一种碳化硅MOS栅控功率器件及其制备方法与流程

本发明涉及半导体器件
技术领域：
，具体涉及一种碳化硅mos栅控功率器件及其制备方法。
背景技术：
：碳化硅材料具有宽带隙，高击穿场强，高热导率，高饱和电子迁移速率，以及极好的物理化学稳定性等特性，适用于高温，高频，大功率和极端环境下工作。碳化硅是唯一可以通过热氧化生成sio2介质层的宽带隙半导体材料，使得碳化硅尤其适合制备各种mos结构的半导体器件，碳化硅mos功率器件作为一种单极性器件具有比硅igbt器件更高耐压能力和更大功率容量，而且频率更高、功耗更小。然而传统的碳化硅mos功率器件中阱区采用箱式注入，如果注入浓度太小，器件承受反向耐压时阱区底部容易穿通，导致器件耐压能力下降或提前损坏；如果注入浓度太大，会导致器件栅极阈值电压过高，器件栅控能力减弱。技术实现要素：为了满足克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种碳化硅mos栅控功率器件及其制备方法。第一方面，本发明中一种碳化硅mos栅控功率器件的制备方法的技术方案是：所述制备方法包括：在碳化硅衬底的正面形成外延薄膜，并采用倒掺杂型离子注入法向所述外延薄膜的上表面注入离子，形成倒掺杂阱区；向所述倒掺杂阱区注入离子分别形成源极接触区和基极接触区；在所述外延薄膜的上表面淀积金属分别形成栅电极和源电极，在所述碳化硅衬底的背面淀积金属形成漏电极。进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：所述采用倒掺杂型离子注入法向外延薄膜的上表面注入离子之前包括：采用rca标准清洗法对所述碳化硅衬底和外延薄膜进行清洗；在所述清洗后的外延薄膜的上表面形成离子注入掩膜层；在所述离子注入掩膜层的上表面形成离子注入窗口，并通过所述离子注入窗口向外延薄膜注入离子。进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：所述采用倒掺杂型离子注入法向外延薄膜的上表面注入离子包括：采用单步离子注入法或多步离子注入法向外延薄膜注入离子。进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：所述倒掺杂型离子注入法的温度为0～1000℃，离子注入能量为1kev～100mev，离子注入剂量为1×1010-1×1016(atom/cm-2)。第二方面，本发明中一种碳化硅mos栅控功率器件的技术方案是：所述碳化硅mos栅控功率器件包括：碳化硅衬底；外延薄膜，其设置在所述碳化硅衬底的正面；倒掺杂阱区，其设置在所述外延薄膜内；所述倒掺杂阱区为通过倒掺杂型离子注入法向所述外延薄膜的上表面注入离子形成的阱区；源极接触区和基极接触区；所述源极接触区和基极接触区均设置在所述倒掺杂阱区内；栅电极、源电极和漏电极；所述栅电极和源电极均设置在所述外延薄膜的上表面；所述漏电极设置在所述碳化硅衬底的背面。进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：所述碳化硅衬底为n型或p型碳化硅，所述碳化硅为4h-sic或6h-sic；所述外延薄膜的厚度为0.1μm-500μm，其掺杂浓度为1×1013-1×1021cm-3；所述倒掺杂阱区的掺杂离子为氮离子、磷离子、铝离子或硼离子，所述掺杂离子的浓度为1×1010-1×1016cm-2。进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：所述碳化硅mos栅控功率器件还包括离子注入掩膜层，其设置在所述外延薄膜的上表面；所述离子注入掩膜层包括离子注入窗口。进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：所述离子注入掩膜层为由硅、硅氧化合物、硅氮化合物或金属构成的单层薄膜层；或者，所述离子注入掩膜层为由硅、硅氧化合物、硅氮化合物和金属中至少两种材料构成的多层薄膜层；所述多层薄膜层中各薄膜层的厚度均为0.001～200μm。进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：所述离子注入窗口的长、宽或半径为0.01μm～50cm；所述离子注入窗口为叉指结构或平行长条状或圆环形或方形，所述平行长条状包括多个平行的长方形；或者，所述离子注入窗口为包含所述叉指结构、平行长条状、圆环形和方形中至少两种形状的组合图形。进一步地，本发明提供的一个优选技术方案为：所述碳化硅mos栅控功率器件为碳化硅mosfet、碳化硅igbt或碳化硅mosgct。与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明提供的一种碳化硅mos栅控功率器件的制备方法，采用倒掺杂型离子注入法向外延薄膜注入离子可以形成倒掺杂阱区，倒掺杂阱区中底部的离子掺杂浓度大于顶部的离子掺杂浓度，可以避免碳化硅mos栅控功率器件在承受反向耐压时因阱区底部穿通而导致器件失效或损坏。2、本发明提供的一种碳化硅mos栅控功率器件，其包括倒掺杂阱区，而倒掺杂阱区中底部的离子掺杂浓度大于顶部的离子掺杂浓度，因此可以避免碳化硅mos栅控功率器件在承受反向耐压时因阱区底部穿通而导致器件失效或损坏。附图说明图1：本发明实施例中一种碳化硅mos栅控功率器件的制备方法实施流程图；图2：本发明实施例中外延薄膜示意图；图3：本发明实施例中离子注入掩膜层示意图；图4：本发明实施例中离子注入窗口示意图；图5：本发明实施例中倒掺杂阱区示意图；图6：本发明实施例中碳化硅mos栅控功率器件横截面示意图；图7：本发明实施例中倒掺杂阱区的掺杂离子浓度分布示意图；其中，11：碳化硅衬底；12：外延薄膜；13：离子注入掩膜层；14：包含离子注入窗口的离子注入掩膜层；15：倒掺杂阱区；16：栅电极；17：源电极；18：漏电极。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种碳化硅mos栅控功率器件的制备方法进行说明。图1为本发明实施例中一种碳化硅mos栅控功率器件的制备方法实施流程图，如图所示，本实施例可以按照下述步骤制备碳化硅mos栅控功率器件，具体为：步骤s101：在碳化硅衬底的正面形成外延薄膜，并采用倒掺杂型离子注入法向外延薄膜的上表面注入离子，形成倒掺杂阱区。步骤s102：向倒掺杂阱区注入离子分别形成源极接触区和基极接触区。步骤s103：在外延薄膜的上表面淀积金属分别形成栅电极和源电极，在碳化硅衬底的背面淀积金属形成漏电极。本实施例中采用倒掺杂型离子注入法向外延薄膜注入离子可以形成倒掺杂阱区，倒掺杂阱区中底部的离子掺杂浓度大于顶部的离子掺杂浓度，可以避免碳化硅mos栅控功率器件在承受反向耐压时因阱区底部穿通而导致器件失效或损坏。进一步地，本实施例中步骤s101还可以包括下述步骤，具体为：1、在碳化硅衬底的正面形成外延薄膜之后，采用rca标准清洗法对碳化硅衬底和外延薄膜进行清洗。下面对rca标准清洗法进行简单说明，具体为：(1)配置清洗溶液。其中，本实施例中采用氢氟酸hf和蒸馏水h2o的混合溶液，氢氟酸hf和蒸馏水h2o的比例为1:10。(2)用步骤(1)配置的清洗溶液清洗样品支架并吹干，将碳化硅样品固定在支架上。(3)配置3#溶液，将固定有碳化硅样品的支架放在250℃的3#溶液中清洗15min，清洗结束之后用热水冲洗支架。其中，3#溶液为硫酸和双氧水的混合溶液，硫酸和双氧水h2o2的比例为3:1。(4)配置1#溶液，将1#溶液加热至75～85℃并持续10～20min后，将固定有碳化硅样品的支架放在1#溶液中清洗10～20min，清洗结束之后用热水冲洗支架。其中，1#溶液为氨水、双氧水h2o2和蒸馏水h2o的混合溶液，氨水、双氧水h2o2和蒸馏水h2o的比例为1:1:5～1:1:7。(5)配置2#溶液，将固定有碳化硅样品的支架放在2#溶液中清洗15min，清洗结束之后用热水冲洗支架。其中，2#溶液为盐酸、双氧水h2o2和蒸馏水h2o的混合溶液，盐酸、双氧水h2o2和蒸馏水h2o的比例为1:1:5。(6)用浓度为10％的氢氟酸hf清洗固定有碳化硅样品的支架5～10s，以去除碳化硅样品表面的氧化层。(7)用去离子水清洗固定有碳化硅样品的支架20min。2、在清洗后的外延薄膜的上表面形成离子注入掩膜层。3、在离子注入掩膜层的上表面形成离子注入窗口。4、采用倒掺杂型离子注入法通过离子注入窗口向外延薄膜的上表面注入离子。本实施例中可以采用单步离子注入法，也可以采用多步离子注入法向外延薄膜注入离子。其中：倒掺杂型离子注入法的温度为0～1000℃，离子注入能量为1kev～100mev，离子注入剂量为1×1010-1×1016(atom/cm-2)。图7为本发明实施例中倒掺杂阱区的掺杂离子浓度分布示意图，其中，各掺杂离子浓度分布的注入条件如表1所示。表1注入能量30kev45kev120kev250kev300kev350kev450kevtotal注入剂量1.65e+122.3e+121.26e+138.3e+139.3e+131.0e+141.15e+133.0e+14本发明还提供了一种碳化硅mos栅控功率器件，并给出具体实施例。本实施例中碳化硅mos栅控功率器件包括碳化硅衬底、外延薄膜、倒掺杂阱区、源极接触区、基极接触区、栅电极、源电极和漏电极。其中，外延薄膜设置在碳化硅衬底的正面，源极接触区和基极接触区均设置在所述倒掺杂阱区内，栅电极和源电极均设置在外延薄膜的上表面，漏电极设置在碳化硅衬底的背面。倒掺杂阱区设置在外延薄膜内。本实施例中倒掺杂阱区为通过倒掺杂型离子注入法向外延薄膜的上表面注入离子形成的阱区。本实施例中倒掺杂阱区中底部的离子掺杂浓度大于顶部的离子掺杂浓度，因此可以避免碳化硅mos栅控功率器件在承受反向耐压时因阱区底部穿通而导致器件失效或损坏。进一步地，本实施例中碳化硅衬底可以为n型碳化硅也可以为p型碳化硅，其中碳化硅可以采用为4h-sic或6h-sic。外延薄膜的厚度可以为0.1μm-500μm，掺杂浓度为1×1013-1×1021cm-3。倒掺杂阱区的掺杂离子为氮离子、磷离子、铝离子或硼离子，掺杂离子的浓度为1×1010-1×1016cm-2。进一步地，本实施例中碳化硅mos栅控功率器件还可以包括离子注入掩膜层，该离子注入掩膜层设置在外延薄膜的上表面，并包括离子注入窗口。其中，离子注入掩膜层可以为由硅、硅氧化合物、硅氮化合物或金属构成的单层薄膜层，也可以为由硅、硅氧化合物、硅氮化合物和金属中至少两种材料构成的多层薄膜层，多层薄膜层中各薄膜层的厚度均为0.001～200μm。离子注入窗口的长、宽或半径为0.01μm～50cm。离子注入窗口可以为叉指结构或平行长条状或圆环形或方形，也可以为包含叉指结构、平行长条状、圆环形和方形中至少两种形状的组合图形。其中，平行长条状包括多个平行的长方形。进一步地，本实施例中碳化硅mos栅控功率器件可以为碳化硅mosfet、碳化硅igbt或碳化硅mosgct。本发明还提供一个碳化硅mos栅控功率器件的优选实施方案，下面结合附图对该碳化硅mos栅控功率器件的制备方法进行详细说明。1、制备外延薄膜图2为本发明实施例中外延薄膜示意图，如图所示，本实施例中在碳化硅衬底11的正面形成外延薄膜12，并清洗碳化硅衬底11和外延薄膜12。其中：碳化硅衬底11为n型4h-sic，厚度为380μm，掺杂离子为氮离子n，掺杂浓度为5×1018cm-3。外延薄膜12为n型4h-sic，厚度为12μm，掺杂离子为氮离子n，掺杂浓度为8×1018cm-3。2、制备离子注入掩膜层图3为本发明实施例中离子注入掩膜层示意图，如图所示，本实施例中采用pecvd沉积方法在外延薄膜12的上表面形成离子注入掩膜层13。其中：离子注入掩膜层13为由二氧化硅构成的单层薄膜层，厚度为2μm。3、制备离子注入窗口图4为本发明实施例中离子注入窗口示意图，如图所示，本实施例中，对离子注入掩膜层13进行光刻和刻蚀，形成离子注入窗口14。其中：离子注入窗口14为10μm×10μm的方形离子注入窗口。4、制备倒掺杂阱区图5为本发明实施例中倒掺杂阱区示意图，如图所示，本实施例中采用倒掺杂型离子注入法通过离子注入窗口14向外延薄膜12注入铝离子al，形成倒掺杂阱区15。5、制备碳化硅mos栅控功率器件的电极图6为本发明实施例中碳化硅mos栅控功率器件横截面示意图，如图所示，向倒掺杂阱区15注入离子分别形成源极接触区和基极接触区，在外延薄膜的上表面淀积金属层并对该金属层进行光刻和刻蚀形成栅电极16和源电极17，在碳化硅衬底的背面淀积金属层，并对该金属层进行光刻和刻蚀形成漏电极18。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。当前第1页12