具有可变角度沟槽结终端扩展终端结构及其制备方法与流程

文档序号:11101868
具有可变角度沟槽结终端扩展终端结构及其制备方法与制造工艺

本发明涉及本发明属于微电子技术领域,涉及半导体器件,特别是一种适用于碳化硅功率器件的具有可变角度沟槽结终端扩展终端结构及其制备方法。



背景技术:

碳化硅(SiC)具有宽禁带(Si的3倍)、高热导率(Si的3.3倍)、高的临界击穿电场(Si的10倍)、高饱和电子迁移率(Si的2.5倍)以及高键合能等优点,这就使得碳化硅材料可以很好地适用于高性能(高频、高温、高功率、抗辐射)电子器件。高的热导率有利于大功率器件的热耗散和高密度集成;高的载流子饱和迁移速率可以使之应用于高速开关器件;高的临界位移能使碳化硅器件的抗辐射性能优于Si器件。

近年来由于SiC单晶生长以及工艺的成熟,SiC功率器件已经得到了广泛的研究。但是,器件在承受反向高压时在拐角处会不可避免的出现电场集中现象,所以终端结构得到了广泛的应用。其中结终端扩展结构以其较高的终端效率与较小的终端面积而手受到了广泛的关注。其工作原理是通过结终端内部的完全耗尽来平衡终端内外两个边缘处的峰值电场值,且其两个峰值电场一起达到SiC临界击穿电场为最佳。但是由于SiC材料特性的关系,结终端扩展的形成只能依靠注入工艺来完成,且不能经过推结工艺而达到较大的结深,过小的结深会降低结的曲率,且其形貌主要由注入设备条件及掩膜决定,而不能自由控制,导致其峰值电场上升速度加快,降低其器件的可靠性。



技术实现要素:

为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种适用于碳化硅功率器件的具有侧壁可变角度的结终端扩展终端结构及其制造方法,以主要解决结终端扩展终端内外两个边缘电场过高而影响器件可靠性的问题。

具体的,本发明提供的适用于碳化硅功率器件的具有可变角度沟槽结终端扩展终端结构,包括碳化硅衬底层;形成于所述碳化硅衬底层上第一半导体层,所述第一半导体层具有第一导电类型;设置于所述第一半导体层表面的沟槽结构,所述沟槽结构的沟槽侧壁与沟槽底部之间的夹角为900~1450;覆盖于所述沟槽结构上方的钝化层;结终端扩展结构,所述结终端扩展结构具有第二导电类型,所述结终端扩展结构设于所述第一半导体层内,且位于所述沟槽结构的沟槽侧壁下方与沟槽底部下方,且所述结终端扩展结构邻靠沟槽侧壁和沟槽底部、并包围所述沟槽结构;有源区,所述有源区具有第二导电类型,所述有源区设置于所述第一半导体层内,且与所述结终端扩展结构邻接。

优选地,所述第一半导体层的材料为碳化硅轻掺杂N型半导体材料。

优选地,所述沟槽结构的深度大于0μm小于等于2μm,宽度为10μm~500μm。

更优选地,所述沟槽结构的深度大于等于0.5μm、小于等于1μm,宽度为100μm~200μm。

优选地,所述结终端扩展结构的深度大于0μm小于等于1μm。

优选地,所述有源区的深度为大于0μm,小于等于1μm。

优选地,所述碳化硅衬底层的厚度为400μm。

优选地,本发明还提供了该适用于碳化硅功率器件的具有可变角度沟槽结终端扩展终端结构的制备方法,包括如下步骤:

S1:在碳化硅衬底层上通过外延生长形成具有第一导电类型的第一半导体层;

S2:在第一半导体层表面形成掩模层并光刻开孔,通过等离子体刻蚀控制沟槽侧壁与底部角度,形成包括沟槽底部和沟槽侧壁的沟槽结构;

S3:清洗掩模层,在第一半导体层表面形成新的掩模层,通过在沟槽处进行离子注入形成具有第二导电类型的结终端扩展结构,在沟槽一侧进行离子注入形成有源区;

S4:在沟槽表面进行碳膜保护,通过高温退火对注入离子进行激活;

S5:去除碳膜,在沟槽上方形成绝缘钝化层。

本发明提供的用于碳化硅功率器件的具有侧壁可变角度的结终端扩展终端结构,在传统平面结终端扩展结构的基础上加入不同形貌的沟槽结构,改变了结终端扩展结构中的P-N结结深及形貌,增大了结边缘曲率,缓解了结边缘的电场集中效应,从而提高结终端扩展结构在反向耐压时的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的适用于碳化硅功率器件的具有侧壁可变角度的沟槽结终端扩展终端结构剖面示意图;

图2为本发明实施例2提供的适用于碳化硅功率器件的具有侧壁可变角度的沟槽结终端扩展终端结构剖面示意图;

图3为本发明实施例3提供的适用于碳化硅功率器件的具有侧壁可变角度的沟槽结终端扩展终端结构剖面示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施,下面结合具体实施例对本发明作进一步说明,但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种适用于碳化硅功率器件的具有可变角度沟槽结终端扩展终端结构,包括:碳化硅衬底层101;形成于碳化硅衬底层101上第一半导体层102,第一半导体层102具有第一导电类型;设置于所述第一半导体层102表面的沟槽结构,所述沟槽结构的沟槽侧壁104与沟槽底部105之间的夹角为900~1450;覆盖于所述沟槽结构上方的钝化层106;结终端扩展结构103,所述结终端扩展结构103具有第二导电类型,所述结终端扩展结构103设于所述第一半导体层102内,且位于所述沟槽结构的沟槽侧壁104下方与沟槽底部105下方,且所述结终端扩展结构103邻靠沟槽侧壁104和沟槽底部105、并包围所述沟槽结构;有源区107,有源区107具有第二导电类型,有源区107设置于第一半导体层102内,且与结终端扩展结构103邻接。

该结构在传统平面结终端扩展结构的基础上加入不同形貌的沟槽结构,改变了结终端扩展结构中的P-N结结深及形貌,增大了结边缘曲率,缓解了结边缘的电场集中效应,从而提高结终端扩展结构在反向耐压时的可靠性。

以下就本发明的技术方案进行具体的举例说明。

实施例1

一种适用于碳化硅功率器件的具有可变角度沟槽结终端扩展终端结构,具体如图1所示,包括碳化硅衬底层101,该衬底层由掺杂浓度为5×1018cm-3的N型SiC材料构成,厚度为400μm;形成于碳化硅衬底层101上第一半导体层102,第一半导体层102由轻掺杂N型SiC材料构成,具有第一导电类型,掺杂浓度1×1016cm-3,厚度5μm;第一半导体层102表面设有沟槽结构,其中沟槽结构的沟槽侧壁104与沟槽底部105之间的夹角为1100,沟槽结构的上部宽度为100μm,沟槽深度为1μm,;覆盖于沟槽结构上方的钝化层106,厚度1μm;沟槽结构的沟槽侧壁104下方与沟槽底部105下方设有具有第二导电类型的结终端扩展结构103,结终端扩展结构103的P掺杂浓度2×1017cm-3,结终端扩展结构103设于第一半导体层102内,且结终端扩展结构103邻靠沟槽侧壁104和沟槽底部105,并包围住沟槽结构,结终端扩展结构103的宽度为110μm,深度0.7μm;第一半导体层102内还设有掺杂第二导电类型的有源区107,有源区107的深度与结终端扩展结构103深度相同,也是0.7μm,且结终端扩展结构103与有源区107邻接。

该适用于碳化硅功率器件的具有可变角度沟槽结终端扩展终端结构的制作步骤具体如下:

S1:选择厚度为400μm的碳化硅衬底层101,该碳化硅衬底层101由掺杂浓度为5×1018cm-3的N型SiC材料构成,在碳化硅衬底层101上通过外延生长形成具有第一导电类型的第一半导体层102,该第一半导体层102为碳化硅轻掺杂半导体外延层,掺杂浓度1×1016cm-3,厚度5μm;

S2:在第一半导体层102表面淀积SiO2形成掩模层,开孔形成刻蚀掩模层,通过等离子体刻蚀控制沟槽侧壁与底部角度,形成包括沟槽底部105和沟槽侧壁104的沟槽结构,沟槽结构的上部宽度为100μm,沟槽深度为1μm;

S3:清洗掉刻蚀掩模,在第一半导体层102表面重新形成新的掩模层,开孔形成离子注入掩模层,通过在沟槽处进行离子注入形成具有第二导电类型的结终端扩展结构103,在沟槽一侧进行离子注入形成有源区107;

S4:清洗掉注入掩模,在沟槽表面进行碳膜保护,通过高温退火对注入离子进行激活;

S5:去除碳膜,在沟槽上方形成绝缘钝化层106。

实施例2

一种适用于碳化硅功率器件的具有可变角度沟槽结终端扩展终端结构,具体如图2所示,包括碳化硅衬底层101,该衬底层由掺杂浓度为5×1018cm-3的N型SiC材料构成,厚度为400μm;形成于碳化硅衬底层101上第一半导体层102,第一半导体层102由轻掺杂N型SiC材料构成,具有第一导电类型,掺杂浓度7×1015cm-3,厚度10μm;第一半导体层102表面设有沟槽结构,其中沟槽结构的沟槽侧壁104与沟槽底部105之间的夹角为900,沟槽结构的上部宽度为200μm,沟槽深度为0.7μm;覆盖于沟槽结构上方的钝化层106,厚度2μm;沟槽结构的沟槽侧壁104下方与沟槽底部105下方设有具有第二导电类型的结终端扩展结构103,结终端扩展结构103的P掺杂浓度1.6×1017cm-3,结终端扩展结构103设于第一半导体层102内,且结终端扩展结构103邻靠沟槽侧壁104和沟槽底部105,并包围住沟槽结构,结终端扩展结构103的宽度为205μm,深度0.8μm;第一半导体层102内还设有掺杂第二导电类型的有源区107,有源区107的深度与结终端扩展结构103深度相同,且结终端扩展结构103与有源区107邻接。

该适用于碳化硅功率器件的具有可变角度沟槽结终端扩展终端结构的制作方法和实施例1相同,在这里就不做一一阐述。

实施例3

一种适用于碳化硅功率器件的具有可变角度沟槽结终端扩展终端结构,具体如图3所示,包括碳化硅衬底层101,该衬底层由掺杂浓度为5×1018cm-3的N型SiC材料构成,厚度为400μm;形成于碳化硅衬底层101上第一半导体层102,第一半导体层102由轻掺杂N型SiC材料构成,具有第一导电类型,掺杂浓度5×1015cm-3,厚度15μm;第一半导体层102表面设有沟槽结构,其中沟槽结构的沟槽侧壁104与沟槽底部105之间的夹角为1450,沟槽结构的上部宽度为150μm,沟槽深度为0.9μm;覆盖于沟槽结构上方的钝化层106,厚度1.5μm;沟槽结构的沟槽侧壁104下方与沟槽底部105下方设有具有第二导电类型的结终端扩展结构103,结终端扩展结构103设于第一半导体层102内,且结终端扩展结构103邻靠沟槽侧壁104和沟槽底部105,并包围住沟槽结构,结终端扩展结构103的宽度为200μm,深度0.9μm;第一半导体层102内还设有掺杂第二导电类型的有源区107,有源区107的深度与结终端扩展结构103深度相同,且结终端扩展结构103与有源区107邻接。

该适用于碳化硅功率器件的具有可变角度沟槽结终端扩展终端结构的制作过程和实施例1相同,在这里就不做一一阐述。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例,其保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换,均在本发明的保护范围之内,本发明的保护范围以权利要求书为准。

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