一种SiC器件终端结构的制作方法与流程

本发明涉及一种半导体微电子器件制备技术，具体涉及一种SiC器件终端结构的制作方法。

背景技术：

碳化硅材料临界场强高、禁带宽度大，成为在大功率、高温、高压等应用领域非常受欢迎的半导体材料。碳化硅器件的比导通电阻比同类硅器件小两个数量级，工作频率10倍于硅，辐射耐受量10倍于硅，单个器件可承受的电压可达硅器件的10倍，芯片功率密度可达硅器件的10倍到30倍，碳化硅模块的体积重量与硅模块相比可减少80％，系统损耗可降低30％到70％。

目前，SiC器件的制造普遍沿用平面工艺，而平面工艺面临很多二维(圆柱形)或三维(球形)效应，例如电场集中效应等。当器件反向偏置时，第一种导电类型区域的拐角处电场受到拥挤，进而产生一个电场尖峰，随着器件的反向偏压不断增加，此处电场强度达到Ec时，器件即发生击穿。一个未作终端处理的器件通常击穿电压为理想值的10％～20％左右，极大的限制了器件的高压阻断能力。

结终端技术能够解决高压碳化硅器件阻断时的边界二维效应，主要是将器件主结区域的高电压逐步释放，使其尽可能的迫近理论计算值。此外，在SiC器件中，结终端技术的意义还在于减小器件的表面电场，避免器件表面钝化层的击穿。因此，为了缓解SiC器件中电场的集中和提高器件的击穿电压，必须采用结终端技术。在碳化硅功率器件中，常用的平面型结终端技术有：场板FP(Field Plate)、场限环FLR(Field Limiting Ring)、结终端扩展JTE(Junction Termination Extension)，以上3种终端技术各有优缺点，为了充分发挥各终端的优势，常常将2种或以上的终端技术结合起来使用。

形成具有场限环或结终端扩展的SiC高压器件终端结构必须进行离子注入。由于SiC与Si相比具有更大的密度，因此在同能量注入的情况下，离子在SiC中能够形成的注入深度会更小，这就需要采用更大的注入能量来进行离子注入工艺。为了提高SiC功 率器件的反向击穿电压，需要进一步增加器件终端结构中离子注入的深度，有时为达到较深的注入区域，其注入能量可能需要达到MeV级别，这在通常工艺条件下很难实现。基于上述问题，必须寻求更好的制作SiC器件终端结构的方法。

技术实现要素：

本发明提供一种SiC器件终端结构的制作方法，能够采用低注入能量实现SiC器件终端结构的高反向击穿电压，该方法通过有效增加SiC器件终端结构中离子注入的深度，提高了器件反向耐压能力，且注入能量较低，工艺简单，易于实现。

该SiC器件终端结构的制作方法如下：

步骤一，在SiC器件终端的第二种导电类型的碳化硅衬底上表面淀积注入掩膜；

步骤二，对注入掩膜进行光刻，曝露出需要进行离子注入的区域；

步骤三，刻蚀注入掩膜，形成注入窗口，再刻蚀碳化硅衬底，形成刻蚀凹槽；

步骤四，去除光刻胶；

步骤五，注入第一种导电类型的离子，形成SiC器件终端结构中第一种导电类型的离子注入区。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第一优选技术方案，所述的终端结构是需要进行离子注入的终端结构。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第二优选技术方案，所述的终端结构是场限环结构、结终端扩展结构、或上述结构与场板或刻蚀终端结构的任意组合。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第三优选技术方案，所述第二种导电类型为P型或N型。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第四优选技术方案，所述碳化硅衬底是4H-SiC、6H-SiC或3C-SiC。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第五优选技术方案，所述注入掩膜是氧化硅、氮化硅、非晶硅、金属薄膜、光刻胶中一种或几种不同薄膜组合的层叠结构。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第六优选技术方案，所述注入掩膜的形成方法是等离子体增强化学气相沉积法(PECVD：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)、低压化学气相沉积法(LPCVD：Low Pressure Chemical Vapor Deposition)、磁控溅射、热蒸发镀膜法中的一种或几种组合。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第七优选技术方案，所述注入掩膜的厚度为0.5μm～10μm。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第八优选技术方案，步骤二中所述光刻选用的光刻胶是正性光刻胶、负性光刻胶或反转光刻胶。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第九优选技术方案，步骤二中所述光刻后，坚膜光刻胶。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第十优选技术方案，所述坚膜光刻胶的方法：于50℃～350℃下，用热板坚膜0.1min～60min或用烘箱坚膜1min～180min。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第十一优选技术方案，步骤二中所述需要进行离子注入的区域位于SiC器件的终端结构中。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第十二优选技术方案，步骤二中所述需要进行离子注入的区域尺寸相同或不同。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第十三优选技术方案，所述需要进行离子注入的区域中注入离子的浓度相同或不同。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第十四优选技术方案，步骤三中所述刻蚀的方法是ICP刻蚀、RIE刻蚀、湿法刻蚀的一种或几种的组合。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第十五优选技术方案，步骤三所述刻蚀注入掩膜与刻蚀碳化硅衬底的方法相同或不同。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第十六优选技术方案，步骤四中所述去除光刻胶的方法：有机溶剂去胶、可以为无机溶剂去胶或氧等离子体干法去胶。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第十七优选技术方案，步骤五中所述注入第一种导电类型离子的方法为高温离子注入。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第十八优选技术方案，所述高温离子注入的温度大于等于500摄氏度。

所述的SiC器件终端结构的制作方法的第十九优选技术方案，所述高温离子注入的能量为10keV～2MeV。

和现有技术相比，本发明方法的有益效果：

1)在采用较低离子注入能量的情况下，增大了SiC器件终端结构中第一种导电类型离子注入的深度，在器件反向工作的情况下形成更厚的电压阻挡层，充分发挥了SiC终端结构的优点，增大了器件的反向耐压，提高了SiC器件的性能。

2)制作工艺简单，易于实现。

附图说明

图1：采用一般方法制作的SiC器件终端结构横截面示意图；

图2：采用本发明方法制作的SiC器件终端结构横截面示意图；

图3：实施例1中在N型碳化硅衬底上淀积3μm SiO₂作为注入掩膜后的器件终端结构横截面示意图；

图4：实施例1中对SiO₂层进行光刻的器件横截面示意图；

图5：实施例1中RIE刻蚀SiO₂注入掩膜形成终端结构中离子注入窗口后的器件横截面示意图；

图6：实施例1中采用ICP方式继续刻蚀N型碳化硅衬底，形成刻蚀凹槽后的器件 横截面示意图；

图7：实施例1中去除正性光刻胶后器件的横截面示意图；

图8：实施例1中离子注入形成SiC器件终端结构中P型注入区的横截面示意图。

图9：实施例1中形成具有场限环及浮空场板终端结构的碳化硅器件的横截面示意图。

图10：实施例2中对SiO₂层进行光刻的器件横截面示意图；

图11：实施例2中RIE刻蚀SiO₂注入掩膜形成终端结构中离子注入窗口后的器件横截面示意图；

图12：实施例2中采用ICP方式继续刻蚀N型碳化硅衬底，形成刻蚀凹槽后的器件横截面示意图；

图13：实施例2中去除正性光刻胶后器件的横截面示意图；

图14：实施例2中离子注入形成SiC器件终端结构中P型注入区的横截面示意图。

图15：实施例2中形成的具有JTE终端结构的碳化硅器件的横截面示意图。

图16：实施例3中在N型碳化硅衬底上淀积SiO₂及Si₃N₄层作为注入掩膜的器件横截面示意图；

图17：实施例3中对SiO₂及Si₃N₄层进行光刻的器件横截面示意图；

图18：实施例3中刻蚀SiO₂及Si₃N₄注入掩膜形成场限环终端离子注入窗口后的器件横截面示意图；

图19：实施例3中继续刻蚀N型碳化硅衬底，形成刻蚀凹槽后的器件横截面示意图；

图20：实施例3中去除正性光刻胶后器件的横截面示意图；

图21：实施例3中离子注入场限环终端结构中P型注入区的器件横截面示意图。

图22：实施例3中形成的具有场限环终端结构的碳化硅器件横截面示意图。

图23：实施例4中对形成JTE结构SiO₂离子注入掩膜进行光刻的器件横截面示意图。

图24：实施例4中使用ICP工艺刻蚀SiO₂掩膜后形成JTE结构离子注入掩膜的器件横截面示意图。

图25：实施例4中继续使用ICP刻蚀SiO₂掩膜下的SiC材料形成用于JTE结构离子注入刻蚀凹槽的器件横截面示意图。

图26：实施例4中去除SiO₂上光刻胶后的器件横截面示意图。

图27：实施例4中对JTE结构进行第一种掺杂浓度的P型离子注入的器件横截面示意图。

图28：实施例4中第二次淀积SiO₂层的器件横截面示意图。

图29：实施例4中光刻注入掩膜，形成场限环结构离子注入掩膜的刻蚀阻挡层的器件横截面示意图。

图30：实施例4中使用ICP工艺刻蚀SiO₂掩膜，形成场限环结构离子注入窗口的器件横截面示意图。

图31：实施例4中继续使用ICP刻蚀SiO₂掩膜下的SiC材料，形成场限环结构离子注入刻蚀凹槽的器件横截面示意图。

图32：实施例4中第二次去除光刻胶后的器件横截面示意图。

图33：实施例4中，对场限环结构进行第二种掺杂浓度的P型离子注入的器件横截面示意图。

图34：实施例4中形成的具有JTE及场限环终端结构的器件横截面示意图。

附图标记说明

1 N型碳化硅衬底

2 SiO₂离子注入掩膜

3 P型注入离子

4 P型离子注入区

6 钝化层

7 主节

8 9920正性光刻胶

9 用于正性光刻胶光刻的掩膜板

10 紫外线

11 浮空场板

12 Si₃N₄离子注入掩膜

具体实施方式

采用通常方法形成的SiC器件终端结构如图1所示，由于离子注入的能量受到工艺条件的限制，终端结构中离子注入区4的深度一般在0.4μm～0.6μm，限制了器件反向耐压的进一步提高。

本发明的内容主要是在形成SiC器件终端结构离子注入区时，完成对注入掩膜2的窗口刻蚀之后，继续刻蚀碳化硅衬底1，形成刻蚀凹槽，接着进行第一种导电类型的离子3的注入，形成深度更大的第一种导电类型离子注入区，如图2所示，增大了器件的反向耐压。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。此外，本发明不限于以 下的实施方式。在与本发明相同和均等的范围内，可对以下的实施方式做出各种变更。

实施例1

具体工艺流程如下：

步骤一，准备具有N型碳化硅外延层的N型碳化硅衬底1，进行样品清洗。使用硫酸与双氧水构成的3#液对样品进行清洗，使用氨水、双氧水、水构成的1#液以及盐酸、双氧水、水构成的2#液和缓冲氧化层刻蚀剂(BOE：Buffered Oxide Etchant)溶液对样品进行清洗，再使用丙酮、乙醇、去离子水清洗样品，之后甩干样品。

步骤二，参照图3，在清洗完毕的N型碳化硅衬底1上采用PECVD方法生长离子注入掩膜SiO₂2约3μm。

步骤三：参照图4，光刻注入掩膜，形成场限环结构离子注入掩膜的刻蚀阻挡层。在N型碳化硅衬底上旋涂9920正性光刻胶8，在热板上对样品进行前烘，使用用于正性光刻胶光刻的掩膜板9，对样品在紫外光10下进行曝光操作，掩膜板9透光的位置为终端结构中需要进行离子注入的区域，不透光的位置为不需要进行离子注入的区域，曝光完成后，需要进行离子注入区域的正性光刻胶8变性，可以被显影液刻蚀掉，不需要进行离子注入的区域不被显影液刻蚀掉，用烘箱对样品进行坚膜操作，SiO₂刻蚀阻挡层制作完毕。

步骤四：参照图5，使用RIE工艺刻蚀SiO₂掩膜，经过约15分钟的刻蚀过程，SiO₂材料刻蚀完毕，此时终端结构中需要进行离子注入的区域没有SiO₂掩膜保护，不需要进行离子注入的区域有SiO₂掩膜保护。

步骤五：将制作好SiO₂掩膜的样品从RIE刻蚀设备中取出，立即放入ICP刻蚀机中进行刻蚀，继续使用ICP刻蚀SiO₂掩膜下的SiC材料，刻蚀气体为SF₆和O₂，经过约5分钟，大约刻蚀深度为满足刻蚀要求，参照图6。

步骤六：使用正胶去膜剂去除SiO₂上的光刻胶，参照图7，此时SiO₂离子注入掩膜制作完毕。

步骤七：参照图8，使用高温离子注入机进行P型离子注入，形成器件终端结构中的P型注入区，由于碳化硅衬底上具有刻蚀凹槽，离子注入的深度比采用一般方法增大0.1μm～1μm。

利用上述步骤，经后续背电极工艺、正面电极工艺及场板工艺后，完成本实施例的一种采用低注入能量实现SiC器件高反向击穿电压终端结构方法制作的具有场限环及浮空场板终端结构的器件，参照图9。

实施例2

具体工艺流程如下：

步骤一，准备具有N型碳化硅外延层的N型碳化硅衬底1，进行样品清洗。使用硫酸与双氧水构成的3#液对样品进行清洗，使用氨水、双氧水、水构成的1#液以及盐酸、双氧水、水构成的2#液和缓冲氧化层刻蚀剂(BOE：Buffered Oxide Etchant)溶液对样品进行清洗，再使用丙酮、乙醇、去离子水清洗样品，之后甩干样品。

步骤二，在清洗完毕的N型碳化硅衬底1上采用PECVD方法生长离子注入掩膜SiO₂2约3μm。

步骤三：参照图10，光刻注入掩膜，形成JTE结构离子注入掩膜的刻蚀阻挡层。在N型碳化硅衬底上旋涂9920正性光刻胶8，在热板上对样品进行前烘，使用用于正性光刻胶光刻的掩膜板9，对样品在紫外光10下进行曝光操作，掩膜板9透光的位置为终端结构中需要进行离子注入的区域，不透光的位置为不需要进行离子注入的区域，曝光完成后，需要进行离子注入区域的正性光刻胶8变性，可以被显影液刻蚀掉，不需要进行离子注入的区域不被显影液刻蚀掉，用烘箱对样品进行坚膜操作，SiO₂刻蚀阻挡层制作完毕。

步骤四：参照图11，使用RIE工艺刻蚀SiO₂掩膜，经过约15分钟的刻蚀过程，SiO₂材料刻蚀完毕，此时终端结构中需要进行离子注入的区域没有SiO₂掩膜保护，不需要进行离子注入的区域有SiO₂掩膜保护。

步骤五：将制作好SiO₂掩膜的样品从RIE刻蚀设备中取出，立即放入ICP刻蚀机 中进行刻蚀，继续使用ICP刻蚀SiO₂掩膜下的SiC材料，刻蚀气体为SF₆和O₂，经过约5分钟，大约刻蚀深度为满足刻蚀要求，参照图12。

步骤六：使用正胶去膜剂去除SiO₂上的光刻胶，参照图13，此时SiO₂离子注入掩膜制作完毕。

步骤七：参照图14，使用高温离子注入机进行P型离子注入，形成器件终端结构中的P型注入区，由于碳化硅衬底上具有刻蚀凹槽，离子注入的深度比采用一般方法增大0.1μm～1μm。

步骤八：利用上述步骤，经后续背电极工艺、正面电极工艺及钝化工艺后，完成本实施例的一种采用低注入能量实现SiC器件高反向击穿电压终端结构方法制作的具有JTE终端结构的器件，参照图15。

实施例3

步骤一：准备具有N型碳化硅外延层的N型碳化硅衬底1，进行样品清洗。使用硫酸与双氧水构成的3#液对样品进行清洗，使用氨水、双氧水、水构成的1#液以及盐酸、双氧水、水构成的2#液和缓冲氧化层刻蚀剂BOE溶液对样品进行清洗，再使用丙酮、乙醇、去离子水清洗样品，之后甩干样品。

步骤二：参照图16，在清洗完毕的N型碳化硅衬底样品上生长离子注入掩膜SiO₂约2μm，再在SiO₂掩膜上生长氮化硅掩膜0.5μm。

步骤三：参照图17，光刻注入掩膜，形成场限环离子注入掩膜的刻蚀阻挡层。在N型碳化硅衬底上旋涂9920正性光刻胶8，在热板上对样品进行前烘，使用用于正性光刻胶光刻的掩膜板9，对样品在紫外光10下进行曝光操作，掩膜板9透光的位置为需要进行离子注入的区域，不透光的位置为不需要进行离子注入的区域，曝光完成后，需要进行离子注入区域的正性光刻胶8变性，可以被显影液刻蚀掉，不需要进行离子注入的区域不被显影液刻蚀掉，用烘箱对样品进行坚膜操作，Si₃N₄和SiO₂刻蚀阻挡层制作完毕。

步骤四：参照图18，使用RIE工艺刻蚀Si₃N₄和SiO₂掩膜，经过约15分钟的刻蚀 过程，Si₃N₄和SiO₂材料刻蚀完毕。此时需要进行离子注入的区域没有Si₃N₄和SiO₂掩膜保护，不需要进行离子注入的区域有Si₃N₄和SiO₂掩膜保护。

步骤五：将样品取出，立即放入ICP刻蚀机中进行刻蚀。继续使用ICP刻蚀Si₃N₄和SiO₂掩膜下的N型SiC衬底材料，刻蚀气体为SF₆和O₂，经过约5分钟，大约刻蚀深度为满足刻蚀要求，参照图19。

步骤六：使用正胶去膜剂去除Si₃N₄和SiO₂层叠结构上的光刻胶，参照图20，此时Si₃N₄和SiO₂层叠结构的离子注入掩膜制作完成。

步骤七：参照图21，使用高温离子注入机进行P型注入，形成碳化硅器件场限环终端结构的P型离子注入区。

步骤八：经后续背电极工艺、正面电极工艺及钝化工艺后，完成本实施例的一种采用低注入能量实现SiC器件高反向击穿电压终端结构方法制作的具有场限环终端结构的器件，参照图22。

实施例4

具体工艺流程如下：

步骤一，准备具有N型碳化硅外延层的N型碳化硅衬底1，进行样品清洗。使用硫酸与双氧水构成的3#液对样品进行清洗，使用氨水、双氧水、水构成的1#液以及盐酸、双氧水、水构成的2#液和缓冲氧化层刻蚀剂(BOE：Buffered Oxide Etchant)溶液对样品进行清洗，再使用丙酮、乙醇、去离子水清洗样品，之后甩干样品。

步骤二，在清洗完毕的N型碳化硅衬底1上采用PECVD方法生长离子注入掩膜SiO₂2约3μm。

步骤三：参照图23，光刻注入掩膜，形成JTE结构离子注入掩膜的刻蚀阻挡层。在N型碳化硅衬底上旋涂9920正性光刻胶8，在热板上对样品进行前烘，使用用于正性光刻胶光刻的掩膜板9，对样品在紫外光10下进行曝光操作，掩膜板9透光的位置为终端结构中需要进行离子注入的区域，不透光的位置为不需要进行离子注入的区域， 曝光完成后，需要进行离子注入区域的正性光刻胶8变性，可以被显影液刻蚀掉，不需要进行离子注入的区域不被显影液刻蚀掉，用烘箱对样品进行坚膜操作，SiO₂刻蚀阻挡层制作完毕。

步骤四：参照图24，使用ICP工艺刻蚀SiO₂掩膜，经过约15分钟的刻蚀过程，SiO₂材料刻蚀完毕，此时终端结构中需要进行离子注入的区域没有SiO₂掩膜保护，不需要进行离子注入的区域有SiO₂掩膜保护。

步骤五：继续使用ICP刻蚀SiO₂掩膜下的SiC材料，刻蚀气体为SF₆和O₂，经过约5分钟，大约刻蚀深度为满足刻蚀要求，参照图25。

步骤六：使用正胶去膜剂去除SiO₂上的光刻胶，参照图26，此时SiO₂离子注入掩膜制作完毕。

步骤七：参照图27，使用高温离子注入机对JTE结构进行第一种掺杂浓度的P型离子注入，形成器件终端结构中的JTE P型注入区，由于碳化硅衬底上具有刻蚀凹槽，离子注入的深度比采用一般方法增大0.1μm～1μm。

步骤八：参照图28，去除第一次生长的SiO₂层，采用PECVD方法生长第二次离子注入掩膜SiO₂层约3μm。

步骤九：参照图29，光刻注入掩膜，形成场限环结构离子注入掩膜的刻蚀阻挡层。在N型碳化硅衬底上旋涂9920正性光刻胶8，在热板上对样品进行前烘，使用用于正性光刻胶光刻的掩膜板9，对样品在紫外光10下进行曝光操作，掩膜板9透光的位置为终端结构中需要进行离子注入的区域，不透光的位置为不需要进行离子注入的区域，曝光完成后，需要进行离子注入区域的正性光刻胶8变性，可以被显影液刻蚀掉，不需要进行离子注入的区域不被显影液刻蚀掉，用烘箱对样品进行坚膜操作，SiO₂刻蚀阻挡层制作完毕。

步骤十：参照图30，使用ICP工艺刻蚀SiO₂掩膜，经过约15分钟的刻蚀过程，SiO₂材料刻蚀完毕，此时终端结构中需要进行离子注入的区域没有SiO₂掩膜保护，不需要进行离子注入的区域有SiO₂掩膜保护。

步骤十一：继续使用ICP刻蚀SiO₂掩膜下的SiC材料，刻蚀气体为SF₆和O₂，经过约5分钟，大约刻蚀深度为满足刻蚀要求，参照图31。

步骤十二：使用正胶去膜剂去除SiO₂上的光刻胶，参照图32，此时用于场限环离子注入的SiO₂离子注入掩膜制作完毕。

步骤十三：参照图33，使用高温离子注入机对场限环结构进行第二种掺杂浓度的P型离子注入，形成器件终端结构中的场限环P型注入区，由于碳化硅衬底上具有刻蚀凹槽，离子注入的深度比采用一般方法增大0.1μm～1μm。

步骤十四：利用上述步骤，经后续背电极工艺、正面电极工艺及钝化工艺后，完成本实施例的一种采用低注入能量实现SiC器件高反向击穿电压终端结构方法制作的具有JTE及场限环终端结构的器件，参照图34。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。