一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管制造技术

一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管涉及功率半导体技术领域，包括衬底层，外延层，P型注入区，氧化层，金属电极层，金属电极层包括阳极金属层与阴极金属层，所述衬底层设置于外延层层之上，所述外延层从上至下分为第一外延层，第二外延层与第三外延层，所述第三外延层设置于衬底层之上，所述第一外延层上端与阳极金属层接触，所述第二外延层位于第一外延层及第三外延层之间，所述外延层上开设矩形沟槽，氧化层设置于沟槽内部，氧化层与外延层之间设置P型注入区，所述P型注入区包裹氧化层，将氧化层与外延层分隔开。P型注入区侧面与第一外延层及第二外延层接触，P型注入区底部与第二外延层接触，顶部与阳极金属层接触。顶部与阳极金属层接触。顶部与阳极金属层接触。

A silicon carbide Schottky diode with super junction structure

【技术实现步骤摘要】
一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管


[0001]本专利技术涉及功率半导体
，尤其涉及一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管。

技术介绍

[0002]碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有宽禁带、高临界击穿场强、高热导率及高载流子饱和速率等特性。上述材料优势使得碳化硅功率半导体器件在新能源发电、高铁牵引设备、混合动力汽车等中高耐压等级应用领域具有广阔的应用前景。在超结结构中，由于在N型外延层内设置了P型区，当漂移区加反向电压时，在水平方向上会产生电场，如果N型外延层和P型区达到电荷平衡状态，此时漂移区内电荷会被完全耗尽，此时电场在漂移区内实现了均匀分布，由此可以大幅提高器件的击穿电压。此外，超结结构中器件的击穿电压与N型外延层、P型区的掺杂浓度无关，因此可以通过提高N型外延层、P型区的掺杂浓度来进一步降低器件的导通电阻。一般来讲，在碳化硅肖特基二极管中，高的反向击穿电压和低的正向导通电阻之间存在折中关系，而选用超结结构能够显著改善两者之间的折中。此外，对于超结结构来说，还需要严格控制N型外延层、P型区的掺杂浓度及宽度，以保障实现电荷平衡。
[0003]2016年，Zhong等人在“X.Zhong,B.Wang,and K.Sheng,“Design and experimental demonstration of 1.35kV SiC super junction Schottky diode,”in Proc.28
th Int.Symp.Power Semiconductor Devices ICs(ISPSD),Jun.2016,pp.231
–
234”中提出了一种碳化硅超结肖特基二极管结构，如图1所示。该结构通过采用沟槽蚀刻和侧壁注入工艺，实现了P型注入区与外延层的电荷平衡，极大地改善了碳化硅肖特基二极管击穿电压和导通电阻之间的折中关系。然而，在该结构中，器件的击穿电压对于P型注入区的浓度较为敏感，只有在较窄的P型注入区浓度范围内才能实现较好的电荷平衡，较低的工艺容差极大地增加了器件的加工难度，因此，现有技术存在不足，需要改进。

技术实现思路

[0004]为克服上述的技术问题，本专利技术提供了一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管。
[0005]本专利技术解决技术问题的方案提供一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管，包括衬底层，外延层，P型注入区，氧化层，金属电极层，金属电极层包括阳极金属层与阴极金属层，所述衬底层设置于阴极金属层之上，所述外延层下端与衬底层接触，上端与阳极金属层接触，所述外延层上开设矩形沟槽，氧化层设置于沟槽内部，氧化层与外延层之间设置P型注入区，所述P型注入区包裹氧化层，将氧化层与外延层分隔开，P型注入区侧面及底部与外延层接触，顶部与阳极金属层接触。
[0006]优选地，所述外延层分为第一外延层，第二外延层与第三外延层，所述第一外延层上端与阳极金属层接触，所述第三外延层下端与衬底层接触，所述第二外延层位于第一外
延层及第三外延层之间。所述外延层为N型掺杂，厚度为10～100μm，掺杂浓度为1
×
10
14
～1
×
10
17
cm
‑
3，且所述第二外延层掺杂浓度大于第一外延层与第三外延层的掺杂浓度。所述第一外延层厚度为2～20μm，所述第二外延层厚度为3～30μm，所述第三外延层厚度为5～50μm。
[0007]优选地，所述氧化层深度为5～50μm，宽度为1～20μm。
[0008]优选地，所述衬底层为N型掺杂，厚度为80～200μm，掺杂浓度为1
×
10
18
～1
×
10
20
cm
‑3。
[0009]优选地，所述P型注入区为P型掺杂，厚度为0.1～1μm,掺杂浓度为1
×
10
16
～1
×
10
18
cm
‑3。
[0010]优选地，所述氧化层材料为二氧化硅。
[0011]优选地，两个所述P型注入区的间距为1～20μm。
[0012]相对于现有技术，本专利技术中具有超结结构的碳化硅肖特基二极管具有如下优点：
[0013]本专利技术为一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管，基于深槽刻蚀技术，采用离子注入的方式在沟槽侧壁形成P型注入区，用二氧化硅填充沟槽，该P型注入区与N型外延层形成两个背对背的PN结，当器件阴极施加高压时，PN结耗尽区同时在P型注入区和N型外延层扩展，直至完全耗尽，类似于本征层，使器件能承担更高的反向电压。因此，可以通过设置比普通碳化硅肖特基二极管更高的外延层浓度，进一步降低器件的导通电阻。此外，本专利技术通过设置掺杂浓度不同的第一外延层、第二外延层、第三外延层结构来降低器件击穿电压对于P型注入区掺杂浓度的敏感程度，增加工艺容差。
附图说明
[0014]图1是Zhong等人提出的碳化硅超结二极管结构简图。
[0015]图2是本专利技术提出的碳化硅超结二极管器件结构简图。
[0016]附图标记说明：
[0017]1、阳极金属层；2、氧化层；3、P型注入区；4、衬底层；5、阴极金属层；6、外延层；601、第一外延层；602、第二外延层；603、第三外延层
[0018]图3是两种器件结构的击穿电压对于P型注入区掺杂浓度的工艺窗口对比图。
[0019]图4是两种器件结构在P型注入区掺杂浓度为1
×
10
17
cm
‑3下器件体内电场的分布对比图，其中图4(a)为Zhong等人提出的器件结构，图4(b)为本专利技术提出的器件结构。
[0020]图5是两种器件结构在P型注入区掺杂浓度为5
×
10
17
cm
‑3下器件体内电场的分布对比图，其中图5(a)为Zhong等人提出的器件结构，图5(b)为本专利技术提出的器件结构。
具体实施方式
[0021]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0022]请参阅图2，本实施例提供了一种1.2kV碳化硅超结二极管器件结构，包括氧化层2，P型注入区3，衬底层4，外延层6，金属电极层，金属电极层包括阳极金属层1与阴极金属层5，所述衬底层4设置于阴极金属层5之上，所述外延层6下端与衬底层4接触，上端与阳极金
属层1接触，所述外延层6上开设矩形沟槽，氧化层2设置于沟槽内部，氧化层2与外延层6之间设置P型注入区3，所述P型注入区3包裹氧化层2，将氧化层2与外延层6分隔开，P型注入区3侧面及底部与外延层6接触，顶部与阳极金属层1接触。
[0023]优选地，所述外延层6分为第一外延层601，第二外延层602与第三外延层603，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有超结结构的碳化硅肖特基二极管，其特征在于包括：衬底层，外延层，P型注入区，氧化层，金属电极层，金属电极层包括阳极金属层与阴极金属层，所述衬底层设置于阴极金属层之上，所述外延层下端与衬底层接触，上端与阳极金属层接触，所述外延层上开设矩形沟槽，氧化层设置于沟槽内部，氧化层与外延层之间设置P型注入区，所述P型注入区包裹氧化层，将氧化层与外延层分隔开，P型注入区侧面及底部与外延层接触，顶部与阳极金属层接触；所述外延层分为第一外延层，第二外延层与第三外延层，所述第一外延层上端与阳极金属层接触，所述第三外延层下端与衬底层接触，所述第二外延层位于第一外延层及第三外延层之间，其中第一外延层及第二外延层与P型注入区侧面接触，第二外延层与P型注入区底部接触；所述外延层为N型掺杂，厚度为10～100μm，掺杂浓度为1
×
10
14
～1
×
10
17
cm
‑3，且所述第二外延层掺杂浓度大于第一外延层与第三外延层的掺杂浓度；所述第一外延层厚度为2～20μm，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：周新田，卢翔鸾，贾云鹏，胡冬青，吴郁，刘峰，宗雷，
申请(专利权)人：阜新嘉隆电子有限公司，
类型：发明
国别省市：