场限环结构的4H-SiCPiN/肖特基二极管制作方法

专利名称：场限环结构的4H-SiC PiN/肖特基二极管制作方法
技术领域：
本发明属于微电子器件技术领域，特别是涉及一种二极管结构及其制作方 法，可用于大功率整流器及PFC电路的使用。
背景技术：
SiC材料作为第三代半导体材料，相对于以Si为代表的第一代半导体材料和 以GaAs为代表的第二代半导体材料具有相当多的优势，由于其具有较大的禁带 宽度，可在更高温度下工作，同时有助于大功率器件的制备，大的载流子饱和 漂移速度和迁移率，为器件的响应速度提供了良好的基础。目前，SiC器件的研 制已经成为半导体器件电路领域的研究热点。
在功率系统中， 一个好的整流器需要小开启电压、大导通电流、低漏电流， 高击穿电压以及高开关速度，而同时具有这些特点是我们追求的最理想目标。 二极管和肖特基二极管SBD是最常用的两种功率整流器。单极型的肖特基二极 管SBD比双极型的PiN二极管有更快的开关速度，然而，肖特基二极管的反向漏 电流大、击穿电压低，并不适合高压应用，所以PiN二极管是最早应用于高压系 统的合理选择。正向导通时存储在漂移区的大量电荷引起的长反向恢复时间是 限制PiN速度的主要因素，虽然可以通过减少漂移区的少子寿命来提高PiN的速 度，但这会造成正向压降和反向漏电流的增加。
如果有一种器件能够同时具备PiN和SBD的优点，即具有SBD的小开启电 压、大导通电流、快开关速度，又具有PiN的低漏电流、高击穿电压，这将是最 好的选择。为此，学者Wiliamovski和Baliga为了提高肖特基二极管的反向阻断 特性而首先使用了 JBS(Junction Barrier Schottky)的概念；Baliga为了改善高压硅 整流器的正向和反向特性而提出了MPS(MergedPiN/Schotky)结构，将PN结集成 在肖特基结构中，当MPS反偏时，PN结形成的耗尽区将会向沟道区扩散，在一 定反偏电压下，耗尽区就会连通，从而在沟道区形成一个势垒使耗尽层随着反 向偏压的增加向N"衬底方向扩展。这个耗尽区将肖特基界面屏蔽于高场之外， 避免了肖特基势垒降低效应，使反向漏电流大大减小。MPS的正向特性类似SBD，只是电流密度由于P型区的原因而略小，而反向特性则更像PiN二极管。 另外，采用MPS结构可灵活地选择势垒低的金属作为肖特基接触，不用担心反 向漏电流会增加。
理想的器件击穿电压是指PN结为平行平面结的情况，由于没有考虑结终端 效应的影响，这时器件的击穿电压仅由掺杂浓度和衬底厚度等器件参数决定。 但是，由于实际器件的情况，以及生产工艺流程中某些因素的影响，使得实际 器件的击穿电压要低于理想平行平面结的击穿电压。对于实际的器件，为达到 理想的设计必须考虑结终端效应，如果结终端设计的不好，器件的击穿电压可 能仅为理想情况的10 20% 。
随着对结终端的大量深入的研究产生了许许多多新颖的结终端的设计方 法。对于早期的功率整流器和晶闸管，由于芯片面积比较大，所以往往通过斜 角法或者化学刻蚀把它们做成台面结的形状，减小表面电场强度，从而使击穿 发生于体内。随着平面工艺的出现，平面结终端技术因为工艺简单，易于与平 面工艺兼容等原因得到了越来越广泛的应用，其中主要包括结终端扩展、场 限环技术和场板技术。其中场限环技术和场板技术是使用最为广泛的终端技术。
在4H-SiC MPS器件的制作中，以往的实例大多采用MJTE(Multiple Junction Termination Extension)形式的边界终端，但是由于制作MJTE的工艺步骤中存 在多次的台阶刻蚀工艺，因而会增加工艺的难度，同时增加成本。国外也有实 例采用场限环结构作为边界终端，但在其制作过程中没有针对P型欧姆接触提供 相应的制作方法，而是在制作完金属极后近似认为已经形成了P型欧姆接触，这 种制作方法所近似形成的欧姆接触会导致反向电压降有部分损失在P型欧姆接 触上，导致耗尽层不能很好的穿通，从而引起反向电流的增加，影响MPS器件 的性能。

发明内容
本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提供了一个场限环结构的 4H-SiCPiN/肖特基二极管制作方法，以降低反向电流，提高MPS器件的性能。
为实现上述目的，本发明提供的场限环结构的4H-SiCPiN/肖特基二极管制 作方法，包括以下步骤
(1)对4H-SiC衬底进行预处理，并在该4H-SiC衬底正面生长N—外延层；(2) 在N'型外延层上采用Ni/Au金属层作为阻挡层，进行2~5次能量为 30keV 550keV的Al离子注入，并通过在1500°C~1700°C的氩气环境中进行离 子激活退火10~20分钟，形成同心环形P+区域；
(3) 在4H-SiC衬底背面直接溅射Ti/Ni/Pt金属，并通过退火形成N型欧 姆接触；
(4) 在所述的同心环形P+区域上方溅射金属Ti/Ni/Ti/Au，并在 75(TC 90(TC的氩气环境中退火5~10分钟，形成P型欧姆接触；
(5) 在所述的同心环形P+区域之间的环形N—型区域上，溅射Ti/Ni/Al金 属直接制作肖特基接触。 '
本发明具有如下优点
1) 本发明由于采用了场限环结构的边界终端，可以通过平面工艺完成整个 器件的制作；
2) 本发明由于在制作过程中取消了附加的工艺过程，减小了工艺的复杂度， 并有效减少了由于多步工艺而引起的误差以及引入其他影响因素的可能性；
3) 本发明由于把P型欧姆接触和肖特基接触分开制作，对P型欧姆接触 通过退火实现，当MPS器件工作在反向偏压下，电压降能够主要落在PN结上， 从而使得各区域的耗尽层能够顺利穿通，达到屏蔽肖特基结的作用，控制了反 向漏电流的增加；
4) 本发明通过对P型欧姆接触独立制作，减小了比接触电阻值，能够减小 功耗，提高器件工作效率。


图1是本发明实施方法的流程图。
具体实施例方式
实施例l
参照图l，本发明包括如下步骤
步骤1 ，对所采用的4H-SiC材料进行预处理。
采用由CREE公司生产的4H-SiC材料，其掺杂水平为1018cm'3。首先，用 熔融态KOH对4H-SiC基片表面进行钝化，刻蚀温度为21(TC、刻蚀时间为15s; 然后，对钝化后的晶片依次用丙酮、甲醇、去离子水将样片清洗干净；最后，用RCA标准清洗工艺清除基片表面的氧化层。 步骤2，在衬底上生长N"外延层。
在预处理后的基片上通过CVD法生长同质N—型外延层，外延层掺杂为 1.65xl015cm'3，厚度为10士0.5拜。
步骤3，采用金属剥离方法制作离子注入阻挡层。
3a,对外延片做RCA标准清洗后，进行涂胶光刻、显影后，利用光刻胶作 阻挡层，采用RE刻蚀5min后形成对准标记；
3b.对形成的对准标记进行套刻，形成图形区域；
3c.通过电子束蒸发在带有图形区域的外延片正面制作7000A的Ni/Au层， 其中Ni的厚度为6000A， Au的厚度为1000A;然后浸泡在丙酮中做超声波处 理，剥离金属形成阻挡层。
步骤4，制作P+区域。
4a.在400°C的环境温度下对样片作3次Al离子注入，注入能量分别为30 keV， 280keV， 550keV。注入能量为30keV时，注入剂量为8.6xl013cm-2;注 入能量为280keV时，注入剂量5.2xl0"cm—2;注入能量为550 keV时，注入剂 量7.8xl014cm-2;
4b.采用RCA标准清洗样片；
4c.在100(TC下对样片进行烘干20min;
4d.烘片后在样片正面进行三次涂胶，并在40(TC下加热90分钟，光刻胶 碳化后转化成无定型C膜形成碳膜保护；
4e.在160(TC的氩气氛围中进行离子激活退火，退火时间10min，退火后 形成内部用于制作PiN的P+区域和外部的场限环，其中内部制作PiN的P+区域 圆环数目为20个，每个圆环宽度为4jim，各圆环间的间距为3pm;外部场限 环的数目为20个，每个圆环宽度为5pm，各圆环间的间距为2.5pm。
步骤5，在N"衬底背面制作N型欧姆接触。
通过金属溅射，在样片背面形成Ti/Ni/Pt结构，整个Ti/Ni/Pt金属结构的厚 度分别为Ti50A、 Ni3000A、 Pt500A;然后，对该金属层在氮氛围中进行快 速退火处理，退火温度95(TC，持续时间为5min。
步骤6，在样片正面PiN部分的P+区域上制作P型欧姆接触。对样片正面进行涂胶，然后通过光刻在样片正面形成P型欧姆接触图形区
域；通过金属溅射在样片上形成Ti/Ni/Ti/Au结构，金属结构的厚度分别为Ti 50A、 Ni3000A、 Ti500A 、 Au300A,金属剥离后留下PiN部分的接触金属； 然后对该金属层在氮氛围中进行快速退火处理，退火温度800°C，持续时间为 8min。
步骤7，在样片正面制作肖特基接触。
对样片正面进行涂胶，然后通过光刻在样片正面形成肖特基接触图形区域； 通过金属溅射在样片正面形成Ti/Ni/Al结构，金属结构的厚度分别为Ti50A、 Nil500A、 A13000A，金属剥离后，与N'外延层直接接触的金属部分形成肖特 基接触，完成器件的制作。
参照图l，本发明包括如下步骤
步骤1 ，对所采用的4H-SiC材料进行预处理。
采用由CREE公司生产的4H-SiC材料，其掺杂水平为1018cm—3。首先，用 熔融态KOH对4H-SiC基片表面进行钝化，刻蚀温度为210°C 、刻蚀时间为15s; 然后，对钝化后的晶片依次用丙酮、甲醇、去离子水将样片清洗干净；最后， 用RCA标准清洗工艺清除基片表面的氧化层。
步骤2，在衬底上生长N—外延层。
在预处理后的基片上通过CVD法生长同质M型外延层，外延层掺杂为 1.65xl015cm-3，厚度为10士0.5pm。
步骤3，采用金属剥离方法制作离子注入阻挡层。
3a-对外延片做RCA标准清洗后，进行涂胶光刻、显影后，利用光刻胶作 阻挡层，采用RE刻蚀5min后形成对准标记；
3b.对形成的对准标记进行套刻，形成图形区域；
3c.通过电子束蒸发在带有图形区域的外延片正面制作5000A的Ni/Au层， 其中Ni的厚度为4000A， Au的厚度为IOOOA;然后浸泡在丙酮中做超声波处 理，剥离金属形成阻挡层。
步骤4，制作P+区域。
4a.在400°C的环境温度下对样片作2次Al离子注入，注入能量分别为200keV， 550 keV。注入能量为200 keV时，注入剂量为5xl0"cm、注入能量为 500keV时，注入剂量5xl014cm-2。 4b.采用RCA标准清洗样片； 4c.在100(rC下对样片进行烘干20min; 4d. 烘片后在样片正面进行三次涂胶， 并在400。C下加热90分钟，光刻胶 碳化后转化成无定型C膜形成碳膜保护；
4e.在1700°C，氩气氛围中进行离子激活退火，退火时间15min，退火后 形成内部用于制作PiN的P+区域和外部的场限环，其中内部制作PiN的P+区域 圆环数目为10个，每个圆环宽度为2.5pm，各圆环间的间距为4pm;外部场限 环的数目为15个，每个圆环宽度为3,，各圆环间的间距为3pm。 步骤5，在N"衬底背面制作N型欧姆接触。
通过金属溅射，在样片背面形成Ti/Ni/Pt结构，整个Ti/Ni/Pt金属结构的厚 度分别为Ti50A、 Ni3000A、 Pt500A;然后，对该金属层在氮氛围中进行快 速退火处理，退火温度950。C，持续时间为5min。
步骤6，在样片正面PiN部分的P+区域上制作P型欧姆接触。 对样片正面进行涂胶，然后通过光刻在样片正面形成P型欧姆接触图形区 ±或；通过金属溅射在样片上形成Ti/Ni/Ti/Au结构，金属结构的厚度分别为Ti 50A、 Ni3000A、 Ti500A 、 Au 300A，金属剥离后留下PiN部分的接触金属； 然后对该金属层在氮氛围中进行快速退火处理，退火温度750°C，持续时间为 5min。
步骤7，在样片正面制作肖特基接触。
对样片正面进行涂胶，然后通过光刻在样片正面形成肖特基接触图形区域; 通过金属溅射在样片正面形成Ti/Ni/Al结构，金属结构的厚度分别为Ti50A、 Nil500A、 A13000A，金属剥离后，与N—外延层直接接触的金属部分形成肖特 基接触。
实施例3
参照图1，本发明包括如下步骤
步骤1，对所采用的4H-SiC材料进行预处理。
采用由CREE公司生产的4H-SiC材料，其掺杂水平为1018cm'3。首先，用熔融态KOH对4H-SiC基片表面进行钝化,刻蚀温度为21(TC、刻蚀时间为15s; 然后，对钝化后的晶片依次用丙酮、甲醇、去离子水将样片清洗干净；最后， 用RCA标准清洗工艺清除基片表面的氧化层。 步骤2,在衬底上生长N—外延层。
在预处理后的基片上通过CVD法生长同质N.型外延层，外延层掺杂为 1.65xl015cm—3，厚度为10士0.5pm。
步骤3，采用金属剥离方法制作离子注入阻挡层。
3a-对外延片做RCA标准清洗后，进行涂胶光刻、显影后，利用光刻胶作 阻挡层，采用RE刻蚀5min后形成对准标记；
3b.对形成的对准标记进行套刻，形成图形区域；
3c.通过电子束蒸发在带有图形区域的外延片正面制作5500A的Ni/Au层， 其中Ni的厚度为4000A， Au的厚度为1500A;然后浸泡在丙酮中做超声波处 理，剥离金属形成阻挡层。
步骤4，制作P+区域。
4a.在40(TC的环境温度下对样片作5次A1离子注入，注入能量分别为30 keV， 120keV， 300keV， 420keV， 550keV。注入能量为30keV时，注入剂量 为2.8xl0^cm々；注入能量为120 keV时，注入剂量6.5xl012cm-2;注入能量为 300 keV时，注入剂量1.05xl013cm—2;注入能量为420 keV时，注入剂量 1.30xl013cm-2;注入能量为550keV时，注入剂量1.45xl013cm-2。
4b.采用RCA标准清洗样片；
4c.在100(TC下对样片进行烘干20min;
4d.烘片后在样片正面进行三次涂胶，并在400。C下加热90分钟，光刻胶 碳化后转化成无定型C膜形成碳膜保护；
4e.在1500°C，氩气氛围中进行离子激活退火，退火时间20min，退火后 形成内部用于制作PiN的P+区域和外部的场限环，其中内部制作PiN的P+区域 圆环数目为15个，每个圆环宽度为3pm，各圆环间的间距为3.5pm;外部场限 环的数目为17个，每个圆环宽度为4iim，各圆环间的间距为3.5)am。
步骤5，在N"衬底背面制作N型欧姆接触。
通过金属溅射，在样片背面形成Ti/Ni/Pt结构，整个Ti/Ni/Pt金属结构的厚度分别为:Ti50A、 Ni3000A、 Pt500A;然后，对该金属层在氮氛围中进行快 速退火处理，退火温度950。C，持续时间为5min。
步骤6，在样片正面PiN部分的P+区域上制作P型欧姆接触。 对样片正面进行涂胶，然后通过光刻在样片正面形成P型欧姆接触图形区 域；通过金属溅射在样片上形成Ti/Ni/Ti/Au结构，金属结构的厚度分别为Ti 50A、 Ni3000A、 Ti500A 、 Au 300A，金属剥离后留下PiN部分的接触金属； 然后对该金属层在氮氛围中进行快速退火处理，退火温度900°C，持续时间为 10min。
步骤7，在样片正面制作肖特基接触。
对样片正面进行涂胶，然后通过光刻在样片正面形成肖特基接触图形区域; 通过金属溅射在样片正面形成Ti/Ni/Al结构，金属结构的厚度分别为Ti50A、 Nil500A、 A13000A，金属剥离后，与N—外延层直接接触的金属部分形成肖特 基接触。
本发明的方法不限于上述3种实施例，显然任何人均可在本发明的技术构 思下进行不同参数的更换，但这些均在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种场限环结构的4H-SiC PiN/肖特基二极管制作方法，包括如下步骤(1)对4H-SiC衬底进行预处理，并在该4H-SiC衬底正面生长N-外延层；(2)在N-型外延层上采用Ni/Au金属层作为阻挡层，进行2～5次能量为30keV～550keV的Al离子注入，并通过在1500℃～1700℃的氩气环境中进行离子激活退火10～20分钟，形成同心环形P+区域；(3)在4H-SiC衬底背面直接溅射Ti/Ni/Pt金属，并通过退火形成N型欧姆接触；(4)在所述的同心环形P+区域上方溅射金属Ti/Ni/Ti/Au，并在750℃～900℃的氩气环境中退火5～10分钟，形成P型欧姆接触；(5)在所述的同心环形P+区域之间的环形N-型区域上，溅射Ti/Ni/Al金属直接制作肖特基接触。
2. 根据权利要求1所述的二极管的制作方法，其中步骤(1)所述的 在4H-SiC衬底正面生长N^卜延层，是通过气象外延生长CVD法生长同 质N'型外延层，外延层掺杂为1.65xl015cm—3，厚度约为10士0.5)im。
3. 根据权利要求1所述的二极管的制作方法，其中步骤(2)所述的 Ni/Au金属阻挡层，厚度为5000 A ~7000 A。
4. 根据权利要求1所述的二极管的制作方法，其中步骤(3)所述的 4H-SiC衬底背面直接溅射的Ti/Ni/Pt金属，其厚度为Ti 50A， Ni 3000A， Ti 500A。
5. 根据权利要求1所述的二极管的制作方法，其中步骤(4)所述的 同心环形P+区域上方溅射金属Ti/Ni/Ti/Au，其厚度为Ti 50A， Ni 3000A， Ti 500A， Au300A。
6. 根据权利要求1所述的二极管的制作方法，其中步骤(5)所述的 同心环形P+区域之间的环形N—型区域上，溅射Ti/Ni/Al金属，其厚度为 Ti50A， Nil500A， A13000A。
7. 根据权利要求1所述的二极管的制作方法，其中步骤(2)所形成 的同心环形P+区域，包括内部圆环部分和外部圆环部分，该个内部圆环 为10 20个，用于制作PiN 二极管；该外部圆环为15~20个，用于制作 场限环。
8. 根据权利要求7所述的二极管的制作方法，其中每个内部环形的宽 度为2.5pm 4^im，各环形间的间距为3jxm 4^im。
9. 根据权利要求7所述的二极管的制作方法，其中每个外部环形的宽 度为3pm 5nm，各环形间的间距为2.5nm 3.5nm。
全文摘要
本发明公开了一种场限环结构的4H-SiC PiN/肖特基二极管制作方法，其过程是在4H-SiC衬底正面生长N^-外延层；在N^-型外延层上采用Ni/Au金属层作为阻挡层，进行多次不同能量的Al离子注入，并在氩气环境中进行离子激活退火，形成同心环形P⁺区域；在4H-SiC衬底背面直接溅射Ti/Ni/Pt金属，并通过退火形成N型欧姆接触；在所述的同心环形P⁺区域上方溅射金属Ti/Ni/Ti/Au，并在氩气环境中退火，形成P型欧姆接触；在所述的同心环形P⁺区域之间的环形N^-型区域上，溅射Ti/Ni/Al金属直接制作肖特基接触。本发明具有功耗小，工作效率高及工艺简单的优点，可用于大功率整流器及PFC电路的使用。
文档编号H01L21/329GK101540283SQ20091002201
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月14日 优先权日2009年4月14日
发明者吕红亮, 宋庆文, 张义门, 张玉明, 贾仁需, 郑庆立, 辉 郭, 陈丰平 申请人:西安电子科技大学