一种碳化硅过流保护器件及其制造方法与流程

1.本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种碳化硅过流保护器件(cld,current limiting device)及制造方法。


背景技术：

2.碳化硅材料具有高禁带宽度，高载流子迁移率，高击穿场强及高热导率，高物理化学稳定性等优势，尤其适用于制备下一代电力电子器件。目前碳化硅jbs、碳化硅mosfet已经在新能源汽车等领域逐步替代其竞品硅器件，而在集成电路、过流保护等新兴领域，碳化硅器件也逐渐崭露头角。
3.雷电防护是各类电器、系统安全工作需要考虑的重要课题。由于云层中不同部位聚集着不同极性的电荷，当电荷积累到一定程度时，云层与地面间巨大的电势差将使云层和地面间电场强度达到空气击穿强度，产生放电现象，形成闪电。闪电具有强大的电流，极高的电压，并因其电效应、热效应产生严重的破坏。
4.限制电器、建筑物在遭受雷击后所通过的最大电流，使雷击的巨大能量较缓慢的释放，能够避免电器和建筑物受雷击后烧毁。因此，开发出一种过流保护器件，在雷击过程中限制通过器件的最大电流，缓慢释放雷击的能量，是解决雷击问题的关键方法。碳化硅材料由于其高击穿场强，高热导率，高物理化学稳定性的特点，能够承载更高的电压，并将雷击能量尽快的释放出来，尤为适合制备过流保护器件。


技术实现要素：

5.本发明提出一种碳化硅过流保护器件及其制备方法，使得器件在未经雷击等极端过流情况下具有较小的导通电阻，以降低损耗，而在雷击等极端过流等突发状态下具备较强的电流限制能力，以避免轻易烧毁。
6.在第一方面，本发明提出了一种碳化硅过流保护器件结构，包括：一n型碳化硅衬底(1)、与n型碳化硅衬底(1)背面形成欧姆接触的阳极金属(2)及依次位于所述n型碳化硅衬底(1)正面的n型碳化硅外延层(3)、n型碳化硅电流传输区(4)、n型接触区(5)、阴极金属(6)，所述n型碳化硅电流传输区(4)的左右两侧有形成有沟槽，所述沟槽的侧壁及底部注入有p型区域(7)，所述阴极金属(6)覆盖于所述n型接触区(5)及所述p型区域(7)的上方，以形成欧姆接触。
7.进一步地，所述沟槽的槽深为1um至5um，槽间距为0.5um至3um。
8.进一步地，所述阴极金属(6)采用ni/ti/al复合金属层，ni厚度为100nm，ti厚度为15nm，al厚度为175nm。
9.在本发明的另一方面，本发明提出了一种碳化硅过流保护器件的制备方法，包括：
10.在一n型碳化硅衬底上依次外延生长n型碳化硅外延层、n型碳化硅电流传输层、n型接触区；
11.s2、在上述结构的顶部沉积介质层，并通过光刻、刻蚀工艺形成掩模；
12.s3、通过所述掩模进行刻蚀，以在上述结构的顶部形成沟槽；
13.s4、采用一定的倾角在所述沟槽的侧壁及底部注入p型离子，以形成p型区域；
14.s5、去除所述掩模后，在上述结构的正面和背面分别溅射阴极金属、阳极金属，并通过快速热退火在器件结构的正面形成n型欧姆接触、p型欧姆接触，及在器件结构的背面形成n型欧姆接触。
15.进一步地，在步骤s4中，形成所述p型区域的离子注入时，注入的元素为al，并采用10
°
至45
°
的倾角注入。
16.进一步地，在步骤s5中，退火的温度为975℃、时间为2min。
17.进一步地，所述掩模采用si3n4，厚度为2μm至5μm。
18.与现有技术相比，本发明的实施例的有益效果包括：
19.本发明提供的碳化硅过流保护器件及其制备方法，相比于传统技术，器件结构中不包含栅氧等易失效成分，在未经雷击等极端过流情况下器件的导通电阻小，雷击等极端过流突发状态下该器件的电流限制能力强，且不易烧毁。本器件结构简单，制备容易，适合进行大规模生产。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明的实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面展示的附图仅仅是本发明的一些实施例，并不用于限制本发明。
21.图1为本发明一个实施例的碳化硅过流保护器件的结构示意图；
22.图2为本发明一个实施例的碳化硅过流保护器件的制备方法流程图；
23.图3至图7为本发明一个实施例的碳化硅过流保护器件制备方法的不同步骤得到的器件结构的示意图。
24.主要元件符号说明
25.n型碳化硅衬底
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ126.阳极金属
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ227.n型碳化硅外延层
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ328.n型碳化硅电流传输区
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ429.n型接触区
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ530.阴极金属
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ631.掩模
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
61
32.p型区域
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ733.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
34.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
35.参考图1，本发明实施例一方面提供了一种碳化硅过流保护器件。在本实施方式
中，所述碳化硅过流保护器件包括一n型碳化硅衬底(1)、与n型碳化硅衬底(1)背面形成欧姆接触的阳极金属(2)及依次位于所述n型碳化硅衬底(1)正面的n型碳化硅外延层(3)、n型碳化硅电流传输区(4)、n型接触区(5)、阴极金属(6)，所述n型碳化硅电流传输区(4)的左右两侧有形成有沟槽，所述沟槽的侧壁及底部注入有p型区域(7)，所述阴极金属(6)覆盖于所述n型接触区(5)及所述p型区域(7)的上方，以形成欧姆接触。
36.在本实施方式中，所述沟槽的槽深为1um至5um，槽间距为0.5um至3um。
37.在本实施例中，所述n型碳化硅电流传输区(4)的总厚度3μm至10μm，掺杂浓度5e15cm-3至1e17cm-3；所述n型接触区(5)的厚度0.2μm至0.5μm，掺杂浓度5e18cm-3至5e19cm-3；所述p型区域(7)的宽度为0.3μm至1μm，掺杂浓度1e16cm-3至1e18cm-3。
38.在本实施例中，所述阴极金属(6)采用ni/ti/al复合金属层，ni厚度为100nm，ti厚度为15nm，al厚度为175nm；所述阳极金属(2)可为100nm厚的ni。
39.请参考图2，本发明实施例提供一种碳化硅过流保护器件的制备方法，该方法包括如下步骤：
40.步骤s1：在n型碳化硅衬底(1)上依次外延生长n型碳化硅外延层(3)、n型碳化硅电流传输层(4)、n型接触区(5)，如图3所示。
41.步骤s2：在上述结构的顶部沉积介质层，并通过光刻、刻蚀工艺形成掩模(61)，如图4所示。
42.在本实施方式中，在上述结构的顶部沉积5μm的si3n4厚介质层，经过涂胶，光刻后，利用chf3气体对结构进行干法刻蚀后形成碳化硅材料的掩模。
43.步骤s3：通过所述掩模进行刻蚀，以在上述结构的顶部形成沟槽，如图5所示。
44.在本实施方式中，利用上述刻蚀掩模掩模结构，采用sf6 o2气体刻蚀所述结构，在结构顶部形成沟槽，所述槽间距0.5μm至3μm，深度1.5μm至4μm。
45.步骤s4：采用一定的倾角在所述沟槽的侧壁及底部注入p型离子，以形成p型区域(7)，如图6所示。其中，注入倾角范围为10
°
至45
°
。
46.在本实施方式中，完成沟槽刻蚀后，利用上述残余掩模结构对碳化硅进行al离子注入，注入温度为500℃，注入偏角为30
°
，使沟槽侧壁及底边均注入al离子，溅射碳膜后在1700℃下退火10分钟激活注入离子，之后去除碳膜。
47.步骤s5：湿法去除所述掩模后，在上述结构的正面和背面分别溅射阴极金属(6)、阳极金属(2)，并通过快速热退火在器件结构的正面形成n型欧姆接触、p型欧姆接触，及在器件结构的背面形成n型欧姆接触，如图7所示。
48.在本实施方式中，所述阴极金属为ni/ti/al，所述阳极金属为ni，所述退火温度为975℃，时间为2min。
49.以上内容是结合具体/优选的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，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“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、结构、材料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、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，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以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。