一种耗尽型碳化硅双极器件结构及制作方法技术

本发明专利技术涉及功率半导体技术领域，具体提供一种耗尽型碳化硅双极器件结构及制作方法，耗尽型碳化硅双极器件结构包括前级部分和后级部分，前级部分为碳化硅JFET结构；后级部分位于本器件结构的下部，在后级部分中，N+型衬底层、N+离子注入区、肖特基金属接触区和集电极金属层形成肖特基二极管结构；N+型衬底层、P+离子注入区、欧姆接触区和集电极金属层形成PN结二极管结构，并且肖特基二极管结构和PN结二极管结构沿集电极金属层的长度方向相间布置。兼具PN结二极管的电导调制效应及肖特基二极管的低导通损耗及快反向恢复能力，能够降低本发明专利技术的导通电阻。发明专利技术的导通电阻。发明专利技术的导通电阻。

【技术实现步骤摘要】
一种耗尽型碳化硅双极器件结构及制作方法


[0001]本专利技术涉及功率半导体
，尤其涉及一种耗尽型碳化硅双极器件结构及制作方法。

技术介绍

[0002]碳化硅（SiC），是新型宽禁带半导体材料，以其制作的器件具有耐高温、抗辐射、开关速度快、工作频率高的优点，在高压功率半导体
应用广泛。碳化硅材料虽然能够大幅提升半导体器件的性能，但是在器件设计和工艺上仍然存在非常多的挑战，如栅氧可靠性、沟槽工艺、欧姆接触等。
[0003]近年来，SiC MOSFET器件产品陆续出现在功率半导体市场中，因具有较低的导通电阻以及较快的开关速度，在新能源汽车、光伏太阳能逆变器等领域有广阔的应用前景。SiC MOSFET作为单极型器件，MOSFET的漂移区电阻随阻断电压成平方关系增加，阻断电压在10kV及以上时，SiC MOSFET的导通电阻会由于其单极特性而迅速提高，在高压大电流领域的应用受到限制。
[0004]沟槽型SiC MOSFET虽然比平面SiC MOSFET减少FET区域的电阻，但由于碳化硅栅氧层材料薄膜生长工艺不成熟，特别是在高压MOSFET器件结构中，栅氧层质量对器件的载流子迁移率以及栅氧可靠性有非常重要的影响。耐压能力在10kV及以上的沟槽栅SiC MOSFET器件目前仍然没有被开发出来，主要原因为：在10kV及以上高压条件下，SiC栅氧层质量非常不可靠，沟槽栅结构下的栅氧所承受的电场远高于材料的临界击穿场强，因此现有的SiC功率器件在高压条件下可靠性低。
[0005]另外，由于IGBT结构在导通条件下PN结的电导调制效应，使IGBT器件在大电流导通状态下的仍具有较低的导通电阻，因此IGBT结构在解决高压大电流的方面有较大的优势。SiC IGBT可轻松实现10kV及以上的耐压能力，在高压电网、轨道交通等高压电力输送领域有重要应用前景。但是对于SiC IGBT器件而言，由于SiC的PN结导通压降约为2.7V，在大电流的条件下，SiC IGBT仍具有较高的导通损耗，并且SiC IGBT在应用过程中需要反并联外接一个快恢复二极管，器件成本高，可靠性低。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决
技术介绍
中的至少一个技术问题，提供一种耗尽型碳化硅双极器件结构及制作方法。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供一种耗尽型碳化硅双极器件结构，包括：N型缓冲层；N
‑
型漂移层，形成在所述N型缓冲层上，并且其远离所述N型缓冲层的一侧具有两个对称的沟槽结构；P型掺杂区，形成在所述N
‑
型漂移层的两个所述沟槽结构的侧壁和底部；P+欧姆接触区，形成在所述P型掺杂区上；
N+欧姆接触区，形成在所述N
‑
型漂移层和所述P型掺杂区上；绝缘介质层，形成在所述 P型掺杂区的侧壁上；栅极金属层，形成在所述P+欧姆接触区上；发射极金属层，形成在所述所述N+欧姆接触区上；还包括：N+型衬底层；N+离子注入区，形成在所述N+型衬底层下方；P+离子注入区，所述P+离子注入区和所述N+离子注入区沿所述N+型衬底层的长度方向相间地形成在所述N+型衬底层下方；肖特基金属接触区，对应形成在所述N+离子注入区下方；欧姆接触区，对应形成在所述P+离子注入区下方；集电极金属层，形成在所述肖特基金属接触区和所述欧姆接触区的下方。
[0008]根据本专利技术的一个方面，所述集电极金属层由金属Ti、Ni或Ag形成。
[0009]根据本专利技术的一个方面，所述肖特基金属接触区由金属材料Ti、Pt、Sb、Co或Mo形成。
[0010]根据本专利技术的一个方面，所述N+型衬底层的厚度为50
‑
200μm。
[0011]根据本专利技术的一个方面，所述N型缓冲层的厚度为0.5
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2μm。
[0012]根据本专利技术的一个方面，所述N
‑
型漂移层的厚度为3
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150μm。
[0013]根据本专利技术的一个方面，所述P型掺杂区为P型参杂SiC层，通过离子注入Al离子形成。
[0014]根据本专利技术的一个方面，所述绝缘介质层由SiO2、SiN或HfO形成。
[0015]根据本专利技术的一个方面，所述栅极金属层和所述发射极金属层均由金属Al形成。
[0016]为实现上述目的，本专利技术还提供一种制备上述耗尽型碳化硅双极器件结构的方法，包括：S01,在N+型衬底层上外延所述N型缓冲层，在所述N型缓冲层上外延所述N
‑
型漂移层；S02,在所述N
‑
型漂移层蚀刻出沟槽结构，并在所述沟槽结构的侧壁和底部注入高能Al离子，形成所述P型掺杂区；S03,在所述N
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型漂移层上注入N型离子，形成N+欧姆接触区；S04,在所述P型掺杂区上注入P型离子，形成所述P+欧姆接触区；S05,分别对所述N
‑
型漂移层和所述P型掺杂区离子注入后，对器件进行高温退火，退火温度为1600℃至2000℃；S06,在所述沟槽结构的侧壁生长所述绝缘介质层；S07,分别在所述P+欧姆接触区上和所述N+欧姆接触区上淀积金属Al形成所述栅极金属层和所述发射极金属层；S08,对所述N+型衬底层远离所述N型缓冲层的一侧进行减薄；S09,对所述N+型衬底层远离所述N型缓冲层的一侧注入P型离子，形成所述P+离子注入区，所述N+型衬底层上未注入P+型离子的部分形成所述N+离子注入区；S10,在所述N+离子注入区远离所述N型缓冲层的一侧沉积肖特基金属材料，形成
所述肖特基金属接触区，在所述P+离子注入区远离所述N型缓冲层的一侧做欧姆接触形成所述欧姆接触区；S11,在所述肖特基金属接触区和所述欧姆接触区远离所述N型缓冲层的一侧沉积金属材料形成所述集电极金属层。
[0017]根据本专利技术的方案，本专利技术包括前级部分和后级部分，前级部分位于本器件结构的上部，前级部分包括N型缓冲层、N
‑
型漂移层、 P型掺杂区、P+欧姆接触区、N+欧姆接触区、绝缘介质层、栅极金属层和发射极金属层在内的碳化硅JFET结构；后级部分位于本器件结构的下部，后级部分包括N+型衬底层、集电极金属层、欧姆接触区、肖特基金属接触区、N+离子注入区、P+离子注入区，在后级部分中，N+型衬底层、N+离子注入区、肖特基金属接触区和集电极金属层形成肖特基二极管结构；N+型衬底层、P+离子注入区、欧姆接触区和集电极金属层形成PN结二极管结构，并且肖特基二极管结构和PN结二极管结构沿集电极金属层的长度方向相间布置。其中N型缓冲层与N+型衬底层连接，用于串联前级部分和后级部分。在前级部分引入碳化硅JFET结构，使本专利技术具备碳化硅JFET结构的高耐压和低导通损耗的优点。
[0018]根据本专利技术的方案，本专利技术的前级部分引入碳化硅JFET结构，利用碳化硅JFET可实现多级串联的特性，实现了碳化硅JFET结构、肖特基二极管结构和PN结二极管结构的多级组合设计，并且不会引入较大的串联电阻。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耗尽型碳化硅双极器件结构，包括：N型缓冲层（110）；N
‑
型漂移层（120），形成在所述N型缓冲层（110）上，并且其远离所述N型缓冲层（110）的一侧具有两个对称的沟槽结构（121）；P型掺杂区（122），形成在所述N
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型漂移层（120）的两个所述沟槽结构（121）的侧壁和底部；P+欧姆接触区（124），形成在所述P型掺杂区（122）上；N+欧姆接触区（123），形成在所述N
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型漂移层（120）和所述P型掺杂区（122）上；绝缘介质层（130），形成在所述P型掺杂区（122）的侧壁上；栅极金属层（140），形成在所述P+欧姆接触区（124）上；发射极金属层（150），形成在所述所述N+欧姆接触区（123）上；其特征在于，还包括：N+型衬底层（240）；N+离子注入区（211），形成在所述N+型衬底层（240）下方；P+离子注入区（221），所述P+离子注入区（221）和所述N+离子注入区（211）沿所述N+型衬底层（240）的长度方向相间地形成在所述N+型衬底层（240）下方；肖特基金属接触区（212），对应形成在所述N+离子注入区（211）下方；欧姆接触区（222），对应形成在所述P+离子注入区（221）下方；集电极金属层（230），形成在所述肖特基金属接触区（212）和所述欧姆接触区（222）的下方。2.根据权利要求1所述的耗尽型碳化硅双极器件结构，其特征在于，所述集电极金属层（230）由金属Ti、Ni或Ag形成。3.根据权利要求1所述的耗尽型碳化硅双极器件结构，其特征在于，所述肖特基金属接触区（212）由金属材料Ti、Pt、Sb、Co或Mo形成。4.根据权利要求1所述的耗尽型碳化硅双极器件结构，其特征在于，所述N+型衬底层（240）的厚度为50
‑
200μm。5.根据权利要求4所述的耗尽型碳化硅双极器件结构，其特征在于，所述N型缓冲层（110）的厚度为0.5
‑
2μm。6.根据权利要求4所述的耗尽型碳化硅双极器件结构，其特征在于，所述N
‑
型漂移层（120）的厚度为3
‑
150μm。7.根据权利要求1所述的耗尽型碳化硅双极器件结构，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈显平，钱靖，
申请(专利权)人：重庆平创半导体研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：