碳化硅二极管及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体器件技术领域，具体地，涉及一种碳化硅二极管及其使用方法，尤其是一种激光激活及激光欧姆接触制备的碳化硅二极管及其制备方法。


背景技术：

2.sic(碳化硅)由于其禁带宽度是si的3倍，高击穿场强(0.8e16～3e16v/cm)是si的10倍，以及高热导率(4.9w/cm k)约是si的3.2倍，因此，也称为宽禁带半导体材料，在产业界则称为第三代半导体材料，可在高温、高功率、高频的操作环境下正常发挥器件性能。因此第三代半导体-sic(碳化硅)因其高禁带宽度、高阻断电压和高热导率等特性，成为制作高温、高频、抗辐射和大功率电力电子器件的理想半导体材料。
3.对于sic器件，由于材料的特性，离子注入和激活退火是公认的sic器件制程中的关键性技术。sic材料的离子注入和激活退火的研究发现，由于sic比si具有更大的密度，在同能量注入下，离子在sic中能形成的注入深度会更小。如果注入离子在sic材料中达到较深的注入区域，其注入能量可能需要达到mev级别，因此注入时会采用高温和多次注入形成箱体分布。然而，高能量的离子注入会在注入区域的材料表面和内部都造成损伤，为了解决注入离子的激活问题并减小因注入造成的损伤，离子注入后的退火是对sic材料中的注入离子进行激活的重要工艺步骤。
4.传统的碳化硅器件退火激活，采用高温炉管的方式，在1400～1800度惰性气氛中进行退火激活，可以得到大于80％的激活率，但同时由于退火激活温度较高，在sic表面会产生新的位错，以及会造成内部已存在的位错产生滑移，因此由于衬底整体高温而导致衬底的其它损伤。
5.sic是宽禁带半导体材料与传统的si衬底材料有明显的区别，在其正、背面基底上直接沉积金属，金属与sic界面会直接建立起肖特基势垒，形成肖特基接触，这样会阻止电荷从金属流向sic。因而需要对金属与sic界面进行退火，使金属和sic在一定温度下发生反应，生成硅化物，使金属和sic形成欧姆接触，比接触电阻尽可能降低，比接触电阻越低，器件在工作过程中的发热和功损越低。
6.公开号为cn109979829a的专利文献公开了一种碳化硅激活退火方法，包括以下步骤：在碳化硅晶片经过离子注入的一侧表面形成第一保护层；在碳化硅晶片形成第一保护层的一侧表面形成第二保护层；将形成第二保护层后的碳化硅晶片进行退火处理；退火处理时第二保护层的热稳定性优于第一保护层的热稳定性。但是该专利文献针对碳化硅材料缺陷特性以及常规高温引入的不稳定因素等未能进行有效解决，存在待改进之处。
7.公开号为cn109509706a的专利文献公开了一种碳化硅二极管的制备方法及由该制备方法制成的碳化硅二极管，该碳化硅二极管包括一碳化硅衬底、一碳化硅外延层、一图形化的场板介质层、一图形化的肖特基接触电极和一欧姆接触电极层；碳化硅外延层设置于碳化硅衬底的正面；在碳化硅外延层内且沿着碳化硅外延层的上表面设置有图形化的离子注入区；碳化硅外延层的上表面设置有图形化的场板介质层，且碳化硅外延层的上表面
未图形化的场板介质层覆盖的区域设置有图形化的肖特基接触电极；图形化的场板介质层的上表面的部分区域被图形化的肖特基接触电极覆盖，其余区域裸露；欧姆接触电极层设置于碳化硅衬底的背面。但是该专利文献仍然存在常规高温引入的不稳定因素的缺陷。


技术实现要素：

8.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种碳化硅二极管及其制备方法。
9.根据本发明提供的一种碳化硅二极管，包括碳化硅衬底、多层外延层、多个p型分压环、多个p型扩散区、肖特基势垒层、欧姆接触层、背面金属电极、正面金属电极、二氧化硅薄膜以及聚酰亚胺层；
10.所述背面金属电极和所述碳化硅衬底均设置在所述欧姆接触层上，所述欧姆接触层位于所述背面金属电极和所述碳化硅衬底之间；
11.所述多层外延层设置在所述碳化硅衬底上，所述碳化硅衬底位于所述多层外延层和所述欧姆接触层之间；
12.所述多层外延层的两端均设置有二氧化硅薄膜，所述多层外延层位于所述二氧化硅薄膜和所述碳化硅衬底之间；
13.所述聚酰亚胺层设置在所述二氧化硅薄膜上，所述二氧化硅薄膜位于所述聚酰亚胺层和所述多层外延层之间；
14.所述正面金属电极的两端均设置在所述二氧化硅薄膜上，所述正面金属电极的两端均位于所述聚酰亚胺层和所述二氧化硅薄膜之间；
15.所述肖特基势垒层设置在所述多层外延层上，所述肖特基势垒层位于所述多层外延层两端的所述二氧化硅薄膜之间，所述肖特基势垒层位于所述多层外延层和所述正面金属电极之间。
16.优选的，多层所述外延层包括第一外延层、第二外延层以及碳化硅隔离缓冲层；
17.所述第二外延层设置在所述第一外延层上，所述第一外延层设置在所述碳化硅隔离缓冲层；
18.所述第一外延层位于所述第二外延层和所述碳化硅隔离缓冲层之间；
19.所述碳化硅隔离缓冲层设置在所述碳化硅衬底上，所述碳化硅隔离缓冲层位于所述碳化硅衬底和所述第一外延层之间；
20.所述二氧化硅薄膜和所述肖特基势垒层均设置在所述第二外延层上。
21.优选的，所述碳化硅衬底为n型导电材料，厚度200um～400um；所述碳化硅隔离缓冲层为n型碳化硅导电材料，厚度0.5um～1.5um。
22.优选的，所述第一外延层为n型碳化硅导电材料，厚度0.5um～5um，电阻率10
16
～10
17
；所述第二外延层为n型碳化硅导电材料，厚度2-50um，电阻率10
15
～10
16
。
23.优选的，所述正面金属电极的厚度为1um～10um；所述聚酰亚胺薄膜的厚度为1um～5um；所述背面金属电极的厚度为1um～10um。
24.本发明还提供一种上述的碳化硅二极管的制备方法，包括如下步骤：
25.步骤1：在所述碳化硅衬底的上表面生长所述碳化硅隔离缓冲层；
26.步骤2：在所述碳化硅隔离缓冲层上分多次生长淀积形成多层所述外延层；
27.步骤3：在所述外延层生长淀积所述二氧化硅薄膜；
28.步骤4：通过光刻胶的涂布曝光显影工艺对所述外延层进行刻蚀处理，在所述外延层上形成p区分压环窗口和有源区中p型扩散区窗口，通过多次p型离子注入，分次最终形成所述p型分压环和所述p型扩散区；
29.步骤5：在所述外延层上淀积所述肖特基势垒层；
30.步骤6：在所述肖特基势垒层上淀积金属或复合金属，并通过光刻胶的涂布曝光显影工艺进行刻蚀形成所述正面金属电极；
31.步骤7：在所述正面金属电极的上面淀积所述聚酰亚胺层，通过光刻胶的涂布曝光显影工艺进行刻蚀形成金属上钝化层，并与所述二氧化硅薄膜形成终端钝化层；
32.步骤8：将所述碳化硅衬底研磨减薄，在所述碳化硅衬底背面淀积或溅射金属作为所述欧姆接触层；
33.步骤9：在所述欧姆接触层上进行金属淀积，形成所述背面金属电极。
34.优选的，所述步骤1中，去除所述碳化硅衬底上的氧化层，具体过程为：采用清洗液清洗所述碳化硅衬底，然后采用去离子水对所述碳化硅衬底进行反复清洗，并对所述碳化硅衬底进行氮气吹干和烘干。
35.优选的，所述步骤1中，对所述碳化硅衬底进行碳膜淀积，并在淀积碳膜后进行激光退火激活，在激光退火后通过刻蚀或去胶方式去除碳膜；
36.所述碳膜厚度10nm～500nm，所述碳膜通过溅射或涂布pr胶实现；所述激光器选用红外、绿光双光源系统，生成527nm～980nm的范围中的波长，脉冲宽度100ns～500ns，脉冲频率1khz～10khz。
37.优选的，所述步骤4中，所述p型离子注入为al离子或硼离子，注入温度为300-700度，注入能量30-800kev。
38.优选的，所述步骤8中，所述欧姆接触采用激光退火；
39.所述激光器选用紫外光源及绿光双光源系统，生成355nm～527nm的波长，光斑尺寸100um～500um可调节配置，脉冲宽度100ns～300ns，脉冲频率1khz～10khz。
40.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
41.1、本发明通过激光设备生成特定能量的激光束，朝向所述注入参杂区域，从而将所述注入参杂区域及一定注入参杂深度范围内加热到1200℃与2000℃的温度，实现选择性区域激活，独立的激活深度控制，满足所述注入区域中晶格修复及离子激活条件；
42.2、本发明通过对激光波长、光斑尺寸、脉冲宽度、能量、频率的条件设定，摸索出比较合适的激活条件，并配合x\y运动台扫描方案，较大尺寸光斑可以做到高平顶均匀性，保证了工艺处理的微观形貌均匀、拼接完整，激光激活离子激活率显著提高，均匀性提高；
43.3、本发明针对不同金属选择比较合适的退火条件，通过调节激光参数控制温度场，激活深度控制，使得金属膜与sic交界面温度满足欧姆接触条件，实现了很小的比接触电阻，进而提升了碳化硅器件性能，器件可靠性增强；
44.4、本发明使用激光退火形成欧姆接触的方法，选用双光源系统，通过对激光波长，光斑尺寸，脉冲宽度，能量，频率的条件设定，摸索出针对不同金属比较合适的激活条件，通过调节激光参数控制温度场，激活深度控制，使得金属膜与sic交界面温度满足欧姆接触条件，又使晶圆正或背面其它深度区域不发生高温影响。
附图说明
45.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
46.图1为本发明的碳化硅二极管的结构示意图。
47.图中示出：
48.碳化硅衬底1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
欧姆接触层8
49.碳化硅隔离缓冲层2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
背面金属电极9
50.第一外延层3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
正面金属电极10
51.第二外延层4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
二氧化硅薄膜11
52.p型分压环5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
聚酰亚胺层12
53.p型扩散区6
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
多层外延层13
54.肖特基势垒层7
具体实施方式
55.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
56.实施例1：
57.如图1所示，本实施例提供一种碳化硅二极管，包括碳化硅衬底1、多层外延层、多个p型分压环5、多个p型扩散区6、肖特基势垒层7、欧姆接触层8、背面金属电极9、正面金属电极10、二氧化硅薄膜11以及聚酰亚胺层12。背面金属电极9和碳化硅衬底1均设置在欧姆接触层8上，欧姆接触层8位于背面金属电极9和碳化硅衬底1之间，多层外延层13设置在碳化硅衬底1上，碳化硅衬底1位于多层外延层13和欧姆接触层8之间，多层外延层13的两端均设置有二氧化硅薄膜11，多层外延层13位于二氧化硅薄膜11和碳化硅衬底1之间，聚酰亚胺层12设置在二氧化硅薄膜11上，二氧化硅薄膜11位于聚酰亚胺层12和多层外延层13之间，正面金属电极10的两端均设置在二氧化硅薄膜11上，正面金属电极10的两端均位于聚酰亚胺层12和二氧化硅薄膜11之间，肖特基势垒层7设置在多层外延层13上，肖特基势垒层7位于多层外延层13两端的二氧化硅薄膜11之间，肖特基势垒层7位于多层外延层13和正面金属电极10之间。
58.碳化硅衬底1为n型导电材料，厚度200um～400um，碳化硅隔离缓冲层2为n型碳化硅导电材料，厚度0.5um～1.5um。正面金属电极10的厚度为1um～10um；聚酰亚胺薄膜的厚度为1um～5um；背面金属电极9的厚度为1um～10um。
59.多层外延层包括第一外延层3、第二外延层4以及碳化硅隔离缓冲层2。第二外延层4设置在第一外延层3上，第一外延层3设置在碳化硅隔离缓冲层2，第一外延层4位于第二外延层3和碳化硅隔离缓冲层2之间，碳化硅隔离缓冲层2设置在碳化硅衬底1上，碳化硅隔离缓冲层2位于碳化硅衬底1和第一外延层3之间，二氧化硅薄膜11和肖特基势垒层7均设置在第二外延层3上。
60.第一外延层3为n型碳化硅导电材料，厚度0.5um～5um，电阻率10
16
～10
17
，第二外
延层4为n型碳化硅导电材料，厚度2-50um，电阻率10
15
～10
16
。
61.本实施例还提供一种上述的碳化硅二极管的制备方法，包括如下步骤：
62.步骤1：在碳化硅衬底1的上表面生长碳化硅隔离缓冲层2；去除碳化硅衬底1上的氧化层，具体过程为：采用清洗液清洗碳化硅衬底1，然后采用去离子水对碳化硅衬底1进行反复清洗，并对碳化硅衬底1进行氮气吹干和烘干；对碳化硅衬底1进行碳膜淀积，并在淀积碳膜后进行激光退火激活，在激光退火后通过刻蚀或去胶方式去除碳膜，碳膜厚度10nm～500nm，碳膜通过溅射或涂布pr胶实现；激光器选用红外、绿光双光源系统，生成527nm～980nm的范围中的波长，脉冲宽度100ns～500ns，脉冲频率1khz～10khz。
63.步骤2：在碳化硅隔离缓冲层2上分多次生长淀积形成多层外延层。
64.步骤3：在外延层生长淀积二氧化硅薄膜11。
65.步骤4：通过光刻胶的涂布曝光显影工艺对外延层进行刻蚀处理，在外延层上形成p区分压环窗口和有源区中p型扩散区窗口，通过多次p型离子注入，分次最终形成p型分压环5和p型扩散区6；p型离子注入为al离子或硼离子，注入温度为300-700度，注入能量30-800kev。
66.步骤5：在外延层上淀积肖特基势垒层7。
67.步骤6：在肖特基势垒层7上淀积金属或复合金属，并通过光刻胶的涂布曝光显影工艺进行刻蚀形成正面金属电极10。
68.步骤7：在正面金属电极10的上面淀积聚酰亚胺层12，通过光刻胶的涂布曝光显影工艺进行刻蚀形成金属上钝化层，并与二氧化硅薄膜11形成终端钝化层。
69.步骤8：将碳化硅衬底1研磨减薄，在碳化硅衬底1背面淀积或溅射金属作为欧姆接触层8；欧姆接触采用激光退火，激光器选用紫外光源及绿光双光源系统，生成355nm～527nm的波长，光斑尺寸100um～500um可调节配置，脉冲宽度100ns～300ns，脉冲频率1khz～10khz。
70.实施例2：
71.本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
72.如图1所示，本实施例提供一种激光激活及激光欧姆接触制备的碳化硅二极管及其制备方法，一种碳化硅二极管，碳化硅衬底1、碳化硅隔离缓冲层2、多层外延层、多个p型分压环5、多个p型扩散区6、肖特基势垒层7、欧姆接触层8、背面金属电极9、正面金属电极10、二氧化硅薄膜11以及聚酰亚胺层12。
73.碳化硅隔离缓冲层2生长在碳化硅衬底1上，并在碳化硅隔离缓冲层2上生长第一外延层3、第二外延层4(碳化硅隔离缓冲层2、第一外延层3、第二外延层4形成多层外延层)，第二外延层上生成多个p型分压环5、p型扩散区6、肖特基势垒层7，碳化硅衬底1上生成欧姆接触层8、背面金属电极9，在碳化硅衬底1上生长或淀积二氧化硅薄膜11、正面金属电极10，正面电极金属10上淀积聚酰亚胺层12形成钝化层。
74.具体工步如下：
75.首先在碳化硅衬底1的上表面生长碳化硅隔离缓冲层2，并在此基础上生长第一外延层3、第二外延层4(但不仅限于第一外延层、第二外延层，也可增加第三外延层、第四外延层等)分两次或多次淀积形成多层外延层。
76.碳化硅衬底1为n型导电材料，厚度200～400um；碳化硅隔离缓冲层2为n型碳化硅
导电材料，厚度0.5～1.5um；第一外延层3为n型碳化硅导电材料，厚度0.5～5um，电阻率10
16
～10
17
；第二外延层4为n型碳化硅导电材料，厚度2～50um，电阻率10
15
～10
16
。
77.在第二外延层4上生长保护层二氧化硅薄膜11，二氧化硅薄膜11通过淀积实现，通过光刻胶的涂布曝光显影工艺进行刻蚀处理，形成p区分压环窗口及有源区中p型扩散区窗口，通过多次p型离子注入，分次最终形成p型分压环5和p型扩散区6。p型离子注入为al离子或硼离子，注入温度为300～700度，注入能量30～800kev。
78.给碳化硅衬底1去除氧化层，可采用清洗液清洗，并采用去离子水进行反复清洗、氮气吹干、烘干等过程。为了避免碳化硅衬底1高温退火后导致碳化硅衬底1表面碳化，对碳化硅衬底1进行碳膜淀积，并在淀积碳膜后进行激光退火激活，碳膜厚度10～500nm，碳膜可以通过溅射或涂布pr胶实现。激光器选用红外、绿光双光源系统，生成527nm～980nm的范围中的波长，脉冲宽度100ns～500ns，脉冲频率1～10khz，光斑尺寸100～1000um可调节配置，并激活深度在8微米范围内独立控制，激活温度达到1200～2000度范围内配置，其中能量密度最大可达到18j/cm2，x\y运动台扫描方案，平行于x轴和/或y轴的一次或多次扫描。在激光退火后去除碳膜，可以通过刻蚀或去胶方式实现。
79.在第二外延层4上进行牺牲氧化，使用热氧生长二氧化硅100～200埃并去除，再进行氧化生长二氧化硅薄膜11，二氧化硅薄膜11通过淀积实现，厚度为8000～20000埃。在二氧化硅薄膜11上通过光刻胶的涂布曝光显影工艺进行刻蚀，形成电极窗口。
80.在第二外延层4上淀积金属不限于ti、ni、mo等金属，淀积金属与n型硅原子层在合金后形成肖特基势垒层7。肖特基势垒层7的淀积金属与n型硅原子层合金温度为400～600度。
81.在肖特基势垒层7上淀积金属不限于ti、ni、ag，al，cu，或复合金属等并通过光刻胶的涂布曝光显影工艺进行刻蚀形成正面金属电极10，正面金属电极厚度为1～10um。
82.正面金属电极10的上面淀积聚酰亚胺层12，通过光刻胶的涂布曝光显影工艺进行刻蚀形成金属上钝化层，并与金属下的二氧化硅薄膜11形成终端钝化层。聚酰亚胺薄膜的厚度为1um～5um。
83.一种激光激活及激光欧姆接触制备的碳化硅二极管的制备方法，还包括以下步骤对碳化硅衬底1的硅片进行研磨减薄，将硅片厚度减薄到100～300um，在硅片背面淀积或溅射(ti、ni、mo等但不限于)作为欧姆接触层8，厚度为10nm～200nm。背面欧姆接触选用激光退火，激光器选用紫外光源及绿光双光源系统，生成355nm～527nm的波长，光斑尺寸100～500um可调节配置，脉冲宽度100ns～300ns，脉冲频率1～10khz，并实现退火深度在2微米范围内独立控制，退火温度达到800～1200度范围内配置，其中能量密度最大可达到3j/cm2，表面处能量优选为2.4j/cm2，x\y运动台扫描方案，平行于x轴和/或y轴的一次或多次扫描。
84.背面金属电极9进行金属淀积但不限于ti、ni金属层与ag金属层或连续多层金属，背面金属电极的厚度为1～10um。
85.本实施例通过调节激光器激光的双光源系统、脉冲宽度，可以针对不同金属类型、不同膜厚的工况，进行欧姆接触激光退火。
86.本发明通过激光设备生成特定能量的激光束，朝向所述注入参杂区域，实现选择性区域激活，独立的激活深度控制，满足所述注入区域中晶格修复及离子激活条件。
87.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖
直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。
88.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。