一种超结碳化硅NPN型三极管及其制备方法技术

一种超结碳化硅NPN型三极管及其制备方法。涉及半导体技术领域。本发明专利技术与传统SiC BJT相比，增益系数从150提升到160@Ic=100mA、Vce=10V；耐压BVcbo从1200V提升到2200V@Ic=100mA。原因是在承担耐压时，P柱以及P柱间的N

【技术实现步骤摘要】
一种超结碳化硅NPN型三极管及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体
，尤其涉及一种超结碳化硅NPN型三极管及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳化硅 (SiC) 是一种具有优越的物理和电学性能的宽隙带半导体，是未来高压，低损耗电力电子应用领域的基础材料。作为第三代半导体的典型代表，碳化硅材料和其他常用的半导体材料相比具有非常大的优势。禁带宽度方面，SiC 的禁带宽度是 Si的2~3 倍，是 GaAs 的2倍。更宽的禁带意味着更低的本征载流子浓度，因此器件具有更低的反向泄漏电流，更适合用于开关电路。热导率方面，SiC 的热导率在室温下是 Si的3 倍多，是 GaAs 的9倍多。更高的热导率使得器件在工作中在所产生的热能较快散去，保证器件不因温度过高而失效，同时降低了电路冷却系统的运行成本。SiC 器件能工作在最高温度超过.600℃的环境中而不发生失效，传统的 Si 器件往往在 200C左右失效。临界击穿电场方面，SiC 的临界击穿电场是 S的 10 倍左右，因此在实现同样的反向耐压时，SiC 器件的漂移区的厚度约为 Si 的 1/10，这大大降低了器件正向导通电阻，减小了电路无用的开关损耗。饱和电子速度方面，SiC 的饱和电子速度是 Si的2倍，因此 SiC 器件可以用在更高工作频率的场合。由于 SiC 材料具有上述优良的电学性能，因此其被认为是制造下一代高性能功率器件的一种理想材料。
[0003]双极型晶体管属于电流驱动的常关型三端器件。在早期的集成电路芯片中，双极型晶体管是数字和模拟IC 的核心器件。随着 CMOS 和SOI技术的快速发展，双极工艺逐渐被取代。如今，双极型晶体管主要应用于射频功放、信号放大和功率开关等领域，并以分立器件为主。Si 功率双极型晶体管可以实现数百安培的正向导通电流和将近2000V的反向击穿电压，但电流增益较低的劣势使其逐渐被IGBT 所取代，碳化硅材料的优越性使得SiC功率BJT再次进入研究热潮。在相同工作电压和电流下SiC BJT拥有比Si IGBT更低的导通损耗和开关损耗，展现了巨大的功率应用前景。
[0004]对于 SiC BJT 来讲，由于 SiC 材料的电子的迁移率要大于空穴的迁移率，NPN BJT 具有比PNP BJT 更大的载流子输运能力，从而具有更高的电流增益，另一方面目前常用的 SiC 衬底掺杂类型为N 型，P 型衬底较难获得，而高压 BJT 一般设计为纵向结构以尽可能提高反向击穿电压，综合上述两个方面，在实际设计中会优先选择 NPN 型的 BJT。值得注意的是，传统 BJT 主要工作在正向有源区用于电信号的放大，而功率 BJT 作为一个电学开关主要工作在饱和区与截止区。常规的三极管由发射区、基区和集电区三个区域组成，功率 BJT 的集电区比传统 BJT 具有更低的掺杂浓度、更厚的宽度，这一承受器件反向耐压的区域被称作漂移区。从结构上看，NPN双极型晶体管可认为是由背靠背的一个NP 结和一个PN 结组成，分别称为发射结和集电结。根据这两个结所加偏压的不同，双极型晶体管作为功率开关应用时主要包含正向导通和反向截止两个模式，如下(1)正向导通模式:发射结正偏(VBE＞0)，集电结反偏(VBC<0);
(2)反向截止模式:发射结反偏(VBE＜0)，集电结反偏(VBC<0)。
[0005]经过十几年的不断发展，SiC BJT 的制造流程不断完善，制约器件特性的关键工艺(如干法刻蚀、离子注入、欧姆接触等)相继成功开发，因此 SiCBJT 的电学性能得到了很大的提升。但是 SiC BJT 在正式商用之前依然存在一些问题有待解决，功率器件领域主要表现在对器件的击穿特性和电流增益效果有更高的要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对以上问题，提供了一种提升BJT集电结耐压并增大器件电流增益的一种超结碳化硅NPN型三极管及其制备方法。
[0007]本专利技术的技术方案是：一种超结碳化硅NPN型三极管的制备方法，包括以下步骤：S100，选取SiC衬底并进行N型掺杂；S200，SiC衬底上沉积生长N
‑
漂移区；S300，N
‑
漂移区刻蚀深槽，并沉积P型SiC柱；S400，在步骤S300上表面依次沉积P型SiC层和N型SiC层；S500，发射极台面刻蚀并进行基区的表面注入；S600，碳膜保护、离子注入后高温退火激活；S700，欧姆接触工艺并进行表面钝化层制作。
[0008]具体的，步骤S100包括：在厚度为1mm的4H
‑
SiC衬底上扩散氮，使氮的掺杂浓度达到5e18cm
‑3，变成N型的SiC衬底。
[0009]具体的，步骤S200包括：采用化学气相沉积在SiC衬底上生长N
‑
漂移区，漂移区的厚度为18um，掺杂元素为氮，掺杂浓度为5e15cm
‑3。
[0010]具体的，步骤S300包括：S310，在元胞两端刻蚀宽度为4um、深度为10um的槽；S320，采用化学气相在槽内沉积生长10um的P型SiC柱，掺杂元素为铝，掺杂浓度为7.5e15cm
‑3。
[0011]具体的，步骤S400包括：S410，采用化学气相沉积生长0.9um的P型SiC层，该层掺杂元素为铝，掺杂浓度为3e
17
；S420，采用化学气相沉积生长1.1um的N型SiC层，该层掺杂元素为氮，掺杂浓度为2e
19
。
[0012]具体的，步骤S500包括：S510，通过干法刻蚀工艺，将P柱上方区域N型SiC层刻蚀1.2um，为下一步基区的欧姆接触区离子注入做准备；S520，在P柱的上方区域的表面注入高浓度的Al离子，注入能量为10KeV、剂量为8e14cm
‑2。
[0013]具体的，步骤S600包括：
在器件上表面涂敷1um碳膜，然后进行离子注入后的高温退火，退火温度为1700℃，退火时间为30min，退火后使用RCA标准清洗去除碳膜。
[0014]具体的，步骤S700包括：S710，在集电极使用磁控溅射技术做欧姆金属，金属种类为Ti和Ni，厚度分别为50nm和200nm；参照图10所示；S720，在基极和发射极使用磁控溅射技术做欧姆金属，金属依次包括50nm的Ti、200nm的Al、50nm的Ti。
[0015]具体的，步骤S700包括：S710，使用PECVD工艺，在器件表面先沉积一层500nm的SiO2，再沉积一层500nm的Si3N4,保护器件表面并平滑电场。
[0016]超结碳化硅NPN型三极管，包括从下而上依次设置的集电极金属、SiC衬底、N
‑
漂移区和P型SiC层；所述N
‑
漂移区的上靠近外侧设有延伸至P型SiC层的P型Sic柱；所述P型SiC层顶面的中部设有伸入二氧化硅保护层的N型SiC层，所述N型SiC层上设有发射极金属；所述P型SiC层上，N型SiC层的外侧设有伸入二氧化硅保护层的基极金属。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超结碳化硅NPN型三极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S100，选取SiC衬底（1）并进行N型掺杂；S200，SiC衬底（1）上沉积生长N
‑
漂移区（2）；S300，N
‑
漂移区（2）刻蚀深槽，并沉积P型SiC柱（3）；S400，在步骤S300上表面依次沉积P型SiC层（4）和N型SiC层（5）；S500，发射极台面刻蚀并进行基区的表面注入；S600，碳膜（6）保护、离子注入后高温退火激活；S700，欧姆接触工艺并进行表面钝化层制作。2.根据权利要求1所述的一种超结碳化硅NPN型三极管的制备方法，其特征在于，步骤S100包括：在厚度为1mm的4H
‑
SiC衬底上扩散氮，使氮的掺杂浓度达到5e18cm
‑3，变成N型的SiC衬底。3.根据权利要求1所述的一种超结碳化硅NPN型三极管的制备方法，其特征在于，步骤S200包括：采用化学气相沉积在SiC衬底（1）上生长N
‑
漂移区（2），漂移区的厚度为18um，掺杂元素为氮，掺杂浓度为5e
15
cm
‑3。4.根据权利要求1所述的一种超结碳化硅NPN型三极管的制备方法，其特征在于，步骤S300包括：S310，在元胞两端刻蚀宽度为4um、深度为10um的槽；S320，采用化学气相沉积法在槽内沉积生长10um的P型Sic柱（3），掺杂元素为铝，掺杂浓度为7.5e
15
cm
‑3。5.根据权利要求1所述的一种超结碳化硅NPN型三极管的制备方法，其特征在于，步骤S400包括：S410，采用化学气相沉积法沉积生长0.9um的P型SiC层（4），该层掺杂元素为铝，掺杂浓度为3e
17
；S420，采用化学气相沉积法沉积生长1.1um的N型SiC层（5），该层掺杂元素为氮，掺杂浓度为2e
19
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【专利技术属性】
技术研发人员：傅信强，周理明，王毅，
申请(专利权)人：扬州扬杰电子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：