一种碳化硅功率器件及其加工制造方法与流程

1.本发明涉及微电子器件技术领域，具体涉及一种碳化硅功率器件及其加工制造方法。


背景技术：

2.近年来，随着微电子技术的不断发展，si基电力电子器件在一些如高温、高压、高湿度等极端环境中的应用越来越受到限制。而碳化硅(sic)材料作为第三代半导体材料的代表，其禁带宽度约是硅材料的3倍，击穿电场是硅材料的8倍，热导率是硅的3倍，极大地提高了sic器件的耐压容量和电流密度。由于二者材料的特性不同导致sic材料的击穿电场为si材料的大约10倍，从而使得在相同的击穿电压下，其导通电阻只有si器件的1/100～1/200，极大地降低了sic器件的导通损耗和开关损耗，在提高系统效率的同时也使器件在高温、高功率、高湿度等恶劣环境中工作更为可靠。因此，sic器件可以使电力电子系统的功率、温度、频率和抗辐射能力倍增。同时由于碳化硅具有较高的热导率，可以大大减少系统中散热系统的体积及重量，是系统获得更高的效率。所以，sic器件不仅在直流、交流输电，不间断电源，开关电源，工业控制等传统工业领域具有广泛应用，而且在太阳能、风能等新能源中也将具有广阔的应用前景。
3.虽然，单位面积的碳化硅(sic)基础材料成本相较于过去的十年里明显减低，但是碳化硅(sic)基础材料成本始终还是比硅(si)晶片的相对应的成本高不止一个量级(影响的因素包括：碳化硅晶锭径向尺寸有限和碳化硅的生产速度有限)。此外，目前的碳化硅功率器件在实际应用的过程中还存在临界击穿电压较低、开光速率有限和反向漏电流较高等缺陷。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，解决上述背景技术中提出的问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种碳化硅功率器件，包括碳化硅衬底和完全覆盖在其上表面的碳化硅外延层，所述碳化硅外延层的层中隐埋有p型掺杂区，所述p型掺杂区中隐埋有n型导电区，所述碳化硅外延层的上表面设有用于连接各个p型掺杂区和n型导电区的氧化层，所述碳化硅外延层上还设有完全覆盖氧化层和碳化硅上表面的源极，所述氧化层内部设有栅极，所述碳化硅衬底的下表面完全覆盖有漏极，所述碳化硅外延层中的jfet区中设有结势垒肖特基二极管。
6.更进一步地，所述源极的上表面设有钝化层，所述钝化层从上至下依次分为第一钝化膜和第二钝化膜；所述第一钝化膜为氧化物并且所述第一钝化膜厚度不大于0.1微米，所述第二钝化膜为聚酰亚胺并且所述第二钝化膜的厚度在0.3～2微米之间。
7.更进一步地，所述p型掺杂区的注入深度在0.3～2.5微米之间，所述n型导电区的注入深度在0.15～1.25微米之间，所述jfet区的注入深度在0.15～1.25微米之间。
8.一种碳化硅功率器件的加工制造方法，包括以下步骤：
9.s1，采用高温气相沉积法制备碳化硅晶锭；
10.s2，对碳化硅晶锭进行整形并获得碳化硅晶棒；
11.s3，对碳化硅晶锭进行切片并获得碳化硅晶片；
12.s4，对碳化硅晶片依次进行研磨、抛光、检测和清洗，从而获得碳化硅衬底；
13.s5，通过化学气相沉积法在碳化硅衬底的上表面上制备碳化硅外延层，从而获得碳化硅晶圆；
14.s6，对碳化硅晶圆进行清洗，在碳化硅外延层上制备二氧化硅薄膜，在二氧化硅薄膜上通过光刻方式将图形转移到二氧化硅薄膜上；
15.s7，通过离子注入机向碳化硅晶圆中注入铝离子用以形成p型掺杂区，然后对碳化硅晶圆进行退火来激活注入其中的铝离子；
16.s8，移除碳化硅晶圆上的二氧化硅薄膜；
17.s9，通过离子注入机向p型掺杂区注入氮离子用以形成漏极和源极的n型导电区，然后对碳化硅晶圆进行退火来激活注入p型掺杂区的氮离子；
18.s10，在jfet区制备结势垒肖特基二极管；
19.s11，在源极和漏极之间制备栅极；
20.s12，在碳化硅晶圆的上表面制备钝化层；
21.s13，在钝化层上钻孔并溅射金属用以形成漏源电极；
22.s14，对成品进行封装。
23.更进一步地，在所述s1中，首先将碳化硅籽晶固定在反应器内部顶端的夹具上，然后启动所述夹具所在联结杆位于反应器外部的驱动装置，使得联结杆在垂直方向上产生位移并以自身中轴线为轴产生旋转，然后启动所述反应器外部的线圈，从而使得反应器内部产生从上至下温度均匀递增的温度梯度，然后将反应气体和载气气体从反应器底部通入；
24.在所述s5中，将碳化硅衬底固定在反应器内部顶端的夹具上，然后启动所述夹具所在联结杆位于反应器外部的驱动装置，使得联结杆在垂直方向上产生位移并以自身中轴线为轴产生旋转，然后启动所述反应器外部的线圈，从而使得反应器内部产生从上至下温度均匀递增的温度梯度，然后将反应气体和载气气体从反应器底部通入。
25.更进一步地，在所述s1中，所述联结杆的自转的角速度在1rad/s～18.85rad/s之间，并且联结杆自转的角速度随着碳化硅籽晶上长生层的径向宽度的增加而减小；
26.在所述s1中，所述联结杆沿垂直方向向上移动，并且所述联结杆在垂直方向上的位移速度等于长生层的厚度增加速度；
27.在所述s1中，长生层下端所在区域的温度在1850～2400℃之间；
28.在所述s1中，反应气体在反应器内部的加热区域中完全分解并发生着数种反应，并产生高度饱和的碳化硅气体，碳化硅气体通过均匀相成核形成碳化硅团簇，这些团簇升华并在籽晶上生长，同时反应器内部残余的废气从反应器的顶部排出；
29.在所述s5中，所述联结杆自转的角度在16rad/s～20rad/s之间，并且所述联结杆的自转的角速度保持不变；
30.在所述s5中，所述联结杆垂直方向向上移动，并且所述联结杆在垂直方向上的位移速度等于碳化硅外延层的厚度增加速度；
31.在所述s5中，碳化硅外延层所在区域的温度在1450～1700℃；
32.在所述s5中，反应气体在反应器内部的加热区域中完全分解并发生着数种反应，并产生高度饱和的碳化硅气体，碳化硅气体通过均匀相成核形成碳化硅团簇，这些团簇升华并在碳化硅衬底上生长，同时反应器内部残余的废气从反应器的顶部排出。
33.更进一步地，在所述s1和所述s5中，反应气体为sih4、sicl4、c2h4和c3h8等，载气气体为氢气；
34.在所述s1和s5中，反应器由外层的隔热材和内层的石墨坩埚组成。
35.更进一步地，在所述s2中，碳化硅晶锭依次通过平磨、定向和滚圆的加工处理，从而制得碳化硅晶棒；
36.在所述s3中，碳化硅晶棒采用多线切割的方式制取碳化硅晶片。
37.更进一步地，在所述s7和所述s9中，碳化硅晶圆在退火前需要在其表面覆盖碳掩膜或氮化铝掩膜用以保护碳化硅晶圆的表面。
38.更进一步地，在所述s14中，封装细分依次进行的划片、粘片、焊接、塑封、打印、管脚上锡、老化、切筋、测试、检测和包装等步骤。
39.与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
40.1、本发明通过在碳化硅外延层的jfet区设置结势垒肖特基二极管，并且在源极上依次覆盖第一钝化膜(第一钝化膜为氧化物)和第二钝化膜(第二钝化膜为聚酰亚胺)的设计。
41.其中，结势垒肖特基二极管在正向模式下具有高浪涌电流容限，反向模式下漏电流低且阻断电压高等特点；此外，结势垒肖特基二极管的pn结面积比较小，这决定了其导通电阻、关态损耗更低，反向恢复特性较好。其中，第一钝化膜和第二钝化膜配合可以为碳化硅功率器件隔绝塑封料、避免碳化硅功率器件被水汽侵蚀并提高碳化硅功率器件的稳定性。从而提升碳化硅功率器件在实际应用时临界击穿电压、高温耐受性和开关速率，同时还降低碳化硅功率器件反向漏电流。
42.2、本发明通过在反应器中用高温气相沉积法制备碳化硅晶锭并通过化学气相沉积法在碳化硅衬底的上表面上制备碳化硅外延层，反应器由外层的隔热材和内层的石墨坩埚组成，反应器的顶部设有联结杆，联结杆位于反应器内的端部设有夹具，反应器外设有用于驱动联结杆在垂直方向上产生位移并以自身中轴线为轴产生旋转的驱动装置的设计。
43.这样便可以通过驱动装置和反应器配合让碳化硅晶锭和碳化硅外延层都能均匀且快速地生长，并且制备的碳化硅晶锭具有大径向尺寸的特点。从而达到有效降低碳化硅功率器件生产成本的效果。
附图说明
44.图1为本发明中采用高温气相沉积法制备碳化硅晶锭的工艺系统示意图；
45.图2为本发明中采用化学气相沉积法制备碳化硅晶锭的工艺系统示意图；
46.图3为本发明中结势垒肖特基二极管的结构示意图；
47.图4为本发明中碳化硅功率器件的结构示意图；
48.图中的标号分别代表：1－驱动装置；2－联结杆；3－夹具；4－线圈；5－隔热材；6－石墨坩埚；7－反应器；8－碳化硅籽晶；9－碳化硅晶锭；10－碳化硅衬底；11－碳化硅外
延层；12-p型掺杂区；13-n型导电区；14－结势垒肖特基二极管；15－氧化层；16－栅极；17－第一钝化膜；18－第二钝化膜；19－钝化层；20－漏极；21－碳化硅晶圆。
具体实施方式
49.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
50.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
51.本实施例的一种碳化硅功率器件，参照图1-4：包括碳化硅衬底10和完全覆盖在其上表面的碳化硅外延层11，碳化硅外延层11的层中隐埋有p型掺杂区12，p型掺杂区12中隐埋有n型导电区13，碳化硅外延层11的上表面设有用于连接各个p型掺杂区12和n型导电区13的氧化层15，碳化硅外延层11上还设有完全覆盖氧化层15和碳化硅上表面的源极，氧化层15内部设有栅极16，碳化硅衬底10的下表面完全覆盖有漏极20，碳化硅外延层11中的jfet区中设有结势垒肖特基二极管14。
52.其中，结势垒肖特基二极管14在正向模式下具有很高的浪涌电流容限，其在反向模式下则具有很低的泄漏电流并且阻断电压高，此外，结势垒肖特基二极管14中的pn结面积比较小，这使得其还具备导通电阻低、关态损耗低和反向恢复特性好等优点。
53.源极的上表面设有钝化层19，钝化层19从上至下依次分为第一钝化膜17和第二钝化膜18；第一钝化膜17为氧化物(在本实施例中，第一钝化层19为单纯的氧化硅、单纯的氮化硅或者是氧化硅和氮化硅混合物)并且第一钝化膜17厚度不大于0.1微米，第二钝化膜18为聚酰亚胺(因为其具有优异的机械性能、耐辐照性能和介电性能、)并且第二钝化膜18的厚度在0.3～2微米之间。
54.p型掺杂区12的注入深度在0.3～2.5微米之间，n型导电区13的注入深度在0.15～1.25微米之间，jfet区的注入深度在0.15～1.25微米之间。
55.一种碳化硅功率器件的加工制造方法，包括以下步骤：
56.s1，采用高温气相沉积法制备碳化硅晶锭9。
57.s2，对碳化硅晶锭9进行整形(包括依次进行的平磨、定向和滚圆的加工处理)并获得碳化硅晶棒。这是因为碳化硅晶锭9的形状并不是标准的圆柱状，而是和蒙古包一样类似的圆台状。
58.s3，对碳化硅晶锭9进行切片并获得碳化硅晶片。这是因为碳化硅具有硬度高且脆性高的特点，这使得其切割耗时长且良品率低，因此为了提升碳化硅晶棒的切割效率，所以需要采用多线切割的方式。
59.s4，由于碳化硅晶片在切割过程受到冲击力作用，这会使得碳化硅晶片的表面上出现损伤，所以需要对碳化硅晶片依次进行研磨、抛光、检测和清洗，从而获得表面光滑、无近表面位错、无应力的碳化硅衬底10。值得注意的是：碳化硅衬底10的质量好坏在很大程度上决定了碳化硅外延层11的质量好坏，也就是决定了碳化硅功率器件的质量好坏。
60.s5，通过化学气相沉积法在碳化硅衬底10的上表面上制备碳化硅外延层11，从而
获得碳化硅晶圆21。
61.s6，对碳化硅晶圆21进行清洗，在碳化硅外延层11上制备二氧化硅薄膜，在二氧化硅薄膜上通过光刻方式将图形转移到二氧化硅薄膜上。
62.s7，因为碳硅结合力比较强从而使得碳化硅中的扩散常数极低，若继续沿用传统扩散方法进行惨杂，碳化硅外延层11表面的二氧化硅(sio2)层不能提供有效的保护作用，并且碳化硅在1800℃以上的高温中是不稳定的；因此需要通过离子注入机向碳化硅晶圆21中注入铝离子用以形成p型掺杂区12，然后对碳化硅晶圆21进行退火来激活注入其中的铝离子。
63.s8，移除碳化硅晶圆21上的二氧化硅薄膜。
64.s9，通过离子注入机向p型掺杂区12注入氮离子用以形成漏极20和源极的n型导电区13，然后对碳化硅晶圆21进行退火来激活注入p型掺杂区12的氮离子。在该步骤中，采用离子注入机的原因和上述s7中的原因相同。
65.s10，在jfet区制备结势垒肖特基二极管14。具体步骤是在肖特基二极管的漂移区集成网状的p+区，金属阳极在n型漂移区上形成肖特基接触并在p+区上形成欧姆接触。
66.s11，在源极和漏极20之间制备栅极16。
67.s12，为了避免电极之间发生击穿现象，需要在碳化硅晶圆21的上表面制备钝化层19。
68.s13，在钝化层19上钻孔并溅射金属用以形成漏源电极。
69.s14，对成品进行封装，其中封装细分依次进行的划片、粘片、焊接、塑封、打印、管脚上锡、老化、切筋、测试、检测和包装等步骤。
70.值得注意的是：
71.在s1中，首先将碳化硅籽晶8固定在反应器7内部顶端的夹具3上，然后启动夹具3所在联结杆2位于反应器7外部的驱动装置1，使得联结杆2在垂直方向上产生位移并以自身中轴线为轴产生旋转，然后启动反应器7外部的线圈4，从而使得反应器7内部产生从上至下温度均匀递增的温度梯度，然后将反应气体和载气气体从反应器7底部通入。
72.在s1中，联结杆2的自转的角速度在1rad/s～18.85rad/s之间，并且联结杆2自转的角速度随着碳化硅籽晶8上长生层的径向宽度的增加而呈线性相关的减小。
73.在s1中，联结杆2沿垂直方向向上移动，并且联结杆2在垂直方向上的位移速度等于长生层的厚度增加速度。
74.在s1中，长生层下端所在区域的温度在1850～2400℃之间。
75.在s1中，反应气体在反应器7内部的加热区域中完全分解并发生着数种反应，并产生高度饱和的碳化硅气体，碳化硅气体通过均匀相成核形成碳化硅团簇，这些团簇升华并在籽晶上生长，同时反应器7内部残余的废气从反应器7的顶部排出。
76.值得注意的是：
77.在s5中，将碳化硅衬底10固定在反应器7内部顶端的夹具3上，然后启动夹具3所在联结杆2位于反应器7外部的驱动装置1，使得联结杆2在垂直方向上产生位移并以自身中轴线为轴产生旋转，然后启动反应器7外部的线圈4，从而使得反应器7内部产生从上至下温度均匀递增的温度梯度，然后将反应气体和载气气体从反应器7底部通入。
78.在s5中，联结杆2自转的角度在16rad/s～20rad/s之间，并且联结杆2的自转的角
速度保持不变。
79.在s5中，联结杆2垂直方向向上移动，并且联结杆2在垂直方向上的位移速度等于碳化硅外延层11的厚度增加速度。
80.在s5中，碳化硅外延层11所在区域的温度在1450～1700℃。
81.在s5中，反应气体在反应器7内部的加热区域中完全分解并发生着数种反应，并产生高度饱和的碳化硅气体，碳化硅气体通过均匀相成核形成碳化硅团簇，这些团簇升华并在碳化硅衬底10上生长，同时反应器7内部残余的废气从反应器7的顶部排出。
82.值得注意的是：
83.在s1和s5中，反应气体为sih4、sicl4、c2h4和c3h8等，载气气体为氢气。
84.在s1和s5中，反应器7由外层的隔热材5和内层的石墨坩埚6组成。
85.值得注意的是：
86.在s7和s9中，碳化硅晶圆21的退火温度较高(通常高于1600度)，这会引起表面碳化硅分解，因此碳化硅晶圆21在退火前需要在其表面覆盖碳掩膜或氮化铝掩膜用以保护碳化硅晶圆21的表面。
87.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。