碳化硅功率器件及其制备方法、钝化结构与流程

1.本发明涉及半导体器件技术领域，具体而言，涉及一种碳化硅功率器件及其制备方法、钝化结构。


背景技术：

2.随着全球电力的迅速普及，电源系统也被广泛的应用在世界各地。由于幅员辽阔，各地的气候特点并不相同。如昼夜温差较大的地方，需要对功率器件的封装材料和封装工艺提出更高要求；空气湿度较大的地方，需要关注器件抗湿气能力。
3.传统功率器件为防止外界水汽与可动离子(诸如，钠)对器件内部结构造成影响，通常会在终端区域覆盖钝化层，钝化层会一直延伸至正面电极表面。然而，具备该钝化层结构的功率器件在tct(temperature cycle test，温度循环测试)测试后，由于封装器件内的塑封料、金属和钝化层的热膨胀系数不同，它们之间会因为相互挤压而产生应力，进而在应力超过阈值时，金属表面与其上层的钝化层会发生开裂，这样，空气中的水汽与可动离子会沿着裂缝进入器件内部，造成器件性能的退化，甚至会造成器件失效。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种碳化硅功率器件及其制备方法、钝化结构，其能够有效解决器件在经过tct测试后，器件钝化层发生开裂而引起器件可靠性降低，甚至失效的问题。
5.本发明的实施例是这样实现的：
6.本发明的第一方面，提供一种钝化结构，应用于碳化硅功率器件，该钝化结构包括设置于衬底上的碳化硅外延层，以及依次形成于碳化硅外延层上的肖特基金属层和正面金属层；钝化结构还包括厚度小于或等于0.1μm的钝化层，钝化层包括设置在碳化硅外延层上的第一部和与第一部连续的第二部，第二部至少包覆正面金属层的部分侧壁。该钝化结构能够有效解决器件在经过tct测试后，器件钝化层发生开裂而引起器件可靠性降低，甚至失效的问题。
7.可选地，为了进一步保证钝化层的效果，钝化层厚度大于或等于0.02μm。
8.可选地，钝化结构还包括设置于碳化硅外延层与钝化层的第一部之间的氧化硅介质层、覆盖于钝化层和正面金属层上方的保护层。
9.可选地，第二部至少包覆正面金属层的侧壁的一半。
10.可选地，第二部远离碳化硅外延层的端面与正面金属层远离碳化硅外延层的表面平齐。
11.可选地，钝化层为氧化硅、氮化硅以及氧化硅和氮化硅制备而成的叠层中的任意一种。
12.可选地，肖特基金属层的材料为ti、w、ta、ni、mo和 pt中的任意一种或者至少两种的组合，且其厚度在100nm至 500nm之间。
13.可选地，正面金属层的材料为al、ag、cu和au中的任意一种或者至少两种的组合，且其厚度在2μm至5μm之间。
14.本发明的第二方面，提供一种碳化硅功率器件，该碳化硅功率器件包括衬底、设置于衬底上且包括有源区和终端区的碳化硅外延层、设置于有源区上的肖特基金属层、设置于肖特基金属层上的正面金属层、设置于终端区上且与肖特基金属层邻接的钝化层，以及覆盖钝化层和正面金属层的保护层，保护层上开设有露出正面金属层的窗口；碳化硅功率器件还包括依次形成于衬底远离碳化硅外延层一面的欧姆金属层和背面金属层；其中，钝化层的厚度小于或等于0.1μm，且钝化层包括覆盖终端区的第一部和与第一部连续的第二部，第二部至少覆盖正面金属层的部分侧壁。
15.本发明的第三方面，提供一种碳化硅功率器件的制备方法，该方法包括：在衬底上形成碳化硅外延层，碳化硅外延层包括有源区和围绕有源区设置的终端区；在衬底远离碳化硅外延层的一面蒸镀欧姆金属层，并通过退火工艺形成欧姆接触；在有源区上沉积肖特基金属层；在肖特基金属层上沉积正面金属层；在终端区上形成钝化层，钝化层覆盖正面金属层，且钝化层的厚度小于或等于0.1μm；通过刻蚀工艺去除位于正面金属层上的钝化层，以形成钝化层结构，钝化层结构包括覆盖终端区的第一部和与第一部连续的第二部，第二部至少覆盖正面金属层的部分侧壁；在钝化结构上形成保护层，保护层覆盖正面金属层；刻蚀保护层，以露出部分正面金属层；在欧姆金属层远离衬底的一面沉积背面金属层。
16.可选地，通过刻蚀工艺去除位于正面金属层上的钝化层，以形成钝化层结构，包括：在钝化层上沉积光刻胶层，并通过光刻工艺在光刻胶层上开设露出部分正面金属层的窗口，以使光刻胶层覆盖正面金属层的边缘，且覆盖宽度在2μm至20μm 之间；通过干法刻蚀工艺，将覆盖在正面金属层上方的钝化层去除；去除光刻胶层。
17.本发明的有益效果包括：
18.本申请提供了一种钝化结构，应用于碳化硅功率器件，该钝化结构包括设置于衬底上的碳化硅外延层，以及依次形成于碳化硅外延层上的肖特基金属层和正面金属层；该钝化结构还包括厚度小于或等于0.1μm的钝化层，钝化层包括设置在碳化硅外延层上的第一部和与第一部连续的第二部，第二部至少包覆正面金属层的部分侧壁。这样一来，由于本申请提供的钝化结构的钝化层包括设置在碳化硅外延层上的第一部和与第一部连续且至少包覆正面金属层的部分侧壁的第二部，且钝化层的厚度小于或等于0.1μm，并且在正面金属层的上方并未设置钝化层，如此一来，其可以有效改善钝化层在tct可靠性测试中正面金属层和钝化层的开裂现象。且由于正面金属层的上表面与钝化层之间无接触，所以钝化层在承受热循环而产生的应力时不会发生开裂，即通过去除正面金属层上方的介质，可以防止在温度循环过程中金属热膨胀挤压上方的钝化层，有效地消除钝化层开裂和金属本身开裂；减少外界可动离子或者其它污染物进入器件内部，引起器件电性能失效和可靠性失效。另外，本申请将钝化层的厚度不超过0.1μm的薄介质，既增加了设备的吞吐量，提高了产能，减少制造成本，也可以防止正面电极底部开裂，同时有一定的防止外界干扰的功能。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对
范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
20.图1为本发明实施例提供的碳化硅功率器件的结构示意图之一；
21.图2为本发明实施例提供的碳化硅功率器件的状态示意图之一；
22.图3为本发明实施例提供的碳化硅功率器件的状态示意图之二；
23.图4为本发明实施例提供的碳化硅功率器件的状态示意图之三；
24.图5为本发明实施例提供的碳化硅功率器件的状态示意图之四；
25.图6为本发明实施例提供的碳化硅功率器件的状态示意图之五；
26.图7为本发明实施例提供的碳化硅功率器件的状态示意图之六；
27.图8为本发明实施例提供的碳化硅功率器件的状态示意图之七；
28.图9为本发明实施例提供的碳化硅功率器件的状态示意图之八；
29.图10为本发明实施例提供的碳化硅功率器件的制备方法的流程示意图之一；
30.图11为本发明实施例提供的碳化硅功率器件的制备方法的流程示意图之二。
31.图标：10
‑
衬底；20
‑
碳化硅外延层；31
‑
有源区；32
‑
终端区； 40
‑
肖特基金属层；50
‑
正面金属层；60
‑
钝化层；61
‑
第一部；62
‑ꢀ
第二部；70
‑
保护层；71
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窗口；80
‑
欧姆金属层；90
‑
背面金属层；93
‑
氧化硅介质层；95
‑
光刻胶层；d
‑
光刻胶层的覆盖宽度。
具体实施方式
32.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、完整地描述，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
33.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
34.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.请参照图1，本实施例提供一种钝化结构，应用于碳化硅功率器件，该钝化结构包括设置于衬底10上的碳化硅外延层20，以及依次形成于碳化硅外延层20上的肖特基金属层40和正面金属层50；钝化结构还包括厚度小于或等于0.1μm的钝化层60，钝化层60包括设置在碳化硅外延层20上的第一部61和与第一部61连续的第二部62，第二部62至少包覆正面金属层50的部分侧壁。该钝化结构能够有效解决器件在经过tct测试后，器件钝化层60发生开
裂而引起器件可靠性降低，甚至失效的问题。
37.其中，上述衬底10的晶型可以为4h
‑
sic，厚度为350μm，掺杂浓度可以在1
×
10
19
至1
×
10
20
/cm3之间。
38.碳化硅外延层20位于衬底10上，具体地，其可以是通过气相外延生长法于衬底10上。示例地，碳化硅外延层20的厚度可以在5μm至80μm之间，浓度可以在1
×
10
14
至5
×
10
16
/cm3 之间。
39.需要说明的是，上述碳化硅外延层20包括有源区31和围绕该有源区31设置的终端区32。
40.肖特基金属层40可以是通过蒸镀或者溅镀的方式形成于碳化硅外延层20上。具体地，该肖特基金属是位于碳化硅外延层 20的有源区31上的。
41.可选地，肖特基金属层40的材料为ti、w、ta、ni、mo 和pt中的任意一种或者至少两种的组合，且肖特基金属层40的厚度在100nm至500nm之间。示例地，肖特基金属层40的厚度可以为100nm、200nm、300nm、400nm或者500nm等。
42.正面金属层50位于肖特基金属层40上，示例地，该正面金属层50的材料可以为al、ag、cu和au中的任意一种或者至少两种的组合，且正面金属层50的厚度在2μm至5μm之间。示例地，上述正面金属层50的厚度可以为2μm、3μm、4 μm、5μm等。当然，应理解，上述正面金属层50的厚度值以及前文肖特基金属层40的厚度值仅为示例，并非是对对应厚度的唯一限制。
43.请参照图1，在本实施例中，上述钝化层60包括两部分，即分别为第一部61和与第一部61连续的第二部62。其中，第一部61位于碳化硅外延层20上(具体为碳化硅外延层20的终端区32上)，第二部62是包覆于正面金属层50的侧壁上的。换言之，钝化层60的第一部61覆盖终端区32，第二部62覆盖正面金属层50的侧壁。
44.其中，上述第二部62可以包覆正面金属层50的部分侧壁，也可以是包覆正面金属层50的全部侧壁。
45.还有，在本实施例中，该钝化层60的厚度小于或等于0.1 μm，例如，该钝化层60的厚度可以为0.03μm、0.05μm、0.07 μm、0.08μm或者0.1μm等，在此不再一一列举。
46.需要说明的是，该钝化层60的厚度小于或等于0.1μm指代，钝化层60的第一部61和第二部62的厚度均小于或等于0.1 μm。即，覆盖于终端区32上的第一部61的厚度和覆盖在正面金属层50的侧壁上的第二部62的厚度都是小于或等于0.1μm 的。
47.这样，通过降低钝化层60的厚度值可以有效解决器件在使用过程中(或tct测试过程中)因不同材料的热膨胀系数不同而导致的裂纹，从而可以有效避免水汽与可动离子进入器件内部，进而可以防止器件发生因开裂造成的可靠性失效的问题。
48.综上所述，本申请提供了一种钝化结构，应用于碳化硅功率器件，该钝化结构包括设置于衬底10上的碳化硅外延层20，以及依次形成于碳化硅外延层20上的肖特基金属层40和正面金属层50；该钝化结构还包括厚度小于或等于0.1μm的钝化层60，钝化层60包括设置在碳化硅外延层20上的第一部61和与第一部61连续的第二部62，第二部62至少包覆正面金属层50 的部分侧壁。这样一来，由于本申请提供的钝化结构的钝化层 60包括设置在碳化硅外延层20上的第一部61和与第一部61连续且至少包覆正面金属层50的部分侧壁的第二部62，且钝化层 60的厚度小于或等于0.1μm，并且在正面金属层50的上方并未设置钝化层
60，如此一来，其可以有效改善钝化层60在tct 可靠性测试中正面金属层50和钝化层60的开裂现象。且由于正面金属层50的上表面与钝化层60之间无接触，所以钝化层 60在承受热循环而产生的应力时不会发生开裂，即通过去除正面金属层50(即正面电极)上方的介质，可以防止在温度循环过程中金属热膨胀挤压上方的钝化层60，有效地消除钝化层60 开裂和金属本身开裂；减少外界可动离子或者其它污染物进入器件内部，引起器件电性能失效和可靠性失效的现象。另外，本申请将钝化层60的厚度为不超过0.1μm的薄介质，既增加了设备的吞吐量，提高了产能，减少制造成本，也可以防止正面电极底部开裂，同时有一定的防止外界干扰的功能。
49.为了进一步保证钝化层的效果，钝化层60的厚度应该大于等于0.02μm，且小于或等于0.1μm，即钝化层60的厚度优选在 0.02μm至0.1μm之间。
50.请再结合参照图9，可选地，钝化结构还包括设置于碳化硅外延层20与钝化层60的第一部61之间的氧化硅介质层93、覆盖于钝化层60和正面金属层50上方的保护层70。
51.其中，上述氧化硅介质层93位于钝化层60的第一部61与碳化硅外延层20之间，且氧化硅外延层的侧壁和部分上表面与肖特基金属层40邻接。
52.在实际制备时，上述氧化硅介质层93应该是在沉积肖特基金属层40之前制备的，即先沉积氧化硅介质层93，然后对氧化硅介质层93刻蚀开孔，再在氧化硅介质层93的开孔处进行肖特基金属层40的沉积。如此一来，便可以得到如图9所示的位于第一部61与终端区32之间，且与肖特基金属层40侧壁以及部分下表面邻接的氧化硅介质层93。
53.在一种实施例中，本申请的钝化层60的第二部62可以是至少包覆正面金属层50的侧壁的一半。
54.即，第二部62远离衬底10的一端面与第一部61的下表面之间的距离大于或者等于正面金属层50的厚度的一半。
55.在另一种实施例中，本申请的钝化层60的第二部62远离碳化硅外延层20的端面与正面金属层50远离碳化硅外延层20 的表面(即正面金属层50的上表面)平齐。
56.可选地，钝化层60为氧化硅、氮化硅以及氧化硅和氮化硅制备而成的叠层中的任意一种。氧化硅和氮化硅制备而成的叠层指由氧化硅和氮化硅制备而成的双层金属。
57.需要说明的是，本申请提供的钝化结构其可以应用于碳化硅功率器件，例如可以应用于功率二极管、功率mosfet器件等。下文将以功率二极管为例进行举例说明。
58.本发明的第二方面，提供一种碳化硅功率器件，该碳化硅功率器件包括衬底10、设置于衬底10上且包括有源区31和终端区32的碳化硅外延层20、设置于有源区31上的肖特基金属层40、设置于肖特基金属层40上的正面金属层50、设置于终端区32上且与肖特基金属层40邻接的钝化层60，以及覆盖钝化层60和正面金属层50的保护层70，保护层70上开设有露出正面金属层50的窗口71；碳化硅功率器件还包括依次形成于衬底10远离碳化硅外延层20一面的欧姆金属层80和背面金属层 90；其中，钝化层60的厚度小于或等于0.1μm，且钝化层60包括覆盖终端区32的第一部61和与第一部61连续的第二部62，第二部62至少覆盖正面金属层50的部分侧壁。
59.即该碳化硅功率器件包括前文的钝化结构，本碳化硅功率器件包括衬底10、设于衬底10上的钝化结构、以及覆盖钝化层 60和正面金属层50的保护层70，保护层70上开设有露出正面金属层50的窗口71；碳化硅功率器件还包括依次形成于衬底 10远离碳化硅外延
层20一面的欧姆金属层80和背面金属层90。
60.其中，示例地，上述保护层70的材料可以为聚苯并唑 (pbo)、聚酰亚胺、苯并环丁烯(bcb)。
61.本实施例在保护层70上开设露出正面金属层50的窗口71 是为了便于实现金属连线。具体地，该窗口71的大小本领域技术人员可视情况而定，本申请对此不做限定。
62.对应地，由于本申请提供的碳化硅功率器件包含前文的钝化结构，因此，前文中钝化结构具有的相关结构在与本申请的功率二极管不相矛盾的情况下碳化硅功率器件应该是都具备的，为避免重复，前文中钝化结构提到的相关结构及其对应效果，在此不再赘述。
63.请结合参照图10，本发明的第三方面，还提供一种碳化硅功率器件的制备方法，碳化硅功率器件的制备方法包括以下步骤：
64.s100、在衬底10上形成碳化硅外延层20，碳化硅外延层 20包括有源区31和围绕有源区31设置的终端区32，请结合参照图2。
65.该衬底10为n型衬底10，且其晶型可以为4h
‑
sic，厚度为350μm，掺杂浓度可以在1
×
10
19
至1
×
10
20
/cm3之间。
66.碳化硅外延层20可以通过气相外延生长法进行生长，碳化硅外延层20的厚度可以生长5μm至80μm，浓度可以在1
×
10
14
至5
×
10
16
/cm3。
67.在执行步骤s100之前，还需要对衬底10进行rca标准清洗流程，以去除衬底10上的杂污。
68.其中，该碳化硅外延层20还包括有源区31和终端区32，在碳化硅外延层20内形成有源区31和终端区32时，可以采用如下方式进行：在碳化硅外延层20上沉积一层保护性薄膜，沉积方式可以为pvd或者cvd，并通过刻蚀的方法将注入区打开，对有源区31和终端区32作离子注入，有源区31内的注入区可以为方形、条形、六边形或者其组合；最后对注入的离子进行高温激活以形成终端区32和有源区31，请结合参照图3。
69.s200、在衬底10远离碳化硅外延层20的一面蒸镀欧姆金属层80，并通过退火工艺形成欧姆接触，请结合参照图4。
70.在执行步骤s200时，可以先在碳化硅外延层20上表面生长一层保护性薄膜；再在衬底10远离碳化硅外延层20的一面通过蒸镀或者溅镀的方式形成欧姆金属层80；然后通过退火工艺形成欧姆接触；欧姆退火完成后，去除保护性薄膜。
71.其中，退火温度范围在900℃至1200℃，退火时间范围为 60s至180s之间。欧姆金属层80可以为ni、ti、nb和mo等任意一种金属，且欧姆金属层80的厚度可以在100nm至500nm 之间。
72.s300、在有源区31上沉积肖特基金属层40。
73.可选地，在执行步骤s300之前，还可以包括如下步骤：
74.在碳化硅外延层20上表面沉积氧化硅介质层93，再通过对氧化硅介质层93进行刻蚀以露出有源区31，如图4所示。
75.然后再执行上述步骤s300。
76.其中，肖特基金属层40可以是通过蒸镀或者溅镀的方式形成的，在形成肖特基金属后再退火工艺形成肖特基接触。
77.示例地，上述退火温度范围可以在300℃至500℃之间，退火时长在60s至300s之
间。肖特基金属层40可以为ti、w，ta、 ni、mo和pt等任意一种或者多种金属的组合，厚度在100nm 至500nm之间。
78.s400、在肖特基金属层40上沉积正面金属层50，请再结合参照图5所示。
79.示例地，上述正面金属层50可以通过蒸镀或溅镀形成，正面金属层50可以为al、ag、cu和au等任意一种或者多种金属的组合，且正面金属层50的厚度在2μm至5μm之间。
80.s500、在终端区32上形成钝化层60，钝化层60覆盖正面金属层50，且钝化层60的厚度小于或等于0.1μm。
81.即在器件的上表面整层形成钝化层60，且钝化层60的厚度需要控制在0.1μm以内。
82.为了进一步保证钝化层60的效果，钝化层60厚度应该大于或等于0.02μm，且小于或等于0.1μm，即钝化层60的厚度优选在0.02μm至0.1μm之间。
83.s600、通过刻蚀工艺去除位于正面金属层50上的钝化层60，以形成钝化层60结构，钝化层60结构包括覆盖终端区32的第一部61和与第一部61连续的第二部62，第二部62至少覆盖正面金属层50的部分侧壁。
84.如此，可以利于器件在经过tct测试后，避免器件的钝化层60发生开裂而引起器件可靠性降低，甚至失效的问题。
85.s700、在钝化结构上形成保护层70，保护层70覆盖正面金属层50。此时，保护层70是全覆盖于器件上表面的。
86.上述保护层70的材料和厚度均可参见前文描述，在此不再赘述。
87.s800、刻蚀保护层70，以露出部分正面金属层50，请结合参照图8。其中，保护层70的刻蚀窗口71本领域技术人员可自行选择。
88.s900、在欧姆金属层80远离衬底10的一面沉积背面金属层90，请结合参照图9。
89.其中，背面金属层90可以通过蒸镀或者溅镀形成，且背面金属层90的厚度在2μm至5μm之间。
90.需要说明的是，本碳化硅功率器件的制备方法旨在制备出前文的功率二极管，因此，其与前文的功率二极管的相同的地方此实施例不再进行重复说明。
91.请再结合参照图11，可选地，上述步骤s600、通过刻蚀工艺去除位于正面金属层50上的钝化层60，以形成钝化层60结构，具体包括以下步骤：
92.s610、在钝化层60上沉积光刻胶层95，并通过光刻工艺在光刻胶层95上开设露出部分正面金属层50的窗口71，以使光刻胶层95覆盖正面金属层50的边缘，且光刻胶层的覆盖宽度d 在2μm至20μm之间。如图6所示。
93.其中，将光刻胶层95进行刻蚀后，露出部分正面金属层50，并使得光刻胶层95覆盖正面金属层50的周缘，这样，可以利于后期对钝化层60进行干法刻蚀时，便于形成与正面金属层50 的上表面平齐或者近似平齐的钝化层60。
94.s620、通过干法刻蚀工艺，将覆盖在正面金属层50上方的钝化层60去除，如图7所示。
95.需要说明的是，干法刻蚀工艺的反应气体为含氟的气体，含氟气体电离出的氟基与钝化层60发生反应，进而对钝化层60 进行刻蚀。在此过程中，由于光刻胶层95包含碳元素和氧元素，因此会使光刻胶在干法刻蚀过程中发生部分反应，进而使得正面金属层50周缘的钝化层60也会被刻蚀掉。
96.本申请通过控制干法刻蚀的蚀刻参数(例如蚀刻时长等) 便可以得到至少包覆正面金属层50的部分侧壁的钝化层60。例如，增加蚀刻时长，从而获得为正面金属层50的厚度一半的第二部62；或者，减少蚀刻时长，从而获得与正面金属层50的上表面平齐的第二部62。
97.s630、去除光刻胶层95。
98.即在执行完步骤s620之后，去除剩余的光刻胶层95即可。具体去除方式本领域技术人员自行选择，本申请不进行限制。
99.以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
100.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。