一种基于碳化硅基的反向开关晶体管及其制备方法技术

本发明专利技术属于脉冲功率器件技术领域，公开了一种基于碳化硅基的反向开关晶体管及其制备方法，晶体管自下而上包括碳化硅N

A silicon carbide based reverse switching transistor and its preparation

【技术实现步骤摘要】
一种基于碳化硅基的反向开关晶体管及其制备方法
本专利技术属于脉冲功率器件
，更具体地，涉及一种基于碳化硅基的反向开关晶体管及其制备方法，是一种宽禁带半导体器件的结构和工艺，得到的碳化硅反向开关晶体管尤其能够应用于脉冲功率

技术介绍
脉冲功率技术在国防军事等领域发挥着十分重要的作用，脉冲功率开关是脉冲功率系统的核心器件。反向开关晶体管RSD(Reverselyswitcheddynistor)是一种基于可控等离子体层触发原理的脉冲功率半导体开关器件，可以实现全面积均匀同步开通，相比IGBT、SCR等，具有更优的均压特性、更高的耐压以及耐受di/dt的能力。RSD起初只是在硅基材料上形成，但其电压阻断能力和耐dv/dt能力、耐di/dt能力已逐渐逼近硅材料本身能达到的物理极限，因此需要寻找新的半导体材料来研发功率半导体器件。第三代宽禁带半导体材料碳化硅，具有约为硅的3倍的禁带宽度、硅10倍的击穿场强、硅2倍的载流子饱和速度、硅3倍的热导率等优势，因此采用碳化硅制备的功率器件比硅的同类器件具有更高的阻断电压、更小的导通电阻、更高的开关频率。现有的SiCRSD的结构(如图1所示)，是一种两端四层结构的器件，有3个PN结，只有阴极端和阳极端，没有类似于晶闸管或IGBT的门极，从结构上看可以看成是由许多晶闸管单元和晶体管单元间隔排列组成的。SiCRSD是利用反向预充电流在器件内形成等离子体来取代可控开关的门极效果从而实现器件开通的，具体过程为在反压下使J3结发生雪崩倍增效应产生足够大的反向预充电流促使晶体管单元导通，由于RSD结构内存在横向电流，则在J2结附近形成全面积均匀的等离子层P1，随着阳极N+区内的电子向低掺杂N-区漂移，形成等离子层P2，完成整个预充过程。预充过程中在器件内部形成的预充等离子体起类似晶闸管门极的作用，提供相应的多数载流子给基区。因预充产生的等离子体分布整个芯片面积，使器件开通过程也是均匀统一的，并具有更高的di/dt。由于4H-SiC材料的特点使SiCRSD器件在特性和尺寸方面相比SiRSD会有明显的优势。但是在实际制作工艺中，现有对SiC材料的缺陷的控制水平限制了SiCRSD器件的应用发展。在4H-SiC晶体的外延生长过程中，生长条件、衬底损伤、衬底缺陷等都会在外延材料中引入各种缺陷；除了外延生长外，缺陷也在器件的加工工艺中产生，如高温退火、离子注入、杂质扩散等工艺都会引入缺陷。例如，杂质和掺杂原子在位错附近富集，改变杂质及掺杂的分布均匀性；晶界本身晶格结构变化使其对电子的束缚能力下降，或者由于杂质元素在晶界上的富集，在晶界附近引入自由电子，成为导电的通道，引起半导体漏电流的增大；TSD在影响PN结反向特性的同时会增加器件的反向漏电流；BPD会影响双极功率器件的特性。就SiCRSD而言，反向预充过程中的电流是由N+P结全面积雪崩击穿机理提供。SiCRSD最大的难点在于如何解决器件在预充过程中利用雪崩击穿机制提供足够的预充电荷，建立有效的预充等离子层，并且同时又能够确保器件不被损坏。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种基于碳化硅基的反向开关晶体管及其制备方法，其中通过对器件的细节结构设计及相应制备方法等进行改进，利用减薄后N+型衬底，并在阴极每隔一定距离注入P+型高掺杂离子以形成阴极短路点，即，通过对N+型衬底进行减薄处理，之后将N+阴极区域断开，并在断开处注入P+型高掺杂离子以形成阴极短路点，可实现RSD的有效预充过程，克服现有技术中由于无法很好地控制碳化硅外延片自身缺陷导致器件在利用雪崩来建立预充等离子层时被提前击穿、难以通过利用雪崩击穿来实现有效的预充等离子层建立的难题。并且，本专利技术中这种改进结构的SiCRSD器件的完整的制备工艺，工艺简单易实现。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于碳化硅基的反向开关晶体管，其特征在于，该反向开关晶体管自下而上包括碳化硅N+型衬底、碳化硅P基区、碳化硅N-漂移区以及阳极发射区，其中，所述阳极发射区由碳化硅阳极P+发射区和碳化硅阳极N+发射区交替组成；所述基于碳化硅的反向开关晶体管采用30°～60°正斜角的终端方式，形成的台面上覆盖有钝化层；该基于碳化硅基的反向开关晶体管设置有阴极短路点，该阴极短路点是先将碳化硅N+型衬底断开，并在断开处选择性注入离子形成碳化硅阴极P+区，然后在N+型衬底和碳化硅阴极P+区表面沉积金属形成阴极电极；其中，碳化硅阴极P+区作为反向晶体管的阴极短路点，能够进行载流子的传导；所述碳化硅阳极P+发射区的掺杂浓度为3*1018cm-3～9*1019cm-3，所述碳化硅阳极N+发射区的掺杂浓度为8*1018cm-3～2*1019cm-3，所述碳化硅N-漂移区的掺杂浓度为9*1014cm-3～8*1015cm-3，所述碳化硅P基区的掺杂浓度为4*1017cm-3～2.8*1018cm-3，所述碳化硅N+型衬底的掺杂浓度为1*1019cm-3～9*1019cm-3；所述碳化硅N+型衬底的厚度为1μm～3μm；此外，在所述阳极发射区的上方还覆盖有阳极欧姆金属，所述碳化硅N+型衬底的下方还覆盖有阴极欧姆金属。作为本专利技术的进一步优选，所述碳化硅阴极P+区分布在所述碳化硅N+型衬底与所述碳化硅P基区的接触面上。作为本专利技术的进一步优选，所述碳化硅阴极P+区呈点状阵列按预先设定的间距均匀分布在所述碳化硅N+型衬底与所述碳化硅P基区的接触面上。作为本专利技术的进一步优选，所述碳化硅阳极P+发射区的厚度为0.5μm，所述碳化硅阳极P+发射区的横向长度为10μm～30μm；所述碳化硅阳极N+发射区的横向长度为5μm。作为本专利技术的进一步优选，所述碳化硅N-漂移区的厚度为54μm；所述碳化硅P基区的厚度为0.5μm～2.5μm。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种制备上述基于碳化硅基的反向开关晶体管的方法，其特征在于，包括以下步骤：(S1)选取洁净的N+型碳化硅衬底作为碳化硅N+型衬底，依次在该N+型碳化硅衬底上外延生长碳化硅P基区、碳化硅N-漂移区和碳化硅阳极P+发射区，形成P+N-PN+四层结构；(S2)针对所述步骤(S1)得到的所述P+N-PN+四层结构，对其中的N+型碳化硅衬底进行减薄处理，使碳化硅N+型衬底的厚度满足预先设定的厚度要求；(S3)针对经所述步骤(S2)处理后的P+N-PN+四层结构，清洗后进行光刻、刻蚀，在碳化硅阳极P+发射区一侧形成阳极侧N+注入窗口，接着从最上层即碳化硅阳极P+发射区的上方进行N型离子注入使阳极侧N+注入窗口内形成碳化硅阳极N+发射区；(S4)针对经所述步骤(S3)处理后所得的结构，清洗后进行光刻、刻蚀工艺在碳化硅N+型衬底一侧形成阴极侧P+注入窗口，接着从最底层即碳化硅N+型衬底的下方进行P型离子注入使阴极侧P+注入窗口内形成碳化硅阴极P+区；(S5)针对所述步骤(S3)和所述步骤(S4)中注入的离子进行1200～1600℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于碳化硅基的反向开关晶体管，其特征在于，该反向开关晶体管自下而上包括碳化硅N

【技术特征摘要】
1.一种基于碳化硅基的反向开关晶体管，其特征在于，该反向开关晶体管自下而上包括碳化硅N+型衬底(7)、碳化硅P基区(1)、碳化硅N-漂移区(3)以及阳极发射区，其中，所述阳极发射区由碳化硅阳极P+发射区(4)和碳化硅阳极N+发射区(6)交替组成；所述基于碳化硅的反向开关晶体管采用30°～60°正斜角的终端方式，形成的台面上覆盖有钝化层(2)；
该基于碳化硅基的反向开关晶体管设置有阴极短路点，该阴极短路点是先将碳化硅N+型衬底(7)断开，并在断开处选择性注入离子形成碳化硅阴极P+区(8)，然后在N+型衬底(7)和碳化硅阴极P+区(8)表面沉积金属形成阴极电极(9)；其中，碳化硅阴极P+区(8)作为反向晶体管的阴极短路点，能够进行载流子的传导；
所述碳化硅阳极P+发射区(4)的掺杂浓度为3*1018cm-3～9*1019cm-3，所述碳化硅阳极N+发射区(6)的掺杂浓度为8*1018cm-3～2*1019cm-3，所述碳化硅N-漂移区(3)的掺杂浓度为9*1014cm-3～8*1015cm-3，所述碳化硅P基区(1)的掺杂浓度为4*1017cm-3～2.8*1018cm-3，所述碳化硅N+型衬底(7)的掺杂浓度为1*1019cm-3～9*1019cm-3；
所述碳化硅N+型衬底(7)的厚度为1μm～3μm；
此外，在所述阳极发射区的上方还覆盖有阳极欧姆金属(5)，所述碳化硅N+型衬底(7)的下方还覆盖有阴极欧姆金属(9)。


2.如权利要求1所述基于碳化硅基的反向开关晶体管，其特征在于，所述碳化硅阴极P+区(8)分布在所述碳化硅N+型衬底(7)与所述碳化硅P基区(1)的接触面上。


3.如权利要求1所述基于碳化硅基的反向开关晶体管，其特征在于，所述碳化硅阴极P+区(8)呈点状阵列按预先设定的间距均匀分布在所述碳化硅N+型衬底(7)与所述碳化硅P基区(1)的接触面上。


4.如权利要求1所述基于碳化硅基的反向开关晶体管，其特征在于，所述碳化硅阳极P+发射区(4)的厚度为0.5μm，所述碳化硅阳极P+发射区(4)的横向长度为10μm～30μm；所述碳化硅阳极N+发射区(6)的横向长度为5μm。


5.如权利要求1所述基于碳化硅基的反向开关晶体管，其特征在于，所述碳化硅N-漂移区(3)的厚度为54μm；所述碳化硅P基区(1)的厚度为0.5μm～2.5μm。


6.一种制备如权利要求1－5任意一项所述基于碳化硅基的反向开关晶体管的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)选取洁净的N+型碳化硅衬底作为碳化硅N+型衬底，依次在该N+型碳化硅衬底上外延生长碳化硅P基区、碳化硅N-漂移区和碳化硅阳极P+发射区，形成P+N-PN+四层结构；
(S2)针对所述步骤(S1)得到的所述P+N-PN+四层结构，对其中的N+型碳化硅衬底进行减薄处理，使碳化硅N+型衬底的厚度满足预先设定的厚度要求；
(S3)针对经所述步骤(S2)处理后的P+N-PN+四层结构，...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁琳，颜小雪，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42