硅衬底上制作用于实现器件功能的主器件结构；步骤2，在主器件边缘通过刻蚀技术形成终端台面；步骤3，通过离子注入工艺形成所述N个结终端扩展区及分别位于第二、第三至第N结终端扩展区内的第二电荷调制区、第三电荷调制区、…、第N电荷调制区；步骤4，对终端台面进行钝化。本方法的特点还在于：步骤3所述离子注入工艺采用多次离子注入工艺，其注入次数n与区域数N具有如下关系， N = Σ i = 1 n C n i ]]>采用n次离子注入时，所形成N个区域中的第N区、第N-1区、……、第N-n+1区等n个区域的掺杂分别由n次注入中的某一次注入单独作用形成，第1区、第2区、……、第N-n区等N-n个区域的掺杂由n次注入中的两次或多次叠加作用形成。本专利技术还提供了包含上述电荷调制终端的碳化硅高压器件。该碳化硅高压器件可以为一切以JTE为终端的SiC电力电子器件。优选地，所述碳化硅高压器件为SiC高压晶闸管、SiC高压PiN二极管、SiC高压JBS二极管、SiC高压MPS二极管、SiC高压BJT、SiC高压MOSFET、SiC高压JFET或SiC高压IGBT。本专利技术的有益效果是，本专利技术将电荷调制引入多区结终端扩展结构中，提出用于4H-SiC高压器件的电荷调制终端，提高了终端结构的保护效率与鲁棒性，改善了4H-SiC高压终端所占面积过大的问题。同时，考虑到离子注入成本高以及造成晶格损伤的问题，本专利技术提出通过n次离子注入形成个结终端扩展区及电荷调制区的方法，有效降低了器件的工艺复杂度与制造成本。附图说明图1为本专利技术实施方式中应用于4H-SiC高压晶闸管实例1的电荷调制终端的结构示意图；图2为本专利技术实施方式中应用于SiC高压器件实例1的一种电荷调制终端的杂质浓度分布示意图；图3为本专利技术中应用于SiC高压器件的电荷调制终端的实施方法示意图；图4a-图4j为本专利技术应用于4H-SiC高压晶闸管实施例1的电荷调制终端的制备工艺示意图；图5为本专利技术应用于4H-SiC高压晶闸管实施例1的电荷调制终端的数值模拟计算结果；图6为本专利技术应用于4H-SiC高压晶闸管实施例2的电荷调制终端的结构示意图；图7为本专利技术应用于4H-SiC高压晶闸管实施例2的一种电荷调制终端的杂质浓度分布示意图；图8为本专利技术应用于4H-SiC高压PiN二极管实施例3的电荷调制终端的结构示意图。图中，1.4H-SiC衬底，2.第一外延层，3.第二外延层，4.第三外延层，5.第四外延层，6.门极欧姆接触区，7.门电极，8.隔离区，9.阳电极，10.第五外延层，11.第一结终端扩展区，12.第二电荷调制区，13.第二结终端扩展区，14.第三电荷调制区，15.第三结终端扩展区，16.聚酰亚胺钝化层，17.SiO2钝化层，18.阴电极；19.第四结终端扩展区，20.第四电荷调制区，21.第五结终端扩展区，22.第五电荷调制区，23.第六结终端扩展区，24.第六电荷调制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端，其特征在于，包括：A.实现主器件功能的SiC衬底及外延层结构；B.位于器件边缘，由内向外水平依次排列的用于终端保护的第一结终端扩展区、第二结终端扩展区、第三结终端扩展区…、第N结终端扩展区；C.位于第二结终端扩展区内的第二电荷调制区，位于第三结终端扩展区内的第三电荷调制区，…，和位于第N结终端扩展区的第N电荷调制区；并且，第二区、第三区至第N区的等效电荷总量在横向上随着与主结距离的变大而逐渐变小；D.位于结终端扩展区上方的钝化层；所述碳化硅高压器件为以JTE为终端的SiC电力电子器件。

【技术特征摘要】
1.一种应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端，其特征在于，包括：A.实现主器件功能的SiC衬底及外延层结构；B.位于器件边缘，由内向外水平依次排列的用于终端保护的第一结终端扩展区、第二结终端扩展区、第三结终端扩展区…、第N结终端扩展区；C.位于第二结终端扩展区内的第二电荷调制区，位于第三结终端扩展区内的第三电荷调制区，…，和位于第N结终端扩展区的第N电荷调制区；并且，第二区、第三区至第N区的等效电荷总量在横向上随着与主结距离的变大而逐渐变小；D.位于结终端扩展区上方的钝化层；所述碳化硅高压器件为以JTE为终端的SiC电力电子器件。2.根据权利要求1所述的应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端，其特征在于，3≤N≤7。3.根据权利要求1所述的应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端，其特征在于，所述电荷调制区的掺杂浓度与所述N个结终端扩展区中任意一个的掺杂浓度相等。4.根据权利要求1所述的应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端，其特征在于，所述碳化硅高压器件为SiC高压晶闸管、SiC高压PiN二极管、SiC高压JBS二极管、SiC高压MPS二极管、SiC高压BJT、SiC高压MOSFET、SiC高压JFET或SiC高压IGBT。5.一种如权利要求1-4中任一项所述的应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在碳化硅衬底上制作用...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲红斌，王曦，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61