一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种低功耗4H?SiC电压控制型功率半导体器件及其制备方法，属于高压电力电子技术领域。包括外延层与氧化层，其特征在于，外延层表面下有一层氮注入层和三价元素的扩散层，氮注入层的厚度为18?20nm，三价元素为铝，铝在外延层中的扩散深度为10?20nm，采用高温扩散工艺将三价元素植入到4H?SiC外延层，利用干法刻蚀工艺减薄高温工艺所生长的氧化层，采用离子注入工艺将五价元素氮植入到外延层与氧化层的界面，利用干氧氧化工艺将氧化层生长至所需要的厚度。该方法能降低4H?SiC电压控制型功率半导体器件的开关损耗，同时能稳定4H?SiC电压控制型功率半导体器件的阈值电压。
【专利说明】
一种低功耗4H-S i C电压控制型功率半导体器件及其制备方法
技术领域：
[0001] 本发明属于高压电力电子技术领域，涉及电压控制型功率半导体器件，涉及减小 4H-SiC/Si02界面态密度、提高4H-SiC电压控制型功率半导体器件反型层迀移率、降低4H-SiC电压控制型功率半导体器件的导通和开关损耗、稳定4H-SiC电压控制型功率半导体器 件阈值电压的方法。特别地，本发明是采用引入三价元素和五价元素的方法来改善4H-SiC 电压控制型功率半导体器件反型层迀移率，具体的是一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半 导体器件及其制备方法。
【背景技术】：
[0002] 长期以来，硅(Si)材料一直在半导体领域占据着主导地位，并应用于高温、高频电 路当中。但随着技术的进步和应用领域的扩展，在一些要求苛刻的领域如航空航天、军工、 石油勘探、核工业和通讯等，由于其超大功率、高温高频以及强辐射的环境条件，传统的硅 (Si)和砷化镓(GaAs)半导体材料出于自身结构和特性等原因，越来越显得"力不从心"。
[0003] 相比于传统的半导体材料，4H碳化硅(4H_SiC)具有以下几个优势：（1)化学性质稳 定，可以通过热氧化生成优质的绝缘层；（2)电子饱和速度高，使得4H_SiC器件的导通损耗 相当低；⑶热导率是Si的3倍，临界击穿电场是Si的10倍，不仅提高了器件的散热特性，而 且使得4H-SiC器件的耐压容量、工作频率和电流密度都得到了较大提高。更为重要的是，在 第三代宽禁带半导体材料中，4H-SiC是唯一能通过热氧化生长Si0 2绝缘层的半导体材料， 且形成的Si02质量和在Si上形成的Si02无任何差别，质地紧密且缺陷少，因而能和当今主流 的Si工艺线相兼容。这些特性使4H-SiC材料用于制造诸如MOSFET、IGBT、MCT之类的功率半 导体器件来说是Si的理想替代物，而这些功率半导体器件对于应用在高压、高频、高温环境 下是非常适合的。
[0004] 目前，困扰基于4H-SiC电压控制型功率半导体器件发展的一个突出问题是器件的 反型层迀移率很低、导通电阻很高、开关和导通损耗大。未经任何钝化处理的4H-SiC电压控 制型功率半导体器件的迀移率低于l〇 cm2/V s，不到4H-SiC体迀移率的1%。目前绝大多数 观点认为这是由于在4H-SiC电压控制型功率半导体器件的SiC/Si0 2界面存在很高的缺陷 密度造成的，在器件工作过程中，缺陷捕获了大量的自由载流子，降低了器件的电流密度， 并且，这些被捕获的载流子作为库仑散射中心，进一步阻碍沟道载流子的运动，降低了器件 的反型层迀移率，增加了器件的开关损耗。因而在4H-SiC电压控制型功率半导体器件的研 究过程中，大量的努力和不同的实验方法被开发用来降低SiC/Si0 2界面态密度，以期取得 好的开关特性。
[0005] 在由Sarit Dhar等人于2010年在IEEE Transactions on Electron Devices上第 57卷发表的《A Study on Pre-〇xidation Nitrogen Implantation for the Improvement of Channel Mobility in 4H_SiC MOSFETs》文章中，公开了通过在P型4H_SiC衬底上采用 氮离子注入减小SiC/Si02界面态密度、提高4H-SiC M0SFET反型层迀移率、降低损耗的方 法，并且指出随着SiC/Si02界面氮浓度的增加，界面态密度减小，反型层迀移率增加，其不 足之处在于，器件的阈值电压不断减小、甚至出现负值的现象，这无法在实际应用中使用， 不具备实际使用价值，所以本领域的技术人员根本不会使用该技术生产器件。
[0006] 在由Dai Okamoto等人于2014年在IEEE Transactions on Electron Devices上 第 35 卷发表的《Improved Channel Mobility in 4H_SiC MOSFETs by Boron Passivation》（用硼钝化提高4H-SiC MOSFETs反型层迀移率)文章中，公开了先使用干氧氧 化技术生成氧化层，然后在P型衬底上通过硼钝化工艺减小SiC/Si0 2界面态密度、提高4H-SiC M0SFET迀移率的方法，其不足之处在于，整个氧化层为掺硼的Si02,降低了Si02的稳定 性，增加了器件的泄漏电流，导致器件的损耗增加，因而不利于器件的实际应用。
[0007] 中国发明专利，公开号:CN105206513A，【公开日】：2015.12.30,公开了用氮和硼改善 4H-SiC M0SFET反型层迀移率的方法，属于微电子技术领域。步骤如下:A、采用离子注入工 艺将五价元素氮植入到4H-SiC外延层表面;B、采用湿氧氧化工艺形成栅氧化层;C、采用扩 散工艺将三价元素硼植入到外延层与氧化层的界面;扩散工艺的温度为950°C，时间为1.5-2.5小时，确保硼掺杂剂在热动力的驱使下能穿透栅氧化层到达4H-SiC/Si0 2界面;硼扩散 工艺后，在惰性气体的保护下退火。其不足之处在于，该专利是将整个栅氧化层都掺了高浓 度的硼，而硼在一定程度上能改变氧化层的性质，降低氧化层的质量，增加器件的泄漏电 流，增加器件阈值电压的不稳定性，这会阻碍该方法的推广使用；另外，在4H-SiC外延层表 面注入氮，会降低器件的阈值电压，并有可能形成负值，根本无法使用，尽管通过氧化层来 扩散硼抵消注入氮对阈值电压的影响，但是该扩散温度比较低，而且硼在4H-SiC中的扩散 系数没有铝的高，因而此种方法形成的硼在4H-SiC外延层中的深度很小，不足5nm，浓度也 非常低，不足IX 1014cm3,对抵消因氮注入而降低阈值电压的不利影响的效果微乎其微。
【发明内容】
：
[0008] 1.要解决的技术问题
[0009] 针对现有技术中4H_SiC电压控制型功率半导体器件的反型层迀移率低、开关损耗 大的问题，提出一种低功耗4H_SiC电压控制型功率半导体器件及其制备方法。该方法不但 能够大幅提高4H-SiC电压控制型功率半导体器件反型层的迀移率、降低4H-SiC电压控制型 功率半导体器件开关损耗和导通损耗，而且能够使4H-SiC电压控制型功率半导体器件的阈 值电压也控制在合适的范围之内。
[0010] 2 ?技术方案
[0011] -种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件，包括外延层与氧化层，在外延层 表面有五价元素氮的注入层和三价元素的扩散层。
[0012] 优选地，氮注入层的厚度为18-20nm〇
[0013]优选地，三价元素为铝，铝在外延层中的扩散深度为10_20nm，即三价元素所形成 的扩散层的深度为10-20nm〇
[0014]优选地，三价元素铝在外延层（12)中的浓度呈高斯分布，峰值浓度范围为2乂1017-lX1018cm- 3〇
[0015] 一种低功耗4H_SiC电压控制型功率半导体器件的制备方法，其主要步骤如下： [0016] A、采用高温扩散工艺将三价元素植入到4H-SiC外延层表面，形成扩散层；
[0017] B、利用干法刻蚀工艺减薄高温扩散工艺所生长的氧化层；
[0018] C、利用减薄后的氧化层作为掩蔽层，采用离子注入工艺将五价元素氮植入到外延 层与氧化层的界面，形成氮注入层；
[0019] D、利用干氧氧化工艺将氧化层生长至所需要的厚度；
[0020] E、在4H-SiC晶片上镀上金属层，并采用剥离工艺形成金属电极，随后用快速退火 的方法形成性能良好的欧姆接触。
[0021] 优选地，步骤A是区别于常规扩散工艺的高温扩散，扩散温度在1500°C~1800°C之 间，以此来保证铝在4H-SiC外延层中的分布深度为10-20nm，温度越高，扩散时间越短，扩散 效果越好。
[0022] 优选地，高温扩散后的铝原子在外延层中的浓度呈高斯分布，峰值浓度范围为2 X 1017-1 X 1018cm 3，同时生长的氧化层为掺铝的Si02。
[0023] 优选地，步骤B中的减薄工艺采用等离子体干法刻蚀技术，精确控制刻蚀后的氧化 层厚度为18_20nm〇
[0024]优选地，步骤A中的三价元素为铝或硼。
[0025]优选地，高温扩散后的铝原子在4H_SiC外延层中的形状呈高斯分布，峰值浓度范 围为2X1017-lX1018cm-3。
[0026]优选地，步骤B中等离子体刻蚀气体采用CHF3+CF4的组合气体，步骤C中经激活的氮 在4H-SiC外延层表面的浓度为3X1018-lX1019cm-3,深度范围为18-20nm。
[0027]优选地，步骤D中的干氧氧化的温度范围为1100°C-1250°C，氧化时间范围1.5-2小 时，生长的氧化层的厚度为30nm〇
[0028]优选地，铝掺杂剂由氮化铝和三氧化二铝按照1:1的重量比例组成.
[0029]优选地，铝离子注入后，在惰性气体的保护下、1550 °C的温度进行退火。
[0030]优选地，步骤C中的离子注入后和步骤D中的干氧氧化后需进行退火处理，采用的 保护气体为氩气。
[0031] 3 ?有益效果
[0032] 相比现有技术，本发明具有如下优点：
[0033] 1)采用高温扩散工艺，一方面能将铝原子植入到4H_SiC外延层表面内，同时也生 长掺了铝的Si〇2。铝是Si〇2的网络形成体和修饰体，能减轻SiC/Si〇2的界面应力，降低SiC/ Si02的界面态密度；另一方面，对于n沟道4H-SiC电压控制型功率半导体器件的P型外延层 而言，植入的铝是正掺杂，能提高n沟道器件的阈值电压；
[0034] 2)起反掺杂作用的氮，会减小n沟道增强型4H-SiC电压控制型功率半导体器件的 阈值电压，这不利于器件的应用，引入的三价元素铝，能抵消由于引入的五价元素氮对4H-SiC电压控制型功率半导体器件阈值电压的影响，4H-SiC电压控制型功率半导体器件的阈 值电压会控制在合适的范围之内，因而4H-SiC电压控制型功率半导体器件能正常工作;对 于P型沟道器件而言，铝是反掺杂，降低器件的阈值电压，而注入的氮是正掺杂、提高器件的 阈值电压，因而两者的作用互相抵消，能稳定P沟道器件的阈值电压；
[0035] 3)铝作为Si02的网络形成体，比现有技术采用的硼，铝掺杂的Si02的稳定性更好， 降低SiC/Si02的界面态密度的效果也更好;并且铝在SiC中的扩散系数比硼的系数高，尤其 是在超过1500°C的高温下，效果更为明显，在要求相同的掺杂浓度和扩散结深的情况下，用 铝代替硼能缩短扩散时间、节省能源、提高生产效率、降低高温对设备的损害；
[0036]在本专利的扩散工艺中，采用三价元素铝，与三价元素硼相比，由于铝的高温扩散 系数比硼的高，形成本专利外延层的三价元素扩散层，硼扩散需要3-5小时，而铝扩散时间 需要2-4小时，因而用铝作为三价元素的扩散剂，缩短器件生产周期的同时，生产效率提高 了20%，能耗降低了20%，节约成本；
[0037]本专利是直接在4H_SiC外延层表面采用超过1500 °C的温度来扩散铝，扩散深度和 浓度都比硼的高，效果比公开号为CN105206513A专利要好得多；
[0038] 4)采用超过1500 °C的高温扩散，能起到将铝植入到4H-SiC外延层和生长氧化层的 双重目的，同时该氧化层也作为后续氮离子注入工艺的掩蔽层，因而减少了工艺步骤和工 艺设备；
[0039] 5)本发明采用先铝扩散后氮离子注入工艺，并采用等离子体刻蚀工艺减薄氧化 层，这样既能提高器件的反型层迀移率，又能稳定、甚至提高器件的阈值电压；同时，采用等 离子体刻蚀能精确控制减薄后的氧化层厚度，比传统的湿法腐蚀而言，精度更高、表面粗糙 度更低，有利于后续离子注入的氮在4H-SiC/Si0 2界面均匀分布；
[0040] 6)本发明所设计的4H_SiC电压控制型功率半导体器件的氧化层，只是部分厚度的 Si02掺了铝，尽管铝在一定程度上影响了 Si02的稳定性，但是后续干氧氧化生长的Si02厚度 占整个氧化层厚度的五分之三，并且该氧化层经退火处理，质地致密、质量良好，大大降低 氧化层的泄漏电流和不稳定性；
[0041] 7)本发明采用先扩散铝后离子注入氮制备的4H_SiC电压控制型功率半导体器件， 在功耗方面降低了60-78%，阈值电压能稳定在2V以上，特别适合高频、高温、高功率的应用 场合；
[0042] 8)现有技术中氧化层是一次性生长而成，本发明为降低器件的功耗，先生长出一 定厚的氧化层，然后通过干法刻蚀工艺进行减薄。传统的氧化层减薄和去除工艺是湿法腐 蚀，干法刻蚀工艺一般是用于微细加工，用于更精确的图形转移，一般不用于功率器件栅氧 层这种大面积的图形减薄，但是本发明中采用干法刻蚀，可以精确控制减薄的氧化层厚度， 也不会像湿法腐蚀对栅氧层的侧墙形成钻蚀，保证栅氧层的完整性，并且形成更为平整的 表面，为后续电极制备形成更好的条件，而且也不会增加工艺成本；
[0043] 9)本发明对基于4H-SiC材料的MOSFET、IGBT、MCT这类带有绝缘栅的电压控制型功 率半导体器件及其派生器件皆适用，P型或N型也都适用，对于上述不同类型的器件，仅仅是 因为器件的结构和类型不同，所以后面具体实施例的工艺步骤不同，但是在提高迀移率、稳 定阈值电压、降低功耗方面的工艺方法及其特征是相同的。
【附图说明】
[0044] 图1为低功耗4H-SiC M0SFET或者4H-SiC IGBT的结构示意图；
[0045]图2为低功耗4H-SiC MCT的结构示意图；
[0046] 图3为本发明的制备方法流程图。
[0047] 图中标号名称：
[0048] 11、氧化层；12、外延层；13、缓冲层；14、4H-Si C衬底;23、P阱或N阱；21、电极接触区 域;22、体接触区域;24、P阱或N阱;31、电极1; 32、栅极电极;33、电极2; 41、体接触区域。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
[0050] 结合图1，一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件，包括外延层12与氧化层 11，外延层12表面下有氮注入层和三价元素的扩散层，氮注入层的厚度为18-20nm，在具体 应用时，可以取值为18cm、19cm、2〇 Cm;三价元素为铝，三价元素铝在外延层12中的扩散深度 为10-20nm，在具体应用时，可以取值为10cm、15cm、20cm;三价元素铝在外延层12中的浓度 呈高斯分布，峰值浓度范围为2\10 17-1\1018〇1^3。在具体应用时，三价元素铝在外延层12 中的峰值浓度分别可以取值为2X 1017cnf3,5X 1017cnf3和1 X 1018cnf3,都能获得低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件。
[0051 ] 一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件的制备方法中，扩散温度在1500°C ~1800°C范围内，在具体应用时，可以取值为1500°C、1800°C、1700°C;氧化层11的厚度为 18-20nm;在具体应用时，可以取值为18nm，20nm，19nm。
[0052]以上数值范围的取值，在实施例1-3中均适用，且能够取得本发明所描述的技术效 果。
[0053] 实施例1
[0054] 结合图1和图3,对于电压控制型功率半导体器件，一种低功耗n沟道4H-SiC M0SFET的制备方法，其步骤如下：
[0055] A、选择N型4H_SiC外延片，由掺杂浓度分布为5 X 1015cnf3的N型衬底14、6 X 1017cnf3 的N+缓冲层13、lX1016cm3的N型外延层12组成。采用离子注入工艺在4H-SiC外延层上形成P 阱23、漏极31 (电极1)的N+接触区域21、P+体接触区域22;离子注入工艺是在4H-SiC外延层12 表面进行的室温下多能量注入；
[0056] B、采用高温扩散工艺将三价元素铝植入到4H_SiC外延层12表面;之所以不选择同 样为三价元素的硼，因为高温下铝比硼更活跃，在4H-SiC中的扩散系数更大，这样铝在4H-SiC中的浓度更高，分布也更深，并且形成铝掺杂的Si0 2在稳定性、网络粘结性等方面比硼 掺杂的Si02更好;稳定性好意味着器件的泄露电流小、阈值电压的漂移也小，因而器件的静 态特性好;网络粘结性好，意味着减小界面态密度的效果更好，器件的导通电阻和开关损耗 都能降低；
[0057]高温扩散温度为1500°C，高温扩散后的铝原子在外延层12中的浓度呈高斯分布， 峰值浓度范围为2X1017cnf3,深度范围为15nm;
[0058] C、利用干法刻蚀工艺，在等离子体刻蚀系统中，使用氩气作为载气，采用CF4+CHF3 混合气体作为刻蚀气体，其中氩气的流量占总流量的50 %，调节气压为5Pa，射频功率为 500W，反应室温度为45°C，基片冷却温度为5°C，通过膜厚监测系统，将高温扩散阶段生长的 氧化层减薄至20nm〇
[0059] D、减薄后的4H-SiC晶片在退火炉中利用氩气保护、1150 °C退火温度下、时间30分 钟的退火，目的是固化Si02的网络特性，进一步减小SiC/Si02的界面态密度，并为后续的氮 离子注入形成质量良好的掩蔽层。
[0060] E、采用离子注入工艺将五价元素氮植入到4H-SiC外延层12表面;之所以不选择同 样为五价元素的磷，因为在后续的氧化工艺过程中，磷会进入到Si02中，变成磷硅玻璃 (PSG)，这是一种极性材料，增加了器件的栅极泄漏电流，并导致器件的阈值电压出现不稳 定现象;离子注入工艺是在4H-SiC外延层12表面进行的550°C条件下的多能量注入。
[0061] F、选择惰性气体为高温下化学性质更为稳定的氩气作为保护气体，在1550°C高温 下对注入的氮进行激活;高温激活后的氮离子在4H-SiC外延层12中的分布，经过二次离子 质谱仪(S頂S)测量，形状呈高斯分布，峰值浓度范围为3乂10 18-1\1019(^3，在实际应用时， 可以取值为3X 1018cnf3,1 X 1019cnf3,8X 1018cnf3,深度范围为10-20nm，在实际应用时，可以 取值为 1 〇nm，20nm，18nm;
[0062]离子注入氮，一方面，能钝化4H_SiC外延层12与氧化层11界面的悬挂键、减小界面 态密度；另一方面，对于n沟道4H-SiC的P阱是反掺杂，能使器件工作时形成的反型层远离 SiC/Si02界面，降低由于SiC/Si02粗糙界面对迀移率的影响，提高反型层的迀移率。但起反 掺杂作用的氮，会减小n沟道增强型4H-SiC的阈值电压，这不利于器件的应用。
[0063] G、采用干氧氧化工艺继续生长氧化层11;干氧氧化的温度范围为1100-1200°C，在 实际应用时，可以取值为，1100°C，1200°C，1500°C，氧化时间范围为1.5-2小时，生长后的整 个氧化层11的厚度经过椭偏仪测量，其范围为46-50nm，在实际应用时，可以取值为，46nm， 50nm，48nm，以满足制造4H-SiC的工艺标准。
[0064]尽管干氧氧化温度比湿氧氧化温度高，有可能对已经注入的氮产生不利影响，但 是干氧氧化工艺是在氮离子激活之后进行，之前的1550°C高温已经将氮激活，并且此时有 厚度为20nm的氧化层11作为保护层，1200 °C的干氧氧化温度不会促使注入的氮逃逸出4H-SiC的表面。而且干氧氧化生长的氧化层致密，生长过程中引入的不利于4H-SiC特性的各种 电荷的密度也比湿氧氧化条件下的少，更有利于提高4H-SiC的稳定性，降低4H-SiC MOSFET 的导通损耗和开关损耗。
[0065] H、4H-SiC在干氧氧化后，在退火炉中利用氩气作为保护气体、温度为1150°C的条 件下退火30分钟，进一步固化干氧氧化生长的氧化层，消除生长过程中引入的各种有害电 荷。
[0066] I、利用蒸发工艺在掩膜版的保护下在4H_SiC晶片上镀上金属层，并采用剥离工艺 形成金属电极，即图1中的漏极31(电极1)、栅极电极32和集电极33(电极2)，随后在退火炉 中利用氩气作为保护气体、1180°C、时间为5分钟的快速退火，形成性能良好的欧姆接触。
[0067] 本发明采用先扩散铝后氮离子注入，并采用干法刻蚀工艺减薄氧化层，这样既能 提高反型层迀移率、降低4H-SiC MOSFET的导通和开关损耗，又能稳定甚至提高4H-SiC MOSFET的阈值电压；同时，利用减薄后的氧化层作为掩蔽层进行氮离子注入，最后采用干氧 氧化工艺继续生长氧化层11，这样能减少工艺环节，减少工艺设备的投资，降低生产成本， 而生长氧化层过程中所带来的有害电荷也大为减少。
[0068] 实施例2
[0069] 结合图1和图3,对于电压控制型功率半导体器件，一种p沟道低功耗4H-SiC IGBT 的制备方法，其步骤如下：
[0070] 1)选择N型衬底的P型外延片，由掺杂浓度分布为5X1017cnf3的N+型衬底14、3X 1018cm-3的P+缓冲层13、1 X 1016cm 3的P型外延层12组成外；
[0071] 2)在4H-SiC外延层12上采用离子注入工艺注入硼离子形成N阱23、N+体接触区域 22，采用离子注入工艺注入氮形成发射极(电极1 )P+接触区域21;
[0072] a、其中N阱23是采用三次室温下的离子注入工艺，注入硼离子剂量的范围为IX 101()~1 X 1014cm 2;发射极P+接触区域21的注入能量在10keV到50keV之间；
[0073] b、离子注入后，在氩气保护、外延层12表面覆盖碳膜的真空条件下退火，退火温度 为1500°C、时间30分钟左右，充分保证注入的硼和氮离子激活并且没有挥发逃逸。
[0074] 3)铝的高温扩散；
[0075]铝的高温扩散是低功耗4H_SiC的关键工艺，一方面要保证铝在4H_SiC外延层12中 有一定的深度分布，另外一方面要生长掺铝的氧化层11。扩散温度和时间都会影响铝在4H-SiC外延层和氧化层中的分布。1500°C~1800°C的高温下，铝的活跃性大大增加，在4H-SiC 中的扩散系数比传统的硼要高。
[0076]高温扩散温度为1800°C，高温扩散后的铝原子在外延层12中的浓度呈高斯分布， 峰值浓度范围为1 X 1018cnf3，深度范围为20nm;
[0077] 根据反应式:2Al2〇3+3Si=4Al+3Si02,铝的扩散剂Al 2〇3与4H-SiC中的Si原子反应 后，置换出的A1原子一部分进入4H-SiC的外延层12,一部分进入扩散过程中生长的Si02。铝 是Si02的网络形成体和网络修正体，改善了 SiC/Si02的界面特性，降低了 SiC/Si02的界面态 密度。
[0078] 4)氧化层减薄工艺；
[0079]经过高温扩散后生长的氧化层11的厚度在200nm左右，不利于后续氮离子注入，但 是又不能全部将氧化层11去除掉，此时铝已经改善了 SiC/Si〇2的界面特性，需要保留部分 厚度的氧化层，维持掺铝的氧化层降低界面态密度的效果。如果采用减薄工艺保留氧化层 11的厚度至18nm，既能达到上述目的，同时可以作为接下来的氮离子注入工艺所需要的掩 蔽层。
[0080] 在等离子体刻蚀机中，采用CHF3+CF4(20sccm+20sccm)作为刻蚀气体，射频功率设 定为450W，气压为5Pa，利用膜厚监测系统将减薄后的氧化层11的厚度控制在18nm。减薄后 的4H-SiC晶片进入退火炉中，在氩气的保护下、1160°C的温度下进行退火30分钟。
[0081 ] 5)氮离子注入；
[0082] a、采用三次550°C下的离子注入工艺，注入氮离子剂量的范围为1 X 101Q~1 X 1014cm-2;
[0083] b、离子注入后，在氩气保护、晶片表面覆盖碳膜的真空条件下退火，退火温度为 1500°C、时间30分钟左右，充分保证注入的氮离子激活并且没有挥发逃逸;确保经过高温激 活后，氮在外延层12中的分布呈高斯形状，峰值浓度为lX10 19Cnf3;注入能量为10keV到 50keV之间，经S頂S测得氮在外延层12中的深度为20nm。
[0084] 6)干氧氧化；
[0085]将高温激活氮后的4H_SiC晶片转移到氧化炉中，在1180°C的条件下，将整个氧化 层11的厚度生长至52nm〇 [0086] 7)退火；
[0087]在干氧氧化后，在退火炉中利用氩气作为保护气体、温度为1120°C的条件下退火 35分钟，进一步固化干氧氧化生长的氧化层，消除生长过程中引入的各种有害电荷。
[0088] 8)欧姆电极的制备
[0089]利用磁控溅射工艺在掩膜版的保护下在4H_SiC晶片上镀上金属层，形成图1中的 发射极31(电极1)、栅极电极32和集电极33(电极2)，随后在退火炉中利用氩气作为保护气 体、1160°C、时间为6分钟的快速退火，形成性能良好的欧姆接触。
[0090]本发明采用铝在N阱上实现反掺杂，降低器件的阈值电压，但是随后注入的氮能抵 消引入的铝降低4H-SiC IGBT阈值电压的负面作用；同时，引入的铝和氮，都能降低4H-SiC/ Si02的界面态密度，因而4H-SiC IGBT的导通损耗和开关损耗降低65%，阈值电压为-2.6V。 [0091] 实施例3
[0092] 结合图2和图3,对于电压控制型功率半导体器件，一种低功耗n沟道4H-SiC MCT的 制备方法，其步骤如下：
[0093] 1)选择衬底；
[0094] 选用硼掺杂的P型4H_SiC的衬底14,掺杂浓度为9.6X1018cm- 3,厚度为10圓，这有 利于降低半导体-金属之间的势皇，形成良好的欧姆接触电极一漏极;上面是厚度为3mi的N +型的外延层13,掺杂浓度为1.3X1018cnf3,这个浓度有利于降低器件的导通电阻;在N+外延 层13上是『漂移层12,厚度为165wn，掺杂浓度为3.5X10 14cm3,该漂移层和后续的注入铝形 成P阱浓度相配合，设置合适的器件的阈值电压。
[0095] 2)利用自对准掩膜工艺，在外延层12上采用高能铝离子注入，形成深P阱23,形成P 型半导体，注入能量为420keV，剂量为2.4X1016cnf2。随后在氩气的保护下进行1600°C、30 分钟退火，激活注入的铝离子。
[0096] 3)氮离子注入形成深N阱24,注入顺序的能量和剂量见表1，注入后在氩气的保护 下进行1520°C、30分钟退火，激活注入的氮离子。
[0097]表1氮离子注入顺序的能量和剂量
[0099] 4)硼离子注入形成两个P+体接触区域41，注入顺序的能量和剂量见表2,注入后 4H-SiC衬底在氩气的保护下进行1520°C、30分钟退火，激活注入的硼离子。
[0100] 表2硼离子注入顺序的能量和剂量
[0102] 5)铝扩散与氧化层减薄
[0103] 在无水乙醇均匀配置A1N+A1203溶液，采用甩胶的方式均匀地将溶液涂在4H-SiC晶 片表面，随后进入烘箱中烘干，烘干后置于高温扩散炉中，将炉温设置为1650°C，扩散时间 定为2.5小时。
[0104] 在铝扩散的过程中，4H-SiC晶片表面会生长出厚度为186nm的氧化层，利用等离子 体干法刻蚀的方法将该氧化层厚度减至20nm，高温扩散后的铝原子在外延层12中的浓度呈 高斯分布，峰值浓度范围为3.5 X 1017cm3，随后将晶片在退火炉中、1160°C的温度下退火35 分钟。
[0105] 6)起钝化和反掺杂作用的氮离子注入
[0106]利用减薄后的氧化层作为掩蔽层，采用自对准工艺在外延层12表面的沟道区域进 行加温至550°C下的氮离子注入，注入顺序的能量和剂量见表3,注入后在氩气的保护下进 行1560°C、30分钟退火，激活注入的氮离子;高温激活后的氮离子在4H-SiC外延层12中的分 布，经过二次离子质谱仪(SIMS)测量，形状呈高斯分布，峰值浓度为5.6 X 1018cnf3，深度为 18nm〇
[0107]表3氮离子注入顺序的能量和剂量
[0109] 7)干氧氧化继续生长氧化层11，氧化炉中心温度设定为1170°C，氧化时间2.0小 时，生长的氧化层11的厚度经S頂S测量为52nm。
[0110] 8)在衬底14背部依次蒸发100nm/45nm厚的Ti/Ni作为集电极33(电极2)，在顶部利 用金属蒸发的工艺镀上l〇〇nm/45nm厚的Ti/Ni，并采用剥离工艺形成发射极31(电极1)和栅 极电极32。
[0111] 9)在退火炉中并在氩气保护条件下进行980 °C、5分钟快速退火形成上述三个电极 的半导体-金属之间的欧姆接触，以便不产生明显的附加阻抗，有利于降低器件的。
[0112]本实施例采用铝扩散、干法刻蚀、氮离子注入、干氧氧化等工艺，制备得到的4H-SiC MCT的迀移率达到了223cm2/V s，导通损耗和关断损耗降低70%，阈值电压为2.3V。本 实施例在降低生产成本、提高生产效率的同时，器件的关键参数得到进一步提高，因此，本 发明的方法更适合器件的实际应用。
[0113]以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图 中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域 的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术 方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。
【主权项】
1. 一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件，包括外延层（12)与氧化层（11)，其 特征在于，外延层（12)表面下有一层氮注入层。2. 根据权利要求1所述的一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件，其特征在于， 在外延层（12)表面下有一层三价元素的扩散层。3. 根据权利要求1所述的一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件，其特征在于， 氮在外延层（12)表面下的注入深度为18-20nm。4. 根据权利要求2所述的一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件，其特征在于， 三价元素为铝，三价元素铝在外延层（12)中的扩散深度为10-20nm。5. 根据权利要求3所述的一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件，其特征在于， 三价元素铝在外延层(12)中的浓度呈高斯分布，峰值浓度范围为2 X IO17-I X 1018cnf3。6. -种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件的制备方法，其特征在于： A、 采用高温扩散工艺将三价元素植入到4H-SiC外延层（12)表面，形成扩散层； B、 利用干法刻蚀工艺减薄高温扩散工艺所生长的氧化层（11); C、 利用减薄后的氧化层（11)作为掩蔽层，采用离子注入工艺将五价元素氮植入到外延 层（12)与氧化层（11)的界面，形成氮注入层； D、 利用干氧氧化工艺将氧化层（11)生长至所需要的厚度； E、 在4H-SiC晶片上镀上金属层，并采用剥离工艺形成金属电极，随后用快速退火的方 法形成性能良好的欧姆接触。7. 根据权利要求6所述的一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件的制备方法， 其特征在于，步骤A是区别于常规扩散工艺的高温扩散，扩散温度在1500°C~1800°C之间。8. 根据权利要求6所述的一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件的制备方法， 其特征在于，高温扩散后的铝原子在外延层（12)中的浓度呈高斯分布，峰值浓度范围为2X 1017-1\1018〇11_3，深度范围为10-2011111，并且同时生长的氧化层（11)为掺铝的310 2。9. 根据权利要求6所述的一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件的制备方法， 其特征在于，步骤B中的减薄工艺采用等离子体干法刻蚀技术，精确控制刻蚀后的氧化层 (11)厚度为 18-20nm〇10. 根据权利要求6所述的一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件的制备方法， 其特征在于，步骤A中的三价元素为铝或硼。
【文档编号】H01L29/06GK105957898SQ201610525827
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】周郁明, 刘航志, 王兵
【申请人】安徽工业大学