一种碳化硅结势垒肖特基二极管及其制造方法

本发明涉及一种碳化硅结势垒肖特基二极管及其制造方法，属于半导体器件。

背景技术：

1、碳化硅属于宽禁带半导体，因其高热导率、高电子饱和速度及高临界击穿电场等特性，且由其制备的器件能够耐受高温、高压等严苛环境，克服了传统硅基器件的局限性，在功率器件领域展现出广阔的应用潜力。

2、碳化硅肖特基二极管(sbd)作为最早商业化的碳化硅功率器件，具有开关速度快、动态损耗小等显著优势。然而，反向漏电流过大的固有缺陷，长期以来始终是制约其性能提升与应用拓展的关键瓶颈。为克服sbd反向漏电流过大的挑战，碳化硅结势垒肖特基二极管（jbs）通过在漂移层中选择性地引入p型掺杂区，在维持sbd低导通压降优势的同时，利用p区与n型漂移区形成的耗尽层有效屏蔽了反向电场，从而大幅降低了反向漏电流，提高了器件的反向击穿电压。

3、然而，尽管引入p区之后可以使器件耐压能力大大提升，但由于p区与n型漂移区之间形成的pn结的耗尽区的存在，结势垒肖特基二极管正向电流的导通也会受到阻碍，即所谓的结型场效应管（jfet）效应。这导致正向导通电阻和正向压降增大，导通损耗增加。现有技术多通过增大p区间距缓解jfet效应，但会导致反向漏电流增大，难以兼顾。

4、因此，需要一种能够缓解jfet效应使正向导通电压降低，同时不牺牲器件的反向耐压性能的二极管及其制造方法。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种碳化硅结势垒肖特基二极管及其制造方法。

2、术语解释：

3、肖特基接触旨在描述具有整流特性的金属半导体结。

4、欧姆接触旨在描述半导体器件的两个元件或部分直接机械接触并欧姆连接。

5、本发明的技术方案如下：

6、本发明提供一种碳化硅结势垒肖特基二极管，包括多个依次邻接的元胞，所述元胞由下到上依次包括欧姆接触阴极金属层、衬底层、外延层、肖特基金属层和阳极金属层；外延层内上部设置有两个离子注入区，离子注入区包括第一离子注入区、第二离子注入区和第三离子注入区，第一离子注入区从外延层上表面向下延伸，第二离子注入区从第一离子注入区上表面向下延伸，第三离子注入区从第二离子注入区的上表面向下延伸。

7、根据本发明优选的，所述第二离子注入区的纵向深度小于第一离子注入区，所述第二离子注入区横向宽度等于第一离子注入区横向宽度。

8、根据本发明优选的，所述第三离子注入区横向宽度小于第二离子注入区横向宽度，所述第三离子注入区的纵向深度大于第二离子注入区的纵向深度且小于第一离子注入区的纵向深度。

9、根据本发明优选的，所述衬底层、外延层和第二离子注入区均为n型掺杂，所述第一离子注入区和第三离子注入区均为p型掺杂。

10、根据本发明优选的，所述第一离子注入区的掺杂浓度小于第二离子注入区，所述第二离子注入区的掺杂浓度小于第三离子注入区。

11、根据本发明优选的，所述第一离子注入区的纵向深度为0.3-1μm，注入离子为铝离子，掺杂浓度为1×1017cm-3至5×1017cm-3。

12、根据本发明优选的，所述第二离子注入区的注入离子为氮离子，纵向深度为0.1-0.5μm，掺杂浓度为2×1017cm-3至8×1017cm-3。

13、根据本发明优选的，所述第三离子注入区的注入离子为铝离子，掺杂浓度大于1×1018cm-3。

14、根据本发明优选的，所述衬底层的材质为4h-sic，厚度为300-350μm，掺杂源为氮或磷，电阻率为0.014-0.028 ω·cm。

15、根据本发明优选的，所述外延层为n型轻掺杂，掺杂浓度为1×1015cm-3至8×1016cm-3。

16、根据本发明优选的，所述肖特基金属层的材料为ta、co、mo、ti、ni、cr、pt、pd、zr或w中一种或多种。

17、根据本发明优选的，所述阳极金属层的材料为是铝或铝铜合金，所述欧姆接触阴极金属层为 ti层、ni层、ag层形成的叠层结构。

18、上述碳化硅结势垒肖特基二极管的制造方法，包括步骤如下：

19、（1）制备一衬底层，在衬底层上通过原位生长形成外延层；

20、（2）在外延层上制作第一硬质掩膜层，使用掩模版刻蚀第一硬质掩膜层，暴露出用于第一离子注入区离子注入的窗口，进行离子注入，制作第一离子注入区；

21、（3）保留第一硬质掩膜层，通过离子注入工艺，在第一离子注入区的上部进行补偿掺杂，形成第二离子注入区；

22、（4）在第一硬质掩膜层的基础上，通过侧墙工艺形成侧墙，并以第一硬质掩膜层与侧墙共同构成第二硬质掩膜层，第二硬质掩膜层横向宽度大于第一硬质掩膜层横向宽度；

23、（5）在第二硬质掩膜层的阻挡下，通过离子注入工艺，形成第三离子注入区；

24、（6）去除第二硬质掩膜层，在惰性气体气氛中进行退火以激活注入的离子；

25、（7）通过溅射沉积工艺在外延层上表面形成肖特基金属层并退火；

26、（8）通过沉积金属在肖特基金属层和衬底层表面分别形成阳极金属层和欧姆接触阴极金属层，然后对欧姆接触阴极金属层退火形成欧姆接触，完成器件制备。

27、本发明的技术特点及有益效果：

28、1、本发明器件通过设置第二离子注入区，且第二离子注入区和外延层均为n型掺杂，能够有效减弱第一离子注入区上部对导电沟道的jfet效应，能够缩减第一离子注入区上部分的耗尽区宽度，增加电流导通路径的宽度，减小导通电阻，可实现低的正向导通压降。

29、2、本发明器件中第二离子注入区的离子注入掺杂浓度高于外延层的掺杂浓度，载流子数量增加，使导通电阻减小，可实现低的正向导通压降。

30、3、本发明器件由于第二离子注入区位于第一离子注入区上部，第一离子注入区的下部仍然起到电场屏蔽作用，使得反向耐压能力基本不受影响。

31、4、本发明器件的制造方法中使用同一块掩膜形成第一离子注入区和第二离子注入区，之后在掩膜两侧形成侧墙并进行离子注入，形成横向宽度较窄的第三离子注入区，该工艺稳定可控，使得离子注入区有较好的对称性，利于保障器件性能。

1.一种碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于，所述肖特基二极管包括多个依次邻接的元胞，所述元胞由下到上依次包括欧姆接触阴极金属层、衬底层、外延层、肖特基金属层和阳极金属层；

2.根据权利要求1所述的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于，包括以下条件的一种或多种：

3.根据权利要求1所述的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于，所述第一离子注入区的纵向深度为0.3-1μm，注入离子为铝离子，掺杂浓度为1×1017cm-3至5×1017cm-3。

4.根据权利要求1所述的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于，所述第二离子注入区的注入离子为氮离子，纵向深度为0.1-0.5μm，掺杂浓度为2×1017cm-3至8×1017cm-3。

5.根据权利要求1所述的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于，所述第三离子注入区的注入离子为铝离子，掺杂浓度大于1×1018cm-3。

6. 根据权利要求1所述的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于，所述衬底层的材质为4h-sic，厚度为300-350μm，掺杂源为氮或磷，电阻率为0.014-0.028 ω•cm。

7.根据权利要求1所述的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于，所述外延层为n型轻掺杂，掺杂浓度为1×1015cm-3至8×1016cm-3。

8.根据权利要求1所述的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于，所述肖特基金属层的材料为钽、钴、钼、钛、镍、铬、铂、钯、锆或钨中一种或多种。

9.根据权利要求1所述的碳化硅结势垒肖特基二极管，其特征在于，所述阳极金属层的材料为是铝或铝铜合金，所述欧姆接触阴极金属层为钛层、镍层、银层形成的叠层结构。

10.权利要求1所述的碳化硅结势垒肖特基二极管的制造方法，其特征在于，包括步骤如下：