专利名称：高温应用碳化硅场效应晶体管及其使用和制造方法
技术领域：
本发明涉及用于高温应用的SiC场效应晶体管、这种晶体管的使用及其制造方法，其中该场效应晶体管具有源区层、漏区层、在源区层和漏区层之间传导电流的轻掺杂沟道区层、设置成通过改变所施加的电压来控制沟道区层传导特性的栅极、和设置有栅极的前表面。
SiC有很多特性使它非常适合于作为在极端条件下工作的半导体器件中的材料。它的宽带隙和高的热稳定性，使它理论上可用于SiC半导体器件以在高达1000K的温度下很好地工作。然而，器件结构中的某些机理使无故障工作的最高可能温度限制到很低的水平。
前言中定义的和已经公知的SiC场效应晶体管由于电荷注入机理而不能在更高温度下工作。在栅极和SiC的外延层之间存在绝缘层的情况下，SiC导带边缘和绝缘材料(普通二氧化硅)导带边缘之间的电子能量势垒与例如硅相比很小。这样，用在SiC中经受的高电场耦合，增加了由于从SiC向绝缘层的电荷注入引起的绝缘层被击穿的机会。这个效果由于势垒降低而将随着温度而增加，并且能在比预期低的温度下发生故障。
已经预先提到的在较高温度出现故障的另一个机理是与周围气氛中的气体的接触金属化的反应和由此产生的退化。
SiC场效应晶体管的一个可能应用是作为气体传感器，例如在来自机动车内燃机的汽缸的排放气体流中用于检测所通过的排放气体的成分。已经公知的这种传感器只能无故障地承受较低的温度和必须在排放气体已经充分冷却的系统中的位置远离汽缸放置，导致了很长的响应时间，并且因为传感器只能检测汽缸的输出接合处，因此不能调节各个汽缸。作为材料SiC有能使场效应晶体管放在附近以便足以关于其固有热稳定性单独监视每个分开的汽缸的潜力。这将提供更快的响应时间和机会以在它发动不起来时单独调节每个汽缸。这将导致汽油损耗减少和产生更洁净的排放气体，由此产生一种更有利于环境的系统。应当指出尽管它很适合应用于承受很高温度的场效应晶体管，但是本发明根本不限制在这一特定的应用领域。
发明概要本发明的目的是提供SiC场效应晶体管，与已经公知的晶体管相比，它在相当高的温度下可稳定工作并且可构成为有利的气体传感器，而且还发现了其它可能的应用。
根据本发明这个目的是通过以下方式实现的设置与所述前表面垂直分开的源区层、漏区层和沟道区层，用于在晶体管工作时减小所述表面上的电场。
有源的源、漏和沟道区与前表面分开减小了所述前表面附近的电场。这意味着在绝缘层存在于前表面上时减少了向所述绝缘层的上述电荷注入并且绝缘层可以承受比以前更高的温度，实际上高达800℃。
而且，由于其有源区与表面分开，因此晶体管工作时对表面效应的灵敏度将减小。
有源区与前表面分开还允许栅极放置在整个有源区上，源和漏在一段距离接触，因此当用做气体传感器时，除了催化栅极之外，所有电极被封装保护而不暴露于气氛，因此延长了使用寿命。
另一个优点是通过以下方式获得的从表面去掉有源区，即，使用不连续的栅极并且器件仍然工作。这是非常重要的特征，因为栅金属层可能随着时间而变得不连续，但是这里对于其它类型的器件来说它仍然工作和不出故障。这也构成了本发明的优选实施例。
根据本发明的另一个优选实施例，晶体管包括使源区层和漏区层与所述前表面分开的第一SiC层，并且它根据与源区层和漏区层相同的第一导电类型轻掺杂。这种轻掺杂层可用于通过栅压有效控制沟道区层的传导特性，并且它为常断和常通器件即器件分别工作在增强模式和耗尽模式提供了必需的特征。所述第一层的掺杂浓度低于1016cm-3，优选低于2×1015cm-3。
根据本发明的另一个优选实施例，源区层和漏区层都被掩埋在SiC的外延层中并横向分开用于形成横向即水平场效应晶体管。这种横向晶体管将具有有利的功能，在这种晶体管的叉指结构中，它将可以掩埋横向交替的条形源区层和漏区层。
根据本发明的又一个优选实施例，根据与第一导电类型相反的第二导电类型轻掺杂的第二SiC层设置在源区层和漏区层下面，用于影响设置在其上的沟道区层。利用这种方式第二层和栅极从相反方向影响沟道区层，由此可能在源区层和漏区层之间出现传导沟道，因而可获得很灵敏的晶体管。
根据本发明的再一优选实施例，源区层和漏区层之一掩埋在SiC的外延层中，而另一个设置在与所述前表面相反的晶体管背面，用于垂直分开源区层和漏区层，以便形成垂直场效应晶体管。这种垂直晶体管在某些应用中是特别有利的。
根据本发明的又一优选实施例，所述第一导电类型是n型。这在目标是器件的最高可能导电性的情况中特别优选，这是因为电子的迁移率比SiC中的空穴的迁移率高。然而，根据本发明另一个优选实施例，所述第一导电类型是p型。在某些情况下，空穴的传导性是优选的，这种晶体管由于较大的势垒高度而在高温时更稳定，并且当例如晶体管用做气体传感器时，由于晶体管的电流必须变化，因此不会出现总电流降低的问题。
根据本发明的非常优选的实施例，栅极由催化金属构成，并暴露于所述前表面上以便能吸收特定气体原子/分子，用于影响栅极电压和允许晶体管作为气体传感器工作。这是这种类型的晶体管的非常有利的应用，原因是上面提到的，栅极可以露出，并且仍然可以从设置栅极的前表面除去峰值电场，使晶体管在非常高的温度下稳定工作。
根据本发明构成又一进展的优选实施例，前面提到催化栅极金属适于使碳氢化合物分解并吸收氢。这种晶体管适用于在有很高温度的位置检测来自汽车发动机的汽缸的排放气体中是否存在碳氢化合物，用于监视每个独立的汽缸的功能。
本发明还包括晶体管在温度高于500℃，优选高于600℃的环境下的使用，例如用于检测离开机动车的汽缸的排放气体的成分。
本发明还包括制造用于高温应用的SiC场效应晶体管的方法，其中如下制造被掩埋在外延生长的SiC层中的源区层和/或漏区层，即在第一步骤中，利用将掺杂剂注入到外延生长层中或利用外延生长同时输送掺杂剂，接着在第二步骤中，在其顶部进行SiC的轻掺杂层的外延再生长。这种类型的晶体管相对更容易制造。
从下面的描述和其它从属权利要求明显看出本发明的其它优点和有利特征。
附图的简要说明参照附图，作为例子介绍本发明的优选实施例。
附图中
图1是根据本发明第一优选实施例的SiC横向场效应晶体管的示意剖面图，图2是根据本发明第二优选实施例的SiC横向场效应晶体管的示意剖面图，图3是根据本发明第三优选实施例的SiC垂直场效应晶体管的示意剖面图，图4是表示用做使栅极暴露于两种不同气体成分的气体传感器的SiC场效应晶体管中的漏电流作为漏偏压函数的曲线，和图5是表示当图4中的晶体管被施加氢脉冲时气体传感器响应电压与时间的曲线。
本发明优选实施例的详细说明非排他性地特别适用于作为气体传感器的高温应用场效应晶体管示于图1中。该晶体管在背面金属化层1的顶部有被掺杂为p型的SiC衬底层和其顶部上被极轻掺杂为p型的第二层3。n型源区层4和漏区层5设置在第二层3顶部并由也为n型掺杂的沟道区层6横向分开。极轻掺杂n型的第一薄层7设置在层4-6的顶部。使附图区域外面的源和漏条4、5的端部接触。栅极12位于层4-7的顶部，例如SiO2、Si3N4、或AIN的绝缘层13使栅极12与第一层7隔开。在用做气体传感器的情况下，栅极12由催化金属制成，如铂、钯或铱。第一层7和第二层3的掺杂浓度一般低于1016cm-3，并且优选低于2×1015cm-3。栅极12适于通过施加于其上的电压控制沟道区层6的传导特性，并通过第一层7影响沟道区层，因此第一层7被制成很薄。第一层7和第二层3的厚度可以为0.5μm，而衬底层2的厚度可为300μm，附图中所示的不同层的比例与实际比例没有特别关系，但是这种选择是为了清楚起见。这样，沟道区层6下面受到第二层3的影响，上面受到栅极12的影响。该器件将在增强模式或耗尽模式运行，这取决于沟道区6的掺杂水平和厚度，即它可以是常断型或常通型器件。
由于与晶体管前表面14相距一段距离的掩埋沟道6和掩埋源区层4以及漏区层5的存在，表面上的电场将被减小，因而向绝缘层13的电荷注入可以保持在低水平。
由于与晶体管前表面14相距一段距离的掩埋沟道6和掩埋源区层4以及漏区层5的存在，栅极可以施加于整个有源区和相隔一段距离的源电极和漏电极上，因而在用做气体传感器的情况下，只有栅极可暴露于气氛中，源电极和漏电极被封装保护。
该器件作为碳氢化合物气体传感器的功能如下。如果该器件是常通型并在耗尽模式下工作，通常电流将从源区层4通过沟道区层6流向漏区层5。如果在气氛中存在碳氢化合物，栅极12的催化金属将在栅极表面将气体分子分解成气体离子，并且氢离子将被栅金属吸收并扩散到与绝缘层13的界面中，由此影响栅极的功函数，并相应地影响沟道区层6中的传导沟道的宽度和电流。这意味着可以通过测量电流的改变来测量排放气流中碳氢化合物的存在。
图4和5示出了怎样实际检测和测量碳氢化合物的存在，这些曲线示出了在由本发明人制作的SiC场效应晶体管上以及对减少前表面14的电场不象本发明晶体管那样有效的类型的晶体管上进行的测量。测量是在600℃下进行的。图4表示漏电流ID(mA)与漏偏压V(伏特)之间的关系曲线。在栅金属暴露于其中的气氛中，曲线a对应于含有1％O2，而曲线b对应于含有3％H2+1％O2。实际上，通过保持电流水平在100μA和测量衬底接地时源与漏接触之间的电压降的改变来测量气体响应即对氢脉冲的响应。测量到约有1V的电压改变。图5是在0.1mA的恒定漏电流时在上述测量过程中源和漏之间的电压V(伏特)与时间(秒)之间的关系曲线，其中在约30秒之后施加氢脉冲。
图2表示根据本发明第二优选实施例的晶体管，与图1的不同之处只在于轻掺杂的第二层3延伸到第一层7，同时分开源区层4和漏区层5。这意味着该晶体管中的传导沟道形成在两条虚线之间的第一层7中，虚线表示第二层3和栅极12怎样从相反方向耗尽第一层7。
根据本发明第三优选实施例的晶体管示于图3中，这是垂直型器件，其中极轻掺杂n型层7延伸到衬底层5’，这里衬底层5’是n型并形成器件背面18上的漏区层。源区层4’掩埋在第一层7中并被其一部分15分隔开。而且，高p型掺杂的第三层16设置在源区层4’下面，并且可以延伸到源区层4以外，第三层16将耗尽部分第一层并形成垂直沟道，根据从源区层到漏区层的线17表示的电流被示为虚线。而且，由于层7轻掺杂且相对较薄，因此这个传导沟道将受到栅极电位的影响。
从器件的前表面14去掉源区层和漏区层及沟道的另一个优点是除了封装内的催化栅金属之外能够封闭整个结构，由此保护关键性接触区不暴露于气氛。结果是显著提高了这种晶体管的性能和温度稳定性。
根据本发明的晶体管在高达至少800℃的极高温度下能够稳定地工作，这使它可用做例如紧邻汽缸的汽车发动机所排放气流中的气体传感器，通过给前表面施加催化栅金属独立地监视每个汽缸。这提供了快速响应时间和在点火不良的情况下独立调节每个汽缸的机会。但是，这种类型的晶体管也能应用于极高温度下的其它应用，并且，在栅压可由外部电源控制时，栅极可由其它催化金属或不活泼金属构成。
可按如下方式制造这种晶体管利用重掺杂衬底(n或p型)，通过例如CVD在衬底一面上生长适当导电类型的轻掺杂层。然后，利用适当掺杂元素的注入和退火或者通过外延生长和腐蚀，形成重掺杂源区层和漏区层。然后在其顶部生长适当导电类型的另一轻掺杂外延层。之后，在需要的情况下处理栅氧化物或其它绝缘层，再加工与源、漏和器件背面的欧姆接触和栅金属。合适的掺杂剂例如是施主杂质N和P，受主杂质Al和B。“重掺杂”通常意味着掺杂浓度高于1019cm-3，优选高于1020cm-3。
当然本发明不限于上述优选实施例的任何方式，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的基本思想的情况下，对于本领域的普通技术人员来说显然可以做出多种修改。
在上面已经介绍的实施例中，掺杂类型可以改变，即n型改变为p型和反之亦然，并且特别感兴趣于晶体管用做气体传感器。
这里以及权利要求书中所使用的“沟道区层”是广义上的并被定义为产生传导沟道的层，“沟道区层与前表面垂直分开”也包括例如根据图2的实施例，尽管其中形成传导沟道的第一层延伸到前表面，但传导沟道与前表面是隔开的。相应地，沟道区层将被理解为第一层的下方子层。
“催化金属”定义为至少能吸收气体分子/原子同时也可能引起气体分子分解的金属。
权利要求
1.高温应用的SiC场效应晶体管，具有源区层(4，4’)、漏区层(5，5’)、用于在源区层和漏区层之间传导电流的轻掺杂沟道区层(6，7)、设置成通过改变所施加的电压来控制沟道区层导电特性的栅极(12)、和设置有栅极的前表面(14)，其特征在于源区层、漏区层和沟道区层与所述前表面垂直分开，在晶体管工作时用于减小所述前表面的电场，所述晶体管包括使源区层(4，4’)和漏区层(5，5’)与所述前表面(14)分开并根据与源区层和漏区层相同的第一导电类型轻掺杂的第一层(7)。
2.根据权利要求1的晶体管，其特征在于所述第一层(7)的掺杂浓度低于1016cm-3，优选低于2×1015cm-3。
3.根据权利要求1或2的晶体管，其特征在于栅极(12)设置在所述前表面(14)上。
4.根据权利要求3的晶体管，其特征在于栅极(12)通过绝缘层(13)与轻掺杂第一层(7)分开。
5.根据权利要求1-4任一个的晶体管，其特征在于源区层(4)和漏区层(5)都被掩埋在SiC外延层中并横向分开，用于形成横向即水平场效应晶体管。
6.根据权利要求5的晶体管，其特征在于根据与第一导电类型相反的第二导电类型轻掺杂的第二SiC层(3)设置在源区层(4)和漏区层(5)下面，用于影响设置于其上的沟道区层(6、7)。
7.根据权利要求6的晶体管，其特征在于栅极(12)和所述第二层(13)设置成分别从上面和下面影响沟道区层。
8.根据权利要求6或7的晶体管，其特征在于源区层(4)和漏区层(5)被部分所述第二层(3)分开。
9.根据权利要求6或7的晶体管，其特征在于源区层(4)和漏区层(5)被掺杂浓度比设置在其上的所述第一层的其余部分高的所述第一层的一部分(6)分开。
10.根据权利要求6-9任一个的晶体管，其特征在于所述第一层(7)适于包括沟道区层。
11.根据权利要求1-4任一个的晶体管，其特征在于源区层(4’)和漏区层之一被掩埋在SiC外延层(7)中，而另一个(5’)设置在与所述前表面(14)相反的晶体管背面(18)上，用于垂直分开源区层和漏区层，以便形成垂直场效应晶体管。
12.根据权利要求11的晶体管，其特征在于源区层和漏区层的所述被掩埋的一层(4’)有被根据第一导电类型轻掺杂的SiC层(7)横向分开的部分，用于形成在所述部分之间延伸的从源区层(4’)到漏区层(5’)的垂直沟道。
13.根据权利要求12的晶体管，其特征在于在所述部分下面的源区层和漏区层的被掩埋的一层(4’)下面设置根据第二导电类型掺杂的第三层(16)，用于影响其间形成的垂直沟道。
14.根据权利要求1-13任一个的晶体管，其特征在于所述第一导电类型是n型。
15.根据权利要求1-13任一个的晶体管，其特征在于所述第一导电类型是p型。
16.根据权利要求1-15任一个的晶体管，其特征在于它适于在增强模式或耗尽模式下运行。
17.根据权利要求1-16任一个的晶体管，其特征在于栅极(12)由催化金属制成，而且暴露于所述前表面上以便吸收特定气体原子/分子，用于影响栅极的电压和容许晶体管用做气体传感器。
18.根据权利要求17的晶体管，其特征在于催化栅金属适于使碳氢化合物分解并吸收氢。
19.根据权利要求1-18任一个的晶体管检测气氛中的气体成分的应用，通过插在机动车发动机汽缸排放的气流中来检测所通过的排放气体的成分。
20.根据权利要求1-18任一个的高温应用SiC场效应晶体管的制造方法，其特征在于，在第一步骤中，利用向外延生长的层中注入掺杂剂或利用外延生长同时输送掺杂剂，然后在第二步骤中，在其顶部外延再生长SiC的轻掺杂层(7)，由此制造被掩埋在外延生长的SiC层中的源区层(4)和/或漏区层(5)。
全文摘要
用于高温应用的SiC场效应晶体管具有与其中设置了栅极(12)的前表面(14)垂直分开的源区层(4)、漏区层(5)和沟道区层(6、7),在晶体管工作时用于减小所述前表面的电场,在作为气体传感器工作情况下,容许除了栅极以外的所有电极被保护而不暴露于气氛。
文档编号H01L29/12GK1347570SQ0080654
公开日2002年5月1日 申请日期2000年4月20日 优先权日1999年4月22日
发明者安德瑞·康斯坦特诺夫, 克里斯托弗·哈里斯, 苏珊·萨维奇 申请人:阿克里奥股份公司