一种电荷调制终端及其制备方法和含该终端的SiC高压器件与流程

本发明涉及半导体电力电子器件技术领域，特别是涉及一种应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端，还涉及了该电荷调制终端的制备方法，以及包含该电荷调制终端的碳化硅高压器件。

背景技术：

碳化硅(SiC)材料具有禁带宽度大，热导率高，临界雪崩击穿电场强度高，饱和载流子漂移速度大，热稳定性好等特点，是制造功率半导体器件的理想材料。SiC高压器件与同等级的硅器件相比，具有更低的通态压降、更高的工作频率、更低的功耗、更小的体积以及更好的热特性，更适合应用于电力电子电路。

SiC高压器件一般采用台面与结终端扩展(JTE)相结合的方式对终端进行保护。硅基器件中常用的湿法腐蚀与磨角工艺不适用于SiC器件，而常规的干法刻蚀形成的台阶具有侧壁陡峭的特点，在台阶底部存在电场集中的问题，对高压SiC器件的终端保护造成困难。由于SiC难以通过扩散工艺制作结终端扩展区，通过离子注入工艺形成的JTE具有单一的掺杂浓度，要实现SiC高压器件的终端保护，一般需要特别长的横向尺寸，不仅如此，单一掺杂浓度的JTE的保护效率一般较低，而且当工艺参数发生偏差时，单区JTE的保护效率会发生较大波动。

Toru Hiyoshi等2009年在Materials Science Forum发表文章《Bevel Mesa Combined with Implanted Junction Termination Structurefor 10kV SiC PiN Diodes》，文章中利用湿法腐蚀，将刻蚀掩膜的边缘制成弧形形貌，然后通过干法刻蚀形成具有弧形结构的SiC PiN二极管台面终端，改善了电场集中现象，实现了10kV SiC PiN二极管的终端保护。但其JTE为单区JTE，仍具有横向尺寸大，保护效率低以及电压随工艺偏差波动大的缺点。

Gan Feng等2012年在IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES发表文章《Space-Modulated Junction Termination Extension for Ultrahigh-Voltage p-i-n Diodes in 4H-SiC》，文章中提到通过两次离子注入在PiN二极管中形成空间调制三区JTE的方法，其所述的空间调制三区JTE是通过在各JTE区之间以及在第三JTE区外增加调制区，以降低各JTE区之间以及第三JTE区与SiC外延层之间的浓度梯度，经仿真，能够实现对16kV4H-SiC PiN二极管的终端保护。但鉴于SiC的特殊性，注入杂质几乎不存在横向扩展，其降低浓度梯度的实际效果有限，且第三JTE区外侧的浮动区还造成终端稳定性下降的缺点。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种高性能、高可行性的应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端及其制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端，解决了现有终端所占面积过大且随JTE区掺杂浓度波动保护效率波动较大的问题。

本发明的另一目的是提供上述应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端的制备方法，解决了现有终端工艺复杂、成本高昂的问题。

本发明的第三个目的是提供含有上述电荷调制终端的碳化硅高压器件。

本发明所采用的一个技术方案是，一种应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端，其特征在于，包括：

A.实现主器件功能的SiC衬底及外延层结构；

B.位于器件边缘，由内向外水平依次排列的用于终端保护的第一结终端扩展区、第二结终端扩展区、第三结终端扩展区…、第N结终端扩展区；

C.位于第二结终端扩展区内的第二电荷调制区，位于第三结终端扩展区内的第三电荷调制区，…，和位于第N结终端扩展区的第N电荷调制区；并且，第二区、第三区至第N区的等效电荷总量在横向上随着与主结距离的变大而逐渐变小；

D.位于结终端扩展区上方的钝化层；

碳化硅高压器件为以JTE为终端的SiC电力电子器件。

该电荷调制终端的特点还在于：

优选地，3≤N≤7。

优选地，电荷调制区的掺杂浓度与所述N个结终端扩展区中任意一个的掺杂浓度相等。

本发明的第二个技术方案是，一种上述电荷调制终端的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在碳化硅衬底上制作用于实现器件功能的主器件结构；

步骤2，在主器件边缘通过刻蚀技术形成终端台面；

步骤3，通过离子注入工艺形成所述N个结终端扩展区及分别位于第二、第三至第N结终端扩展区内的第二电荷调制区、第三电荷调制区、…、第N电荷调制区；

步骤4，对终端台面进行钝化。

本方法的特点还在于：

步骤3所述离子注入工艺采用多次离子注入工艺，其注入次数n与区域数N具有如下关系，

$N=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_n^i$

采用n次离子注入时，所形成N个区域中的第N区、第N-1区、……、第N-n+1区等n个区域的掺杂分别由n次注入中的某一次注入单独作用形成，第1区、第2区、……、第N-n区等N-n个区域的掺杂由n次注入中的两次或多次叠加作用形成。

本发明还提供了包含上述电荷调制终端的碳化硅高压器件。该碳化硅高压器件可以为一切以JTE为终端的SiC电力电子器件。优选地，所述碳化硅高压器件为SiC高压晶闸管、SiC高压PiN二极管、SiC高压JBS二极管、SiC高压MPS二极管、SiC高压BJT、SiC高压MOSFET、SiC高压JFET或SiC高压IGBT。

本发明的有益效果是，本发明将电荷调制引入多区结终端扩展结构中，提出用于4H-SiC高压器件的电荷调制终端，提高了终端结构的保护效率与鲁棒性，改善了4H-SiC高压终端所占面积过大的问题。同时，考虑到离子注入成本高以及造成晶格损伤的问题，本发明提出通过n次离子注入形成个结终端扩展区及电荷调制区的方法，有效降低了器件的工艺复杂度与制造成本。

附图说明

图1为本发明实施方式中应用于4H-SiC高压晶闸管实例1的电荷调制终端的结构示意图；

图2为本发明实施方式中应用于SiC高压器件实例1的一种电荷调制终端的杂质浓度分布示意图；

图3为本发明中应用于SiC高压器件的电荷调制终端的实施方法示意图；

图4a-图4j为本发明应用于4H-SiC高压晶闸管实施例1的电荷调制终端的制备工艺示意图；

图5为本发明应用于4H-SiC高压晶闸管实施例1的电荷调制终端的数值模拟计算结果；

图6为本发明应用于4H-SiC高压晶闸管实施例2的电荷调制终端的结构示意图；

图7为本发明应用于4H-SiC高压晶闸管实施例2的一种电荷调制终端的杂质浓度分布示意图；

图8为本发明应用于4H-SiC高压PiN二极管实施例3的电荷调制终端的结构示意图。

图中，1.4H-SiC衬底，2.第一外延层，3.第二外延层，4.第三外延层，5.第四外延层，6.门极欧姆接触区，7.门电极，8.隔离区，9.阳电极，10.第五外延层，11.第一结终端扩展区，12.第二电荷调制区，13.第二结终端扩展区，14.第三电荷调制区，15.第三结终端扩展区，16.聚酰亚胺钝化层，17.SiO₂钝化层，18.阴电极；19.第四结终端扩展区，20.第四电荷调制区，21.第五结终端扩展区，22.第五电荷调制区，23.第六结终端扩展区，24.第六电荷调制区，25.第七结终端扩展区，26.第七电荷调制区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。

本发明应用于碳化硅高压器件的电荷调制终端，包括：

A.实现主器件功能的SiC衬底及外延层结构；

B.位于器件边缘，由内向外水平依次排列的用于终端保护的第一结终端扩展区、第二结终端扩展区、第三结终端扩展区…、第N结终端扩展区；

C.位于第二结终端扩展区内的第二电荷调制区，位于第三结终端扩展区内的第三电荷调制区，…，和位于第N结终端扩展区的第N电荷调制区；并且，第二区、第三区至第N区的等效电荷总量在横向上随着与主结距离的变大而逐渐变小；

D.位于结终端扩展区上方的钝化层。

对于不同电压等级的碳化硅高压器件，N的取值不同，例如，当碳化硅高压器件耐压等级为20kV时，N＝3；当碳化硅高压器件耐压等级为30kV时，N＝5～7。通常情况下，3≤N≤7，但对于更高耐压等级的SiC器件，N可以取值更大。在每个结终端扩展区内分别设置电荷调制区，能缓和各扩展区连接处的浓度梯度，并使各扩展区内部的有效电荷浓度在横向呈缓变分布，有效缓解各扩展区连接位置电场峰值过高的问题并优化终端区的电势分布，达到提高终端结构的保护效率与鲁棒性的目的。

制备该结构的电荷调制终端时，在终端台面上通过多次离子注入工艺形成所述所有结终端扩展区以及所有电荷调制区；结终端扩展区的掺杂类型由主器件结构决定。

采用多次离子注入工艺的原则是：低浓度区通过单次注入实现掺杂，高浓度区通过两次或多次注入效果的叠加实现掺杂，对于N个结终端扩展区，其注入次数n与区域数N具有如下关系，

$N=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{C}_n^i$

采用n次离子注入时，所形成N个区域中的第N区、第N-1区、……、第N-n+1区等n个区域的掺杂分别由n次注入中的某一次注入单独作用形成，而第1区、第2区、……、第N-n区等N-n个区域的掺杂则由n次注入中的两次或多次叠加作用形成。根据以上思路，仅需少数步骤即可实现N区电荷调制JTE终端的制作，具有工艺复杂度低、节省生产成本的特点。各区中电荷调制区的数量根据不同器件结构决定。

本发明的电荷调制终端可以用于各种各样的碳化硅高压器件，例如SiC高压晶闸管、SiC高压PiN二极管、SiC高压JBS二极管、SiC高压MPS二极管、SiC高压BJT、SiC高压MOSFET、SiC高压JFET以及SiC高压IGBT等器件，以及未提及且可以JTE为终端的SiC电力电子器件。

实施例1

下面以4H-SiC高压晶闸管为例，对本发明进行进一步的详细说明。

本实施例的器件结构示意图如图1所示，该器件的主器件包括SiC衬底1，以及沉积在SiC衬底上的第一外延层2、第二外延层3、第三外延层4、第四外延层5和第五外延层10。主器件正面边缘为弧形终端台面，该终端台面上由内向外水平依次排列有第一结终端扩展区11、第二结终端扩展区13、第三结终端扩展区15，其中，第二结终端扩展区13内设置有第二电荷调制区12，第三结终端扩展区15中设置有第三电荷调制区14。该高压器件还包括位于终端扩展区上方的无机钝化层和有机钝化层，以及实现器件功能的金属电极及隔离区8。

在上述结构中，向SiC高压晶闸管传统的三区JTE终端结构中引入了电荷调制区，形成带有电荷调制区的三区JTE终端。带有电荷调制区的终端可以通过合理分布电荷调制区，使各JTE边缘的电荷浓度梯度变缓，达到缓解JTE区边缘电场峰值过高的问题，并使JTE区中的电荷浓度呈缓变分布，改变JTE区中的电势分布，改善JTE终端的分压效率，提高SiC高压晶闸管的耐压。

该电荷调制终端的杂质浓度分布示意图如图2所示，其中第一JTE区的浓度最高，第二JTE区与第三JTE区的浓度依次递减，三个结终端扩展区中，保证第一区的掺杂浓度等于第二区与第三区掺杂浓度之和，且第二区中的电荷调制区掺杂浓度等于第一区掺杂浓度，第三区中的电荷调制区掺杂浓度等于第二区掺杂浓度，根据具体器件与耐压等级，第三区中的电荷调制区浓度也可以等于第一区掺杂浓度；位于第二区与第三区的电荷调制区均符合从内至外宽度越窄，密度越疏的规律；该电荷调制终端的理想效果是第二区与第三区的等效电荷总量在横向上随着与主结距离的变大(即由内至外)而逐渐变小，即使调制效果非理想的情况下，该终端依然对传统三区JTE具有明显的改善效果。

该4H-SiC高压晶闸管的制备方法具体按照以下步骤实施：

S1、提供4H-SiC衬底1。

S2、采用低压热壁化学气相淀积法在衬底上生长第一、第二、第三、第四、第五4H-SiC外延层，形成用于4H-SiC高压晶闸管制作的p⁺np^-pn⁺外延结构；如图4a所示。

S3、沉积一定厚度的SiO₂掩蔽膜并光刻出刻蚀窗口，按照刻蚀窗口对第五外延层10进行刻蚀，至第四外延层5露出表面形成门极槽与终端台阶；如图4b所示。

S4、沉积一定厚度的SiO₂掩蔽膜并光刻出刻蚀窗口，采用湿法腐蚀使SiO₂掩蔽膜边缘具有圆弧形侧壁。

S5、按照光刻窗口对第四外延层5进行刻蚀，至第三外延层4露出表面后再向下刻蚀一定深度形成终端台阶；如图4c所示。

S6、沉积一定厚度的SiO₂掩蔽膜并光刻出注入窗口，采用离子注入在门极槽中形成促进门极欧姆接触特性的高掺杂区6；如图4d所示。

S7、沉积一定厚度的SiO₂掩蔽膜并光刻出注入窗口，采用第一次离子注入在终端区形成第一结终端扩展区11、第三结终端扩展区15及位于第二结终端扩展区中的第二电荷调制区12；如图4e所示。

S8、沉积一定厚度的SiO₂掩蔽膜并光刻出注入窗口，采用第二次离子注入在终端区形成浓度增加的第一结终端扩展区11、第二结终端扩展区13及位于第三结终端扩展区中的第三电荷调制区14，如图3所示，M₁.电荷调制终端第一次注入掩膜版，M₂.电荷调制终端第二次注入掩膜版。两个电荷调制区的浓度根据实际需求可以选择与任一结终端扩展区浓度相等，且第一区的掺杂浓度等于第二区与第三区掺杂浓度之和；如图4f所示。

S9、制作碳膜做为保护层对注入杂质进行激活退火。

S10、分别在背面与正面淀积金属，并经光刻与快速退火形成阳电极9、门电极7和阴电极18；如图4g所示。

S11、采用化学气象电极法淀积一定厚的SiO₂钝化层，并光刻形成门阳极隔离区8及钝化层；如图4h所示。

S12、光刻接触孔，淀积金属，经光刻形成阳极Pad与门极Pad；如图4i所示。

S13、采用聚酰亚胺薄膜对终端区进行钝化，形成聚酰亚胺钝化层16，得到4H-SiC高压晶闸管；如图4j所示。

以上方法的优势在于仅通过两次离子注入便可实现三区电荷调制JTE终端的制作，具有工艺复杂度低、节省生产成本的特点。

为了说明本发明电荷调制终端的性能，通过以下数值模拟进行证明。

使用Silvaco TCAD软件对上述用于SiC高压晶闸管的三区电荷调制JTE终端的击穿特性进行了数值模拟，模拟中采用的器件结构如图4j所示。经数值模拟，具有该三区电荷调制JTE终端的SiC高压晶闸管及具有三区JTE终端的SiC高压晶闸管击穿电压与JTE终端区注入剂量的关系曲线如图5所示，通过对比可以看出，引入电荷调制的三区JTE终端具有更高的耐压，且当JTE区剂量发生波动时，电荷调制终端表现出了更加稳定的耐压性能。

实施例2

下面以4H-SiC高压晶闸管为例，对本发明进行进一步的详细说明。

本实施例的器件结构示意图如图6所示，该器件的主器件包括SiC衬底1，以及沉积在SiC衬底上的第一外延层2、第二外延层3、第三外延层4、第四外延层5和第五外延层10。主器件正面边缘为弧形终端台面，该终端台面上由内向外水平依次排列有第一结终端扩展区11、第二结终端扩展区13、第三结终端扩展区15，第四结终端扩展区19，第五结终端扩展区21，第六结终端扩展区23，以及第七结终端扩展区25，其中，第二至第七结终端扩展区内分别设置有电荷调制区(图中12、14、20、22、24、26)。该高压器件还包括位于终端扩展区上方的无机钝化层17和有机钝化层16，以及实现器件功能的金属电极及隔离区8。

在上述结构中，SiC高压晶闸管采用了七区电荷调制JTE终端，该电荷调制终端较三区电荷调制终端更接近于横向变掺杂(VLD)分布，比三区电荷调制终端具有更高的耐压、更高的面积使用率以及更稳定的性能。

该电荷调制终端的杂质浓度分布如图7所示，其中第一JTE区的浓度最高，第二JTE区至第七JTE区的浓度依次递减，七个结终端扩展区中，保证第一区的掺杂浓度等于第五区与第六区及第七区掺杂浓度之和，第二区掺杂浓度等于第五区与第六区掺杂浓度之和，第三区掺杂浓度等于第五区与第七区掺杂浓度之和，第四区掺杂浓度等于第六区与第七区掺杂浓度之和，第五区、第六区、第七区掺杂浓度依次降低，且第五区掺杂浓度小于第六区掺杂浓度与第七区掺杂浓度之和，且第N区中的电荷调制区掺杂浓度等于第N-1区掺杂浓度，根据具体器件与耐压等级，第N区中的电荷调制区浓度也可以等于任意区的掺杂浓度，其中N大于等于2且小于等于7。该电荷调制终端的理想效果是第二区至第七区的等效电荷总量在横向上随着与主结距离的变大(即由内至外)而逐渐变小。

该4H-SiC高压晶闸管的制备方法具体按照以下步骤实施：

S1至S6与实施例1中S1至S6相同。

S7、沉积一定厚度的SiO₂掩蔽膜并光刻出注入窗口，采用第一次离子注入在终端区形成第一结终端扩展区、第三结终端扩展区、第四结终端扩展区、第七结终端扩展区及位于第二结终端扩展区与第五结终端扩展区中的电荷调制区。

S8、沉积一定厚度的SiO₂掩蔽膜并光刻出注入窗口，采用第二次离子注入在终端区形成第二结终端扩展区、第六结终端扩展区并增加第一结终端扩展区与第四结终端扩展区的掺杂浓度，同时形成位于第三结终端扩展区、第五结终端扩展区、第七结终端扩展区中的电荷调制区。

S9、沉积一定厚度的SiO₂掩蔽膜并光刻出注入窗口，采用第三次离子注入在终端区形成第五结终端扩展区，并增加第一结终端扩展区、第二结终端扩展区、第三结终端扩展区的掺杂浓度及位于第二结终端扩展区、第四结终端扩展区、第六结终端扩展区中电荷调制区的掺杂浓度。

S10至S14与实施例1中S9至S13相同。

以上方法的优势在于仅通过三次离子注入便可实现七区电荷调制JTE终端的制作，具有工艺复杂度低、节省生产成本的特点。

实施例3

下面以4H-SiC高压PiN二极管为例，对本发明进行进一步的详细说明。

本实施例的器件结构示意图如图8所示，该器件的主器件包括SiC衬底1，以及沉积在SiC衬底上的第一外延层2、第二外延层3、第三外延层4。主器件正面边缘为弧形终端台面，该终端台面上由内向外水平依次排列有第一结终端扩展区11、第二结终端扩展区13、第三结终端扩展区15，第四结终端扩展区19，第五结终端扩展区21，第六结终端扩展区23，以及第七结终端扩展区25。其中，第二至第七结终端扩展区内分别设置有电荷调制区(图中12、14、20、22、24、26)。该高压器件还包括位于终端扩展区上方的无机钝化层17和有机钝化层16，以及实现器件功能的金属电极及隔离区8。

在上述结构中，SiC高压PiN二极管采用了七区电荷调制JTE终端，该电荷调制终端较三区电荷调制终端更接近于横向变掺杂(VLD)分布，比三区电荷调制终端具有更高的耐压、更高的面积使用率以及更稳定的性能。

该电荷调制终端的杂质浓度分布示意图如图7所示，与实施例2相同。

该4H-SiC高压PiN二极管的制备方法具体按照以下步骤实施：

S1、提供4H-SiC衬底1。

S2、采用低压热壁化学气相淀积法在衬底上生长第一、第二、第三4H-SiC外延层，形成用于4H-SiC高压PiN二极管制作的p+n-n+外延结构。

S3、沉积一定厚度的SiO₂掩蔽膜并光刻出刻蚀窗口，采用湿法腐蚀使SiO₂掩蔽膜边缘具有圆弧形侧壁。

S4、按照光刻窗口对第三外延层进行刻蚀，至第二外延层露出表面后再向下刻蚀一定深度形成终端台阶。

S5至S7与实施例2中S7至S9步骤相同，仅离子注入类型由氮离子注入变为铝离子注入。

S8、制作碳膜做为保护层对注入杂质进行激活退火。

S9、分别在背面与正面淀积金属，并经光刻与快速退火形成阳电极5和阴电极21。

S10、采用化学气象电极法淀积一定厚的SiO₂钝化层，并光刻形成钝化层。

S11、光刻接触孔，淀积金属，经光刻形成阳极Pad。

S12、采用聚酰亚胺薄膜对终端区进行钝化，形成聚酰亚胺钝化层，得到4H-SiC高压PiN二极管。如图8所示。

以上方法的优势在于仅通过三次离子注入便可实现PiN高压二极管七区电荷调制JTE终端的制作，具有工艺复杂度低、节省生产成本的特点。

含有本发明电荷调制终端的碳化硅高压器件，提高了终端结构的保护效率与鲁棒性，改善了4H-SiC高压终端所占面积过大的问题。同时，考虑到离子注入成本高以及造成晶格损伤的问题，本发明提出通过n次离子注入形成区结终端扩展区及电荷调制区的方法，有效降低了器件的工艺复杂度与制造成本。

本发明以上描述只是部分实施例，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式。上述的具体实施方式是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本发明的材料和方法，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，所有具体拓展均属本发明的保护范围之内。