评估超结结构电荷平衡的叉指超结MIS结构及测试方法技术

本发明专利技术公开了一种评估超结结构电荷平衡的叉指超结MIS结构及测试方法，包括硅N+型衬底、超结N区、超结P区、氧化硅薄膜、N区铝薄膜、P区铝薄膜、衬底背面铝薄膜；包括步骤：(1)在N+硅衬底片上制备超结结构，然后在超结结构表面生长氧化硅薄膜，接着在氧化硅薄膜表面溅射金属薄膜，同时在N+衬底背面也溅射一层金属薄膜，得到叉指超结MIS结构器件；(2)在低频或高频条件下分别测试叉指超结MIS结构的N区与P区的C

【技术实现步骤摘要】
评估超结结构电荷平衡的叉指超结MIS结构及测试方法


[0001]本专利技术属于半导体
，尤其是涉及评估超结结构电荷平衡的叉指超结MIS结构及测试方法。

技术介绍

[0002]新一代电力电子装置的核心
‑
半导体功率器件面临了更高的标准和更苛刻的要求。传统硅单极功率半导体器件的比导通电阻和击穿电压具有2.5次方“硅极限”的关系，而在此基础上，超结创新性地引入周期性电荷平衡的机制，使传统单一导电的电阻型耐压层转变为由N/P区组成的结型耐压层。该结构的提出突破了传统“硅极限”，并使其降低为1.32次方，甚至1.03次方的准线性关系。因此，超结技术应用到硅功率器件中，将实现硅功率器件的升级换代，是功率器件领域的一项重大突破。MIS 结构即金属
‑
绝缘层
‑
半导体结构。
[0003]超结结构应满足电荷平衡原理，即N/P区中掺入的杂质总量应相等，以确保N/P区在阻断时同时耗尽。处于电荷非平衡状态的超结结构，击穿电压、比导通电阻都无法达到目标要求，使得超结器件难以表现出优异的性能。
[0004]所以，在制备超结器件时，能否准确评估超结区是否达到电荷平衡便显得至关重要，对于后续器件性能测试以及超结工艺的改进和优化都具有相当重要的意义。
[0005]以往制备超结器件过程中常通过测试超结耐压层的击穿电压来评估超结区的电荷平衡情况。然而该方法有一个硬性要求，即击穿必须发生在元胞区，因此必须要求终端区的终端效率非常高，大幅增加了设计超结器件的难度，且即使超结区电荷非平衡，该法也不能判断出 P区掺杂偏高还是N区掺杂偏高，使得下一步器件结构优化与工艺优化难以开展。
[0006]因此，在此探究一种简单且有效的评估超结结构电荷平衡的测试方法，这将对超结功率器件的设计与制备有着重要意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提出一种简单且有效的评估超结结构电荷平衡的叉指超结MIS结构及测试方法，实现了超结器件在制备过程中对超结N区与超结P区电荷平衡情况的精准评估。
[0008]为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：
[0009]一种评估超结结构电荷平衡的叉指超结MIS结构，包括衬底背面铝薄膜7、衬底背面铝薄膜7上方的硅N+型衬底1，硅N+型衬底1上方的交替排列的超结N区2与超结P区3，超结N区2与超结P区3上方的氧化硅薄膜4，氧化硅薄膜4上方的N区铝薄膜5和P区铝薄膜6，N区铝薄膜5和P区铝薄膜6为叉指结构，N区铝薄膜5和P区铝薄膜6都包括沿超结N区2与超结P区3交替排列方向延伸的水平段、垂直于水平段上的多个垂直段，相邻的 N区铝薄膜5的垂直段之间伸入P区铝薄膜6的垂直段，相邻的P区铝薄膜6的垂直段之间伸入N区铝薄膜5的垂直段；N区铝薄膜5的垂直段位于超结N区2上方对应区域，P区铝薄膜6的垂直段位于P区3上方对应区域，N区铝薄膜5与P区铝薄膜6不接触。
[0010]作为优选方式，超结N区2与超结P区3为条形元胞、方形元胞、六角形元胞、网格形元胞其中的一种。
[0011]本专利技术还提供一种评估超结结构电荷平衡的叉指超结MIS结构的测试方法，包括以下步骤：
[0012](1)在N+硅衬底片上制备超结结构，然后在超结结构表面生长氧化硅薄膜，接着分别在超结N区对应的氧化硅薄膜表面和超结P区对应的氧化硅薄膜表面溅射金属薄膜，同时在 N+衬底背面也溅射一层金属薄膜，进而制备得到用于电学测试的叉指超结MIS结构器件；
[0013](2)在低频或高频条件下分别测试叉指超结MIS结构的超结N区与超结P区的C
‑
V特性曲线；
[0014](3)根据测试的低频或高频C
‑
V特性曲线，通过比较超结N区测试电容的最小值与绝缘层氧化硅电容的比值、和超结P区测试电容的最小值与绝缘层氧化硅电容的比值，对超结是否电荷平衡进行判定，如果二者相等，则说明超结N区和超结P区浓度相等，即超结N区和超结P区电荷平衡；如果超结P区测试电容的最小值与绝缘层氧化硅电容的比值、大于超结 N区测试电容的最小值与绝缘层氧化硅电容的比值，则说明超结P区浓度大于超结N区浓度；如果超结N区测试电容的最小值与绝缘层氧化硅电容的比值、大于超结P区测试电容的最小值与绝缘层氧化硅电容的比值，则说明超结N区浓度大于超结P区浓度；若超结N区和超结 P区电荷非平衡，通过高频下超结N区电容最小值公式与高频下超结P区电容最小值公式推出具体的非平衡度。
[0015]作为优选方式，步骤(3)中，高频下超结N区电容最小值C
N,min
′
由以下公式求得：
[0016][0017]高频下超结P区电容最小值C
P,min
′
由以下公式求得：
[0018][0019]绝缘层氧化硅电容C0由以下公式求得：
[0020][0021]其中，A是绝缘层氧化硅上所覆盖金属薄膜的面积，C0是绝缘层氧化硅的电容，d0为绝缘层氧化硅的厚度；ε
r0
为氧化硅的相对介电常数，ε
rs
为硅的相对介电常数，ε0为介电常数； N
N
是超结N区的掺杂浓度，N
P
是超结P区的掺杂浓度，A
N
是覆盖超结N区的金属薄膜面积， A
P
是覆盖超结P区的金属薄膜面积；q是元电荷，k0是玻尔兹曼常数，T是温度，n
i
是本征载流子浓度。
[0022]作为优选方式，步骤(1)中，所述超结结构制备的工艺为：沟槽刻蚀
‑
外延回填法、多次外延
‑
多次刻蚀法其中的一种。
[0023]作为优选方式，步骤(1)中，所述氧化硅薄膜的厚度为20
‑
40nm，N区铝薄膜5、P区铝薄膜6、衬底背面铝薄膜7的厚度为50
‑
100nm。
[0024]作为优选方式，步骤(1)中，氧化硅薄膜的生长为干氧氧化、湿氧氧化其中一种。
[0025]作为优选方式，步骤(1)中，金属薄膜的生长选自磁控溅射法、电子束蒸发法其中一种。
[0026]作为优选方式，步骤(2)中，低频的频率为10
‑
100Hz；高频的频率为50k
‑
500kHz。
[0027]作为优选方式，步骤(2)中，测试C
‑
V特性曲线的施加电压范围为
‑
20
‑
20V之间。
[0028]本专利技术的有益效果为：提出一种基于叉指超结MIS结构的评估超结区电荷平衡的测试方法，实现了超结器件在制备过程中超结N区与超结P区电荷平衡情况的精准评估，有利于进行下一步器件结构优化与工艺优化。相比于通过测试超结耐压层的击穿电压来判断超结区是否电荷平衡的方法，本专利技术提出的测试方法所需的测试结构制备简单，测试结果更为准确，便于学界与产业界的推广使用。
附图说明
[0029]图1为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种评估超结结构电荷平衡的叉指超结MIS结构，其特征在于：包括衬底背面铝薄膜(7)、衬底背面铝薄膜(7)上方的硅N+型衬底(1)，硅N+型衬底(1)上方的交替排列的超结N区(2)与超结P区(3)，超结N区(2)与超结P区(3)上方的氧化硅薄膜(4)，氧化硅薄膜(4)上方的N区铝薄膜(5)和P区铝薄膜(6)，N区铝薄膜(5)和P区铝薄膜(6)为叉指结构，N区铝薄膜(5)和P区铝薄膜(6)都包括沿超结N区(2)与超结P区(3)交替排列方向延伸的水平段、垂直于水平段上的多个垂直段，相邻的N区铝薄膜(5)的垂直段之间伸入P区铝薄膜(6)的垂直段，相邻的P区铝薄膜(6)的垂直段之间伸入N区铝薄膜(5)的垂直段；N区铝薄膜(5)的垂直段位于超结N区(2)上方对应区域，P区铝薄膜(6)的垂直段位于P区(3)上方对应区域，N区铝薄膜(5)与P区铝薄膜(6)不接触。2.根据评估超结结构电荷平衡的叉指超结MIS结构，其特征在于：超结N区(2)与超结P区(3)为条形元胞、方形元胞、六角形元胞、网格形元胞其中的一种。3.权利要求1或2所述的一种评估超结结构电荷平衡的叉指超结MIS结构的测试方法，其特征在于包括以下步骤：(1)在N+硅衬底片上制备超结结构，然后在超结结构表面生长氧化硅薄膜，接着分别在超结N区对应的氧化硅薄膜表面和超结P区对应的氧化硅薄膜表面溅射金属薄膜，同时在N+衬底背面也溅射一层金属薄膜，进而制备得到用于电学测试的叉指超结MIS结构器件；(2)在低频或高频条件下分别测试叉指超结MIS结构的超结N区与超结P区的C
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V特性曲线；(3)根据测试的低频或高频C
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V特性曲线，通过比较超结N区测试电容的最小值与绝缘层氧化硅电容的比值、和超结P区测试电容的最小值与绝缘层氧化硅电容的比值，对超结是否电荷平衡进行判定，如果二者相等，则说明超结N区和超结P区浓度相等，即超结N区和超结P区电荷平衡；如果超结P区测试电容的最小值与绝缘层氧化硅电容的比值、大于超结N区测试电容的最小值与绝缘层氧化硅电容的比值，则说明超结P区浓度大于超结N区浓度；如果超结N区测试电容的最小值与绝缘层氧化硅电容的比值、大于超结P区测试电容的最小值与绝缘层氧化硅电容的比值，则说明超结N区浓度大于超结P区浓度；若超结N区和超结P区电荷非平衡，通过高频下超结N区电容最小值公式与高频下超结P区电容最小值公式推出具体的非平衡度。4.根据权利要求3所述的评估超结结构电荷平衡的叉指超结MIS结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：李轩，王常旺，吴一帆，李凌峰，邓小川，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：