一种SiC肖特基功率二极管及其制备方法与流程

一种sic肖特基功率二极管及其制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种sic肖特基功率二极管及其制备方法。


背景技术：

2.sic(碳化硅)常见的晶体类型有3c、4h以及6h等。其中，4h-sic因其质量好、价格低的特点，是制造电力电子功率器件的不二之选。
3.4h-sic肖特基功率二极管适用于整流、逆变等功率系统中，是目前电动汽车、工业控制、高铁等新型产业能源转换系统中不可或缺的新型功率元器件之一。随着功率容量的不断提升，4h-sic肖特基功率二极管的工作电压和工作电流也要随之进一步提升。
4.现有的4h-sic功率肖特基功率二极管中，为了实现较高的工作电压(大于3000v)，大多是通过加厚其外延层来实现的，3000v以上的工作电压需要外延层的厚度在30μm以上。然而，当外延层的厚度大于20μm时，sic外延工艺不足以支撑器件产品化的需求，从而限制了3000v以上高压4h-sic肖特基功率二极管的产品化。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种sic肖特基功率二极管及其制备方法。
6.本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
7.一种sic肖特基功率二极管，包括：
8.n型4h-sic衬底；
9.p型4h-sic隔离层，堆叠于所述n型4h-sic衬底上方；
10.n型4h-sic外延层，堆叠于所述p型4h-sic隔离层上方；所述n型4h-sic外延层的厚度小于6μm；
11.两处阴极欧姆接触金属，分别位于所述n型4h-sic外延层的上表面两侧；所述阴极欧姆接触金属下方的n型4h-sic外延层注有n元素形成n 注入区；
12.倒梯形阳极凹槽，为刻蚀所述n型4h-sic外延层在水平方向的中部所形成，刻蚀深度小于所述n型4h-sic外延层的厚度；所述倒梯形阳极凹槽的四个内角周围的n型4h-sic外延层中注有al元素，形成四个p 注入保护区；
13.钝化层，包括两部分，第一部分淀积在所述n型4h-sic外延层未被刻蚀且未被所述阴极欧姆接触金属覆盖的上表面，第二部分淀积在所述倒梯形阳极凹槽的底部中间；
14.其中，所述倒梯形阳极凹槽的表面、所述钝化层的第一部分靠近所述倒梯形阳极凹槽的部分表面以及所述钝化层的第二部分的表面覆盖阳极肖特基接触金属。
15.在一个实施例中，所述的sic肖特基功率二极管，还包括：
16.聚酰亚胺保护层，覆盖于所述钝化层的第一部分正上方的阳极肖特基接触金属上，并在所述阳极肖特基接触金属的外侧与所述钝化层的第一部分相接触。
17.在一个实施例中，所述倒梯形阳极凹槽的深度为0.5μm～1μm，底部宽度为5μm～10
μm。
18.在一个实施例中，所述n 注入区的高度为0.3μm～0.5μm，宽度为5μm～10μm。
19.在一个实施例中，所述钝化层为sio2钝化层，所述sio2钝化层的厚度为500nm
±
100nm。
20.在一个实施例中，所述阴极欧姆接触金属包括：ni、ti、nisi合金或tisi合金。
21.在一个实施例中，所述阳极肖特基接触金属，包括：ti、ni、w、au或pt。
22.本发明还提供了上述的sic肖特基功率二极管的制备方法，包括：
23.获取n型4h-sic衬底；
24.在所述n型4h-sic衬底的上表面淀积p型4h-sic，形成p型4h-sic隔离层；
25.在所述p型4h-sic隔离层上方淀积厚度不超过6μm的n型4h-sic，形成n型4h-sic外延层；
26.刻蚀所述n型4h-sic外延层在水平方向的中部，形成刻蚀深度小于所述n型4h-sic外延层的厚度的倒梯形阳极凹槽；
27.在所述n型4h-sic外延层的上表面两侧分别注入n元素，形成两个n 注入区；
28.从所述倒梯形阳极凹槽的四个内角向周围的n型4h-sic外延层注入al元素，形成四个p 注入保护区；
29.在所述n型4h-sic外延层未被刻蚀且未被所述阴极欧姆接触金属覆盖的上表面淀积第一部分的钝化层，并在所述倒梯形阳极凹槽的底部中间淀积第二部分的钝化层；
30.在所述n 注入区的上表面制作阴极欧姆接触金属，然后进行热退火处理；
31.在所述倒梯形阳极凹槽的表面、所述钝化层的第一部分靠近所述倒梯形阳极凹槽的部分表面以及所述钝化层的第二部分的表面制作阳极肖特基接触金属。
32.在一个实施例中，所述方法还包括：在所述钝化层的第一部分正上方的阳极肖特基接触金属上旋涂聚酰亚胺，并使聚酰亚胺在所述阳极肖特基接触金属的外侧与所述钝化层的第一部分相接触，形成聚酰亚胺保护层。
33.在一个实施例中，所述倒梯形阳极凹槽的深度为0.5μm～1μm，底部宽度为5μm～10μm。
34.本发明提供的sic肖特基功率二极管，将阴极和阳极设置在同侧，由此使得两极间的导通路径行进在外延层的水平方向上，不依赖于外延层在垂直方向上的厚度；由此使得本发明对外延层的厚度要求不高，在厚度小于6μm的情况下即可实现较高工作电压(大于3000v)，相比于现有的肖特基功率二极管若要达到3000v以上的工作电压需要外延层的厚度在30μm以上，本发明对外延工艺要求不高。现有外延工艺完全可以满足。并且，本发明通过在肖特基功率二极管中刻蚀倒梯形阳极凹槽，并在倒梯形阳极凹槽表面及其周围制作阴极欧姆接触金属，由此增大了阴极欧姆接触金属的面积，从而提升了二极管的电流导通面积，且还可以缩短从阳极到阴极的电流路径，从而有效提升器件的正向导通能力。其中，倒梯形阳极凹槽底部的内角为钝角，可以缓解凹槽底部的电场集中现象，并且倒梯形阳极凹槽的四个内角周围都注入了al元素，形成与n型4h-sic外延层极性相反的p 注入保护区，能够进一步缓解凹槽底部的电场集中现象，且还可以降低肖特基功率二极管的表面泄漏电流，提升肖特基功率二极管的反向特性。
35.本发明提供的sic肖特基功率二极管，对材料的需求难度低，所需制备工艺简单，
制备成本不高。
36.以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
37.图1是本发明实施例提供的一种sic肖特基功率二极管的结构示意图；
38.图2是假设本发明实施例提供的sic肖特基功率二极管不设置倒梯形阳极凹槽时的电流路径；
39.图3是本发明实施例提供的sic肖特基功率二极管设置倒梯形阳极凹槽时的电流路径；
40.图4是本发明实施例中制备sic肖特基功率二极管的方法流程图；
41.图5(a)至图5(i)以图形化的方式展示了本发明实施例中制备sic肖特基功率二极管的流程。
具体实施方式
42.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
43.为了实现3000v以上高压4h-sic肖特基功率二极管的产品化，本发明实施例提供了一种sic肖特基功率二极管。参见图1所示，该sic肖特基功率二极管包括：n型4h-sic衬底、p型4h-sic隔离层、n型4h-sic外延层、两处阴极欧姆接触金属、倒梯形阳极凹槽、钝化层以及阳极肖特基接触金属。
44.其中，p型4h-sic隔离层，堆叠于n型4h-sic衬底上方。
45.n型4h-sic外延层，堆叠于p型4h-sic隔离层上方；该n型4h-sic外延层的厚度小于6μm。
46.两处阴极欧姆接触金属，分别位于n型4h-sic外延层的上表面两侧；阴极欧姆接触金属下方的n型4h-sic外延层注有n(氮)元素形成n 注入区。这里，在n 注入区上方制作阴极欧姆接触金属，可以降低肖特基功率二极管的导通电阻。
47.本领域技术人员均知晓的是，n 所表示的含义是n型掺杂原子的注入量大于10
18
原子数/cm-3
。
48.阴极欧姆接触金属可以包括：ni(镍)、ti(钛)、nisi(镍硅)合金或tisi(钛硅)合金。
49.倒梯形阳极凹槽，为刻蚀n型4h-sic外延层在水平方向的中部所形成，刻槽深度小于n型4h-sic外延层的厚度；该倒梯形阳极凹槽的四个内角周围的n型4h-sic外延层中注有al(铝)元素，形成四个p 注入保护区。该p 注入保护区的作用在于提升肖特基功率二极管的击穿电压。
50.这里，p 所表示的含义是p型掺杂原子的注入量大于10
18
原子数/cm-3
。
51.钝化层，包括两部分，第一部分淀积在n型4h-sic外延层未被刻蚀且未被阴极欧姆接触金属覆盖的上表面，第二部分淀积在倒梯形阳极凹槽的底部中间。钝化层的作用在于降低肖特基功率二极管的表面漏电流。优选地，该钝化层可以为sio2(二氧化硅)钝化层，当然，并不局限于此。
52.阳极肖特基接触金属，覆盖于倒梯形阳极凹槽的表面、钝化层的第一部分靠近倒梯形阳极凹槽的部分表面以及钝化层的第二部分的表面；这三部分上覆盖的阳极肖特基接触金属是连续非断开的。
53.该阳极肖特基接触金属，包括：ti、ni、w(钨)、au(金)或pt(铂)。
54.本发明实施例提供的sic肖特基功率二极管，将阴极和阳极设置在同侧，由此使得两极间的导通路径行进在外延层的水平方向上，不依赖于外延层在垂直方向上的厚度；由此使得本发明对外延层的厚度要求不高，在厚度小于6μm的情况下即可实现较高工作电压(大于3000v)，相比于现有的肖特基功率二极管若要达到3000v以上的工作电压需要外延层的厚度在30μm以上，本发明实施例对外延工艺要求不高。现有外延工艺完全可以满足。并且，本发明实施例通过在肖特基功率二极管中刻蚀倒梯形阳极凹槽，并在倒梯形阳极凹槽表面及其周围制作阴极欧姆接触金属，由此增大了阴极欧姆接触金属的面积，从而提升了二极管的电流导通面积，且还可以缩短从阳极到阴极的电流路径(参见图2和图3所示)，从而有效提升器件的正向导通能力。其中，倒梯形阳极凹槽底部的内角为钝角，可以缓解凹槽底部的电场集中现象，并且倒梯形阳极凹槽的四个内角周围都注入了al元素，形成与n型4h-sic外延层极性相反的p 注入保护区，能够进一步缓解凹槽底部的电场集中现象，且还可以降低肖特基功率二极管的表面泄漏电流，提升肖特基功率二极管的反向特性。
55.可选地，在一个实施例中，本发明实施例提供的sic肖特基功率二极管，还可以包括：聚酰亚胺保护层；该聚酰亚胺保护层覆盖于钝化层的第一部分正上方的阳极肖特基接触金属上，并在阳极肖特基接触金属的外侧与钝化层的第一部分相接触；该聚酰亚胺保护层的作用在于进一步降低肖特基功率二极管的表面漏电流。
56.另外，阳极肖特基接触金属和阴极欧姆接触金属的表面还可以进一步附着电极接触金属，如铝或银等。
57.优选地，在倒梯形阳极凹槽的刻槽深度小于n型4h-sic外延层的厚度的前提下，该倒梯形阳极凹槽的深度为0.5μm～1μm，底部宽度为5μm～10μm。
58.n 注入区的高度优选为0.3μm～0.5μm，宽度优选为5μm～10μm。sio2钝化层的厚度为500nm
±
100nm，管子工作电压越高，所需厚度越厚；其余材质的钝化层厚度可参考sio2钝化层的厚度以及工作电压确定，本发明实施例不做限定。聚酰亚胺保护层的厚度优选为5μm
±
1μm，如4.8μm。
59.本发明实施例对n型4h-sic衬底、p型4h-sic隔离层、阴极欧姆接触金属以及阳极肖特基接触金属的厚度不做限定，可根据实际对肖特基功率二极管的性能需求来选定。
60.下面对本发明实施例提供的sic肖特基功率二极管的制备方法进行详细说明。参见图4所示，该方法包括以下步骤：
61.s1：获取n型4h-sic衬底。
62.s2：在n型4h-sic衬底的上表面淀积p型4h-sic，形成p型4h-sic隔离层。
63.具体的，采用化学气相淀积工艺，在n型4h-sic衬底的上表面淀积p型4h-sic材料，形成p型4h-sic隔离层。该步骤s2可以形象地用图5(a)来表示。
64.s3：在p型4h-sic隔离层的上表面淀积厚度不超过6μm的n型4h-sic，形成n型4h-sic外延层。
65.具体的，采用化学气相淀积工艺，在p型4h-sic隔离层的上表面淀积厚度不超过6μ
m的n型4h-sic材料，形成n型4h-sic外延层。该步骤s3可以形象地用图5(b)来表示。
66.s4：刻蚀n型4h-sic外延层在水平方向的中部，形成刻槽深度小于n型4h-sic外延层的厚度的倒梯形阳极凹槽。
67.具体的，采用干法刻蚀工艺，在n型4h-sic外延层在水平方向的中部进行刻蚀，形成刻蚀深度小于n型4h-sic外延层的厚度的倒梯形阳极凹槽。该步骤s4可以形象地用图5(c)来表示。
68.优选地，在刻蚀深度小于n型4h-sic外延层的厚度的前提下，该倒梯形阳极凹槽的深度为0.5μm～1μm，底部宽度为5μm～10μm。
69.s5：在n型4h-sic外延层的上表面两侧分别注入n元素，形成两个n 注入区。
70.具体的，采用离子注入工艺，在n型4h-sic外延层的上表面两侧分别注入n元素，形成两个n 注入区。该步骤s5可以形象地用图5(d)来表示。
71.优选地，所形成的n 注入区的高度为0.3μm～0.5μm，宽度为5μm～10μm。
72.s6：从倒梯形阳极凹槽的四个内角向周围的n型4h-sic外延层注入al元素，形成四个p 注入保护区。
73.具体的，采用离子注入工艺，从倒梯形阳极凹槽的四个内角向周围的n型4h-sic外延层注入al元素，形成四个p 注入保护区。该步骤s6可以形象地用图5(e)来表示。
74.s7：在n型4h-sic外延层未被刻蚀且未被阴极欧姆接触金属覆盖的上表面淀积第一部分的钝化层，并在倒梯形阳极凹槽的底部中间淀积第二部分的钝化层。
75.具体的，首先在当前样品表面整面淀积钝化层；然后，在该钝化层上旋涂剥离胶和光刻胶；在光刻胶上光刻出需要去除掉的钝化层的图形；接着，采用刻蚀工艺去掉该图形内的钝化层，最后再去除剥离胶和光刻胶。该步骤s7可以形象地用图5(f)来表示。
76.可选地，钝化层的材质可以是sio2，厚度为500nm
±
100nm。
77.s8：在n 注入区的上表面制作阴极欧姆接触金属，然后进行热退火处理。
78.具体的，采用磁控溅射方法或电子束蒸发方法在在n 注入区的上表面制作阴极欧姆接触金属。然后进行热退火处理，退火温度为950℃～1000℃，退火时间3分钟。该步骤s8可以形象地用图5(g)来表示。
79.其中，阴极欧姆接触金属可以包括：ni、ti、nisi合金或,tisi合金。
80.s9：在倒梯形阳极凹槽的表面、钝化层的第一部分靠近倒梯形阳极凹槽的部分表面以及钝化层的第二部分的表面制作阳极肖特基接触金属。
81.具体的，采用磁控溅射方法或电子束蒸发方法，在倒梯形阳极凹槽的表面、钝化层的第一部分靠近倒梯形阳极凹槽的部分表面以及钝化层的第二部分的表面制作阳极肖特基接触金属。该步骤s9可以形象地用图5(h)来表示。
82.其中，阳极肖特基接触金属，可以包括：ti、ni、w、au、pt。
83.基于本发明实施例提供的sic肖特基功率二极管的制备方法可见，该sic肖特基功率二极管对材料的需求难度低，所需制备工艺简单，制备成本不高，可实现3000v以上高压4h-sic肖特基功率二极管的产品化。采用本发明实施例提供的方法所制备出的肖特基功率二极管可工作在3000v以上的高压下，且具有较高的正向导通能力、反向特性以及较低的表面漏电流，具有较高的可靠性。
84.可选地，在一种实现方式中，本发明实施例提供的sic肖特基功率二极管的制备方
法还可以包括：
85.在钝化层的第一部分正上方的阳极肖特基接触金属上旋涂聚酰亚胺，并使聚酰亚胺在所述阳极肖特基接触金属的外侧与所述钝化层的第一部分相接触，形成聚酰亚胺保护层。由此，可以进一步降低高压4h-sic肖特基功率二极管的表面漏电流。该步骤可以形象地用图5(i)来表示。
86.该实现方式中，聚酰亚胺保护层的厚度优选为5μm
±
1μm，如4.8μm。
87.需要说明的是，对于产品制备方法实施例而言，由于其基本相似于产品实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见产品实施例的部分说明即可。
88.在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，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。
89.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
90.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
91.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。