一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管及制作方法与流程

本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，本发明还涉及该种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管的制作方法。

背景技术：

碳化硅(sic)材料具有禁带宽度大、热导率高、临界雪崩击穿电场强度高、饱和载流子漂移速度大及热稳定性好等优点，是制造电力半导体器件的理想材料。sic高压器件与同等级的硅器件相比，具有更低的通态压降、更高的工作频率、更低的功耗、更小的体积以及更好的耐高温特性，更适合应用于电力电子电路。sic晶闸管作为sic高压器件中的一种，具有阻断电压高、通态压降低、安全工作区(soa)大以及无栅氧化层可靠性问题等优点，能突破硅晶闸管的物理极限，有效提升高压直流输电系统(hvdc)与智能电网电能传输系统的功率密度与效率。相比于sic电控晶闸管(sicett)，sic光触发晶闸管(sicltt)在简化驱动电路与抗电磁干扰方面具有更多优势。

因铝受主在sic中的电离能较高(0.19ev)，p型sic材料具有较高的电阻率。为了避免使用电阻率较高的p型衬底，耐压10kv及以下的sic晶闸管一般需采用p型长基区结构。采用p型长基区结构的sic晶闸管，p⁺发射区空穴浓度较低，影响p⁺-n发射结注入效率，导致sicltt存在开通延迟时间大的问题。为了缩短开通延迟时间，一般使用紫外激光脉冲对sicltt进行触发，而激光源存在体积大、效率低的问题。鉴于此，紫外发光二极管(uvled)被用于触发sicltt。但uvled光功率密度较小，难以满足高压sicltt的触发需求。

n.dheilly等2011年在electronicsletters发表文章《opticaltriggeringofsicthyristorsusinguvleds》，文中利用330nm波长的uvled对sicltt进行了触发，光脉冲宽度为20μs，sicltt经2.6μs的延迟后电压才开始下降。n.dheilly等的工作首次实现了sicltt的uvleds触发，但sicltt开通延迟时间较大，仍需改进。

s.l.rumyantsev等2013年在semiconductorscienceandtechnology发表文章《opticaltriggeringofhigh-voltage(18kv-class)4h-sicthyristors》，文中首次在sicltt中引入了放大门极结构，通过引入放大门极，触发光功率密度得到降低，但仍旧存在开通延迟时间大的问题。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种高性能、高可行性的技术方案，用于改善uvled触发sicltt开通延迟时间大的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，解决了现有siclttp⁺-n发射结注入效率低，开通延迟时间大，所需触发光功率高的问题。

本发明的另一目的是提供该种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管的制作方法。

本发明所采用的技术方案是，一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管，包括sic衬底，该sic衬底的材料为n型4h-sic，

在sic衬底之上制作有第一外延层，即n⁺发射区，该第一外延层的材料为n型4h-sic；

在第一外延层之上制作有第二外延层，即p⁺缓冲层，该第二外延层的材料为p型4h-sic；

在第二外延层之上制作有第三外延层，即p^-长基区，该第三外延层的材料为p型4h-sic；

在第三外延层之上制作有第四外延层，即下层薄n基区，该第四外延层的材料为n型4h-sic；

在第四外延层之上制作有第五外延层，即上层薄n^-基区，该第五外延层的材料为n型4h-sic；

在第五外延层之上制作有第六外延层，即p⁺发射区，分为尺寸相同的多个凸台，每个凸台的侧壁为平面，该第六外延层的材料为p型4h-sic；

在第三外延层上部镶嵌有结终端，并且结终端位于第四外延层和第五外延层的末端之外，呈p型；

还包括绝缘介质薄膜，绝缘介质薄膜覆盖在第六外延层的各个凸台侧壁、各个凸台之间的第五外延层表面以及结终端台面的侧壁与表面，位于各个凸台之间的部分的高度低于凸台的上端面；

在第六外延层的各个凸台上端面覆盖有阳极；在sic衬底下端面覆盖有阴极。

本发明的另一技术方案是，一种具有双层薄n基区的碳化硅光触发晶闸管的制作方法，按照以下步骤实施：

步骤1：采用cvd的方法，在sic衬底上表面向上依次生长第一外延层、第二外延层、第三外延层、第四外延层、第五外延层、第六外延层；

其中sic衬底的掺杂类型为n型，厚度为1μm-500μm，其掺杂浓度为1×10¹⁴-1×10²²cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²；

第一外延层的掺杂类型为n型，厚度为0.1μm-3μm，其掺杂浓度为5×10¹⁷-1×10²²cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²；

第二外延层的掺杂类型为p型，厚度为0.1μm-3μm，其掺杂浓度为5×10¹⁶-1×10²²cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²；

第三外延层的掺杂类型为p型，厚度为1μm-500μm，其掺杂浓度为1×10¹⁴-3×10¹⁶cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²；

第四外延层的掺杂类型为n型，厚度为0.1μm-2.4μm，其掺杂浓度为1×10¹⁶-1×10²²cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²；

第五外延层的掺杂类型为n^-型，厚度为0.1μm-2.4μm，其掺杂浓度为1×10¹⁴-1×10¹⁷cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²；

第六外延层的掺杂类型为p型，厚度为0.1μm-6μm，其掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²²cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²；

步骤2：在第六外延层上采用曝光技术，获得图形化表面；

步骤3：在图形化表面上进行刻蚀，采用干法刻蚀，形成第六外延层的多个凸台，各凸台的间距为0.1μm-1cm，各凸台的高度为0.1μm-6.1μm，各凸台的高度不小于第六外延层的厚度；

步骤4：在外延层上表面采用曝光技术，获得图形化表面；

步骤5：在图形化表面上进行刻蚀，采用干法刻蚀，形成终端台面，该终端台面高度为0.2μm-500μm，其高度不小于第四外延层与第五外延层厚度之和；

步骤6：对步骤5得到的器件进行离子注入，在终端台面向下形成结终端，注入离子为铝离子或硼离子；结终端的厚度不大于1μm，宽度为1μm-1mm；离子注入的能量为100ev-700kev，注入温度为0℃-900℃，注入的剂量为1×10¹⁰-1×10¹⁶cm^-2；

步骤7：去除光刻掩膜，进行高温退火，高温退火温度为900℃-2100℃，退火气氛为惰性气体氛围；

步骤8：在器件上表面生长绝缘介质薄膜，所述绝缘介质薄膜覆盖第六外延层的凸台侧壁、凸台之间第五外延层的表面以及终端台面的侧壁与表面；所述绝缘介质薄膜厚度为0.1μm-2μm；

步骤9：对绝缘介质薄膜进行刻蚀，将第六外延层的各个凸台上表面的绝缘介质薄膜去除，保留其他部分的绝缘介质薄膜；

步骤10：在第六外延层的凸台上表面淀积阳极金属；

步骤11：在sic衬底的背面淀积阴极金属；

步骤12：对步骤11得到的制品在氮气或惰性气体保护下快速热退火，退火温度为500℃-1200℃，退火时间为10秒-10分钟；

步骤13：在阳极金属上淀积阳极压焊块；

步骤14：在阴极金属上淀积阴极压焊块，完成制备。

本发明的有益效果是，该sicltt薄n基区具有双层结构，增强了p⁺发射区的注入效率，改善了由于空穴浓度低导致的上pnp晶体管增益小的问题，缩短了sicltt的开通延迟时间，为uvled触发sicltt提供可行的技术方案。

附图说明

图1本发明实施例具有双层薄n基区的sicltt结构示意图；

图2本发明应用于10kv4h-sicltt的主器件结构示意图(图1的局部)；

图3本发明sicltt开通延迟时间与第六外延层的掺杂浓度关系曲线；

图4是本发明方法步骤1完成后的器件结构示意图；

图5是本发明方法步骤3完成后的器件结构示意图；

图6是本发明方法步骤5完成后的器件结构示意图；

图7是本发明方法步骤7完成后的器件结构示意图；

图8是本发明方法步骤9完成后的器件结构示意图；

图9是本发明方法步骤12完成后的器件结构示意图。

图中，1.衬底，2.第一外延层，3.第二外延层，4.第三外延层，5.第四外延层，6.第五外延层，7.第六外延层，8.绝缘介质薄膜，9.阳极，10.结终端，11.阴极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明具有双层薄n基区的sicltt结构是，

包括sic衬底1，该sic衬底1的材料为n型4h-sic，该sic衬底1的厚度为1μm-500μm，该sic衬底1的上端表面积为1μm²-2000cm²；

在sic衬底1之上制作有第一外延层2，即n⁺发射区，该第一外延层2的材料为n型4h-sic，该第一外延层2的厚度为0.1μm-3μm，该第一外延层2的上端表面积为1μm²-2000cm²；

在第一外延层2之上制作有第二外延层3，即p⁺缓冲层，该第二外延层3的材料为p型4h-sic，该第二外延层3的厚度为0.1μm-3μm，该第二外延层3的上端表面积为1μm²-2000cm²；

在第二外延层3之上制作有第三外延层4，即p^-长基区，该第三外延层4的材料为p型4h-sic，该第三外延层4的厚度为1μm-500μm，该第三外延层4的上端表面积为1μm²-2000cm²；

在第三外延层4之上制作有第四外延层5，即下层薄n基区，该第四外延层5的材料为n型4h-sic，该第四外延层5的厚度为0.1μm-2.4μm，该第四外延层5的上端表面积为1μm²-2000cm²；

在第四外延层5之上制作有第五外延层6，即上层薄n^-基区，该第五外延层6的材料为n型4h-sic，该第五外延层6的厚度为0.1μm-2.4μm，该第五外延层6的上端表面积为1μm²-2000cm²；

在第五外延层6之上制作有第六外延层7，即p⁺发射区，分为尺寸相同的多个凸台，每个凸台的侧壁为平面，该第六外延层7的材料为p型4h-sic，该第六外延层7的厚度为0.1μm-6μm，单个凸台的上端表面积为1μm²-2000cm²；

在第三外延层4上部镶嵌有结终端10，并且结终端10位于第四外延层5和第五外延层6的末端之外，呈p型，其厚度不大于1μm，宽度为1μm-1mm；

还包括绝缘介质薄膜8，绝缘介质薄膜8覆盖在第六外延层7的各个凸台侧壁、各个凸台之间的第五外延层6表面以及结终端10台面的侧壁与表面，位于各个凸台之间的部分的高度低于凸台的上端面，其厚度为0.1μm-2μm；

在第六外延层7的各个凸台上端面覆盖有阳极9，阳极9由阳极金属与阳极压焊块组成，阳极压焊块覆盖在阳极金属的上表面，厚度为0.1μm-100μm；

在sic衬底1下端面(背面)覆盖有阴极11，阴极11由阴极金属与阴极压焊块组成，阴极压焊块覆盖在阴极金属的背面，厚度为0.1μm-100μm。

第六外延层7的各个凸台为叉指结构、平行长条状、圆环形、正方形或渐开线形台面之一，或其组合形状，各凸台的间距为0.1μm-1cm，各凸台的高度为0.1μm-6.1μm，各凸台的高度不小于p⁺发射区的厚度。

上述的上层薄n基区与下层薄n基区的材料为n型，其中上层薄n基区的掺杂浓度低于下层薄n基区的掺杂浓度。

上述的阳极金属、阴极金属、阳极压焊块及阴极压焊块的材料为ti、ni、w、ta、al、ag或au之一，或ti、ni、w、ta、al、ag、au中任意两种或多种的组合。

由于上述的下层薄n基区和上层薄n^-基区的设置，本申请才称为具有双层薄n基区的sicltt。

本发明具有双层薄n基区的sicltt的制作方法，按照以下步骤实施：

步骤1：采用cvd的方法，在sic衬底1上表面向上依次生长第一外延层2、第二外延层3、第三外延层4、第四外延层5、第五外延层6、第六外延层7，见图4；

其中sic衬底1的掺杂类型为n型，厚度为1μm-500μm，其掺杂浓度为1×10¹⁴-1×10²²cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²；

第一外延层2的掺杂类型为n型，厚度为0.1μm-3μm，其掺杂浓度为5×10¹⁷-1×10²²cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²；

第二外延层3的掺杂类型为p型，厚度为0.1μm-3μm，其掺杂浓度为5×10¹⁶-1×10²²cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²；

第三外延层4的掺杂类型为p型，厚度为1μm-500μm，其掺杂浓度为1×10¹⁴-3×10¹⁶cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²；

第四外延层5的掺杂类型为n型，厚度为0.1μm-2.4μm，其掺杂浓度为1×10¹⁶-1×10²²cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²；

第五外延层6的掺杂类型为n^-型(该n^-型中的-为上标)，厚度为0.1μm-2.4μm，其掺杂浓度为1×10¹⁴-1×10¹⁷cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²；

第六外延层7的掺杂类型为p型，厚度为0.1μm-6μm，其掺杂浓度为1×10¹⁸-1×10²²cm^-3，上端表面积为1μm²-2000cm²。

步骤2：在第六外延层7上采用曝光技术，获得图形化表面，所述曝光技术为光学曝光或电子束曝光；

步骤3：在图形化表面上进行刻蚀，采用干法刻蚀，形成第六外延层7的多个凸台，所述凸台为叉指结构、平行长条状、圆环形、正方形或渐开线形台面之一或其组合形状，各凸台的间距为0.1μm-1cm，各凸台的高度为0.1μm-6.1μm，各凸台的高度不小于第六外延层7的厚度，见图5；

步骤4：在外延层上表面采用曝光技术，获得图形化表面，所述曝光技术为光学曝光或电子束曝光；(此处是指经上述步骤3之后，在整个器件结构的上端表面重复步骤2的工艺，区别仅在于曝光所获得的表面图形不同)；

步骤5：在图形化表面上进行刻蚀，采用干法刻蚀，形成终端台面，该终端台面高度为0.2μm-500μm，其高度不小于第四外延层5与第五外延层6厚度之和，见图6；(经此步骤5的处理后，第三外延层4的末端上表面暴露出来)；

步骤6：对步骤5得到的器件进行离子注入，在终端台面向下形成结终端10，注入离子为铝离子或硼离子；结终端10的厚度不大于1μm，宽度为1μm-1mm；离子注入的能量为100ev-700kev，注入温度为0℃-900℃，注入的剂量为1×10¹⁰-1×10¹⁶cm^-2；

步骤7：去除光刻掩膜，所述光刻掩膜为光刻胶、氧化硅、氮化硅及其组合；所述去除光刻掩膜的方法为通过酸性或碱性溶液漂洗去除或通过干法刻蚀技术去除；进行高温退火，高温退火温度为900℃-2100℃，退火气氛为惰性气体氛围，见图7；

步骤8：在器件上表面生长绝缘介质薄膜8，所述绝缘介质薄膜8覆盖第六外延层7的凸台侧壁、凸台之间第五外延层6的表面以及终端台面的侧壁与表面；所述绝缘介质薄膜8采用高温氧化法、化学气相淀积法、物理气相淀积法及其组合的方法生长，其厚度为0.1μm-2μm；

步骤9：对绝缘介质薄膜8进行刻蚀，将第六外延层7的各个凸台上表面的绝缘介质薄膜8去除，保留其他部分的绝缘介质薄膜8，见图8；

步骤10：在第六外延层7的凸台上表面淀积阳极金属；

步骤11：在sic衬底1的背面淀积阴极金属；

步骤12：对步骤11得到的制品在氮气或惰性气体保护下快速热退火，退火温度为500℃-1200℃，退火时间为10秒-10分钟，见图9；

步骤13：在阳极金属上淀积阳极压焊块；

步骤14：在阴极金属上淀积阴极压焊块，完成制备，得到具有双层薄n基区的sicltt成品，见图1。

实施例1

下面以10kv4h-sicltt为例，对本发明进行进一步的详细说明。

本实施例的主器件结构如图2所示，该主器件包括sic衬底1，以及沉积在sic衬底1上的第一外延层2、第二外延层3、第三外延层4、第四外延层5、第五外延层6、第六外延层7、覆盖在第五外延层6上表面与第六外延层7侧壁的绝缘介质薄膜8、位于第六外延层7表面的阳极9、位于sic衬底1背面的阴极11。

该4h-sicltt的制备方法具体按照以下步骤实施：

步骤1、制作4h-sic材质的sic衬底1。

步骤2、采用低压热壁化学气相淀积法在sic衬底1上依次生长第一、第二、第三、第四、第五、第六外延层(4h-sic)，形成用于4h-sicltt制作的外延结构；第一、第二、第三、第四、第五、第六外延层的浓度与厚度分别为5×18cm^-3/1μm、5×17cm^-3/2μm、2×14cm^-3/80μm、1×17cm^-3/1.5μm、2×14cm^-3/0.5μm、2×18cm^-3/2.5μm。

步骤3、在第六外延层7上采用曝光技术，获得图形化表面；

步骤4、在图形化表面上进行干法刻蚀，形成平行长条状凸台，凸台宽4μm，各凸台间的间距为6μm，凸台的高度为2.5μm；

步骤5、在器件上表面采用化学气相淀积法生长绝缘介质薄膜8，绝缘介质薄膜8覆盖凸台侧壁、凸台之间第五外延层6的上表面，厚度为0.5μm；

步骤6：对绝缘介质薄膜8进行干法刻蚀，将凸台上表面的绝缘介质薄膜8去除，保留其他部分的绝缘介质薄膜8；

步骤7：在凸台上表面淀积阳极金属ti；

步骤8：在sic衬底1的背面淀积阴极金属ni；

步骤9：氩气保护下快速热退火，退火温度为1050℃，退火时间为3min；

步骤10：在阳极金属上淀积阳极压焊块al；

步骤11：在阴极金属上淀积阴极压焊块al，完成制备。

本发明具有双层薄n基区sicltt的性能，通过以下数值模拟进行验证。

使用sentaurustcad软件对上述具有双层薄n基区的10kvsicltt的开通特性进行了数值模拟，模拟中采用的器件结构如图2所示。经数值模拟，具有双层薄n基区的10kvsicltt开通延迟时间与第六外延层7的掺杂浓度关系曲线如图3所示，通过对比可以看出，双层薄n基区结构能改变sicltt开通延迟时间，上层薄n基区浓度越低，sicltt开通延迟时间越短。

本发明的结构，包括碳化硅sic衬底1，以及沉积在碳化硅衬底上的第一外延层2、第二外延层3、第三外延层4、第四外延层5、第五外延层6、第六外延层7、覆盖在第五外延层6表面与第六外延层7侧壁的绝缘介质薄膜8、位于第六外延层7表面的阳极9、位于sic衬底1背面的阴极10。增强了p+发射区的注入效率，改善了由于空穴浓度低导致的上pnp晶体管增益小的问题，缩短了碳化硅光触发晶闸管的开通延迟时间，为紫外发光二极管触发碳化硅光触发晶闸管提供可行的技术方案。