具有阶梯形结构的JBS两级管器件结构及其制造方法与流程

本发明涉及两级管器件技术领域，具体地说是一种具有阶梯形结构的jbs（结势垒肖特基）两级管器件结构及其制造方法。

背景技术：

处于第三代宽禁带半导体材料领域的碳化硅化合物，由于其独特的耐高压，耐高温，高热传导系数，非常适合高压大功率器件市场应用。2001年全球第一颗600v碳化硅肖特基两级管sbd（schottkybarrierdiode，肖特基势垒两级管）正式商用化之后，碳化硅肖特基两级管器件优异的电参数特性，已经给功率因数改善（powerfactorcorrection），光伏逆变器，交流到直流电源转换电路，新能源汽车等领域带来了全新的终端应用。但是第一代平面碳化硅肖特基两级管有两个主要问题，第一个问题是碳化硅肖特基两级管器件表面电场强度大约是硅材料器件的8到10倍，在高温反偏电压操作时，肖特基金属层和碳化硅材料接触面之间的隧道（tunneling）效应和纳米洞（nanopit）缺陷都会扩大漏电电流，造成对器件可靠性的疑虑；第二个问题是第一代的平面碳化硅肖特基两级管由于芯片面积只有同样规格硅基器件的1/3，其抗浪涌能力也远小于硅基材料的肖特基两级管，这也对大电流大功率的应用带来不少困扰。

技术实现要素：

本发明的目的之一是克服现有技术中存在的不足，提供一种能降低表面电场强度、减少漏电电流和提高抗浪涌能力的肖特基两级管器件结构。

本发明的另一目的是提供一种具有阶梯形结构的jbs两级管器件结构的制造方法。

按照本发明提供的技术方案，所述具有阶梯形结构的jbs两级管器件结构，包括平面型肖特基金属区和氧化层保护区，平面型肖特基金属区位于器件的中心区；所述平面型肖特基金属区包括半导体基板，半导体基板包括第一导电类型重掺杂衬底及位于第一导电类型重掺杂衬底的上表面的第一导电类型外延层，在第一导电类型外延层的上表面内设有呈阶梯形结构的第二导电类型体区，第二导电类型体区的宽度从下往上呈逐层增大设置，每个第二导电类型体区均由第二导电类型材料构成，在第一导电类型外延层与第二导电类型体区的上表面设有氧化层与肖特基金属层，氧化层包围肖特基金属层，在肖特基金属层和氧化层的左端结合界面下方以及右端结合界面下方均设有一个第二导电类型体区，在肖特基金属层和氧化层的左右两端结合界面之间还至少设有一个第二导电类型体区，在第一导电类型重掺杂衬底的下表面设有欧姆金属层；所述肖特基金属层作为器件的阳极，欧姆金属层作为器件的阴极。

作为优选，所述第一导电类型重掺杂衬底与第一导电类型外延层为n型导电，第二导电类型体区与第二导电类型材料为p型导电材料。

作为优选，所述肖特基金属层为平面型，且肖特基金属层的厚度为100–1000å。

作为优选，所述氧化层位于芯片周围，包围并且保护第一导电类型外延层和位于器件中间的肖特基金属层。

作为优选，位于最左侧和最右侧的第二导电类型体区作为保护器件的终端外环。

作为优选，所述第一导电类型重掺杂衬底和第一导电类型外延层均为碳化硅材质。

作为优选，所述肖特基金属层的厚度小于氧化层的厚度。

作为优选，所述欧姆金属层的材质为ti/ni/ag合金或者ti/ni/al合金。

一种具有阶梯形结构的jbs两级管器件结构的制造方法包括以下步骤：

步骤一.提供第一导电类型重掺杂衬底，在第一导电类型重掺杂衬底上生长第一导电类型外延层，第一导电类型外延层的上表面为第一主面，第一导电类型重掺杂衬底的下表面为第二主面；

步骤二.通过器件设计的图形化光刻板的遮挡，对第一主面进行第一次高温高能离子注入第二导电类型材料，在第一导电类型外延层内形成多个第一层的第二导电类型体区，注入结束后采用湿法腐蚀或是热hf去掉表面氧化层；

步骤三.通过器件设计的图形化光刻板的遮挡，对第一主面进行至少两次高温高能离子注入第二导电类型材料，每一次注入的深度小于上一次注入的深度，每一次注入的宽度大于上一次注入的宽度，在第一导电类型外延层内再形成至少两层的第二导电类型体区，使得由多次高温高能离子注入第二导电类型材料而形成的第二导电类型体区呈阶梯型结构，该阶梯型结构的宽度从下往上呈逐层增大设置，每一次注入结束后采用湿法腐蚀或是热hf去掉表面氧化层，最后一次清除表面氧化层后，采用热氮气清除表面残留的杂质；

步骤四.采用热氧化工艺，在第一导电类型外延层和第二导电类型体区的上方生长一层氧化层；

步骤五.在图形化光刻板的遮挡下，在氧化层的中间进行干法蚀刻，形成中间的肖特基金属区和边缘的氧化层保护区；

步骤六.在肖特基金属区内镀上一层肖特基金属材料，形成肖特基金属层；

步骤七.在第二主面镀上一层低电阻值的欧姆金属材料，形成欧姆金属层，欧姆金属层作为器件的阴极。

本发明利用多个阶梯形结构的第二导电类型体区来有效调节优化分散平面型肖特基两级管器件的表面电场强度，可以达到提高器件耐压能力，降低反偏电压时的漏电电流，增强抗浪涌能力，进一步优化器件的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例1中步骤一提供的第一导电类型重掺杂衬底和第一导电类型外延层的结构示意图。

图2是本发明实施例1中经过步骤二处理后的结构示意图。

图3是本发明实施例1中经过步骤三处理后的结构示意图。

图4是本发明实施例1中经过步骤四处理后的结构示意图。

图5是本发明实施例1中经过步骤五处理后的结构示意图。

图6是本发明实施例1中经过步骤六处理后的结构示意图。

图7是本发明实施例1中经过步骤七处理后的结构示意图。

图8是本发明实施例1中经过步骤八处理后的结构示意图。

图9为传统平面型碳化硅jbs两级管的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种具有阶梯形结构的jbs两级管器件结构，包括平面型肖特基金属区和氧化层保护区，平面型肖特基金属区位于器件的中心区；所述平面型肖特基金属区包括半导体基板，半导体基板包括第一导电类型重掺杂衬底1及位于第一导电类型重掺杂衬底1的上表面的第一导电类型外延层2，在第一导电类型外延层2的上表面内设有呈阶梯形结构的第二导电类型体区3，第二导电类型体区3的宽度从下往上呈逐层增大设置，每个第二导电类型体区3均由第二导电类型材料4构成，在第一导电类型外延层2与第二导电类型体区3的上表面设有氧化层5与肖特基金属层6，氧化层5包围肖特基金属层6，在肖特基金属层6和氧化层5的左端结合界面下方以及右端结合界面下方均设有一个第二导电类型体区3，在肖特基金属层6和氧化层5的左右两端结合界面之间还设有三个第二导电类型体区3，在第一导电类型重掺杂衬底1的下表面设有欧姆金属层7；所述肖特基金属层6作为器件的阳极，欧姆金属层7作为器件的阴极。

所述第一导电类型重掺杂衬底1与第一导电类型外延层2为n型导电，第二导电类型体区3与第二导电类型材料4为p型导电材料。

所述肖特基金属层6为平面型，且肖特基金属层6的厚度为100–1000å。

所述氧化层5位于芯片周围，包围并且保护第一导电类型外延层2和位于器件中间的肖特基金属层6。

位于最左侧和最右侧的第二导电类型体区3作为保护器件的终端外环。

所述第一导电类型重掺杂衬底1和第一导电类型外延层2均为碳化硅材质。

所述阶梯型结构的第二导电类型体区3中的阶梯数量、高度和宽度可以根据器件耐压的要求而做多变量维度不同的设计，位于最左侧和最右侧的第二导电类型体区3也同时作为保护器件的终端外环。

所述肖特基金属层6的厚度小于氧化层5的厚度。

所述欧姆金属层7的材质为ti/ni/ag合金或者ti/ni/al合金。

一种具有阶梯形结构的jbs两级管器件结构的制造方法包括以下步骤：

步骤一.提供n型碳化硅材质的第一导电类型重掺杂衬底1，在第一导电类型重掺杂衬底1上生长n-型碳化硅材质的第一导电类型外延层2，第一导电类型外延层2的上表面为第一主面，第一导电类型重掺杂衬底1的下表面为第二主面；

步骤二.通过器件设计的图形化光刻板的遮挡，采用高温高能离子注入装置，对第一主面进行第一次硼或铝离子注入p+型的第二导电类型材料4，在第一导电类型外延层2内形成多个第一层p+型的第二导电类型体区3，注入结束后采用湿法腐蚀或是热hf去掉表面氧化层；

步骤三.通过器件设计的图形化光刻板的遮挡，采用高温高能离子注入装置，对第一主面进行第二次硼或铝离子注入p+型的第二导电类型材料4，第二次注入的深度小于第一次注入的深度，第二次注入的宽度大于第一次注入的宽度，在第一导电类型外延层2内再形成第二层的第二导电类型体区3，注入结束后采用湿法腐蚀或是热hf去掉表面氧化层；

步骤四.通过器件设计的图形化光刻板的遮挡，采用高温高能离子注入装置，对第一主面进行第三次硼或铝离子注入p+型的第二导电类型材料4，第三次注入的深度小于第二次注入的深度，第三次注入的宽度大于第二次注入的宽度，在第一导电类型外延层2内再形成第三层的第二导电类型体区3，使得经过三次硼或铝离子注入p+型的第二导电类型材料4后，形成阶梯型结构的第二导电类型体区3，第二导电类型体区3的宽度从下往上呈逐层增大设置，注入结束后采用湿法腐蚀或是热hf去掉表面氧化层，再采用热氮气清除表面残留的杂质；

步骤五.采用热氧化工艺，在n-型碳化硅材质的第一导电类型外延层2和p+型的第二导电类型体区3的上方生长一层氧化层5；

步骤六.在图形化光刻板的遮挡下，在氧化层5的中间进行干法蚀刻，形成中间的肖特基金属区和边缘的氧化层保护区；

步骤七.在肖特基金属区内镀一层肖特基金属材料，形成肖特基金属层6；

步骤八.在第二主面镀上一层低电阻值的ti/ni/ag合金或者ti/ni/al合金欧姆金属材料，形成欧姆金属层7，欧姆金属层7作为器件的阴极。

本发明采用jbs（junctionbarrierschottky）结构设计，在肖特基金属层下方注入第二导电类型材料4，转移表面电场到底下的第一导电类型外延层2，能降低器件在反偏电压时的漏电电流问题，但是无法大幅提升器件抗浪涌电流能力。本发明在现有的平面型碳化硅jbs两级管器件（如图9所示）的基础上，在第一导电类型外延层2内部上表面，沿着平面型肖特基金属层6和氧化层5的下方，经过多层次热离子注入第二导电类外延材料4，形成多个阶梯型的第二导电类型体区3结构，使得器件在反偏电压时和第一导电类型外延层2形成p-n结界面，同时经由对第二导电类型体区3的阶梯数量和每一个阶梯的个别深度及宽度）做多维变量控制，可以有效调节降低第一导电类型外延层2和肖特基金属层6中间的表面电场强度，减少器件在反偏电压下的漏电电流；同时也能分散浪涌电流的分布，分散浪涌电流拥挤效应（crowdingeffect），大幅提高碳化硅jbs两级管器件的抗浪涌能力，以及提升本发明器件的可靠性能。