技术领域
[0001] 本
发明涉及微
电子技术领域,尤其涉及一种带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件及制作方法。
背景技术
[0002] 宽带隙
半导体材料碳化硅具有较大的禁带宽度,较高的临界击穿
电场,高热导率和高电子饱和漂移速度等优良物理和化学特性,适合制作高温,高压,大功率,抗辐照的半导体器件。在功率电子领域中,功率MOSFET被广泛应用,它具有栅极驱动
电路简单,
开关时间短等特点。
[0003] 作为功率开关,MOSFET要求有两个原则:(1)当器件处于开启导通状态时,要求器件具有很低的导通
电阻;(2)当器件处于关断状态时,要求器件具有很高的反向击穿
电压。但是降低导通电阻和提高
击穿电压之间存在制约关系,不能同时实现。在相同击穿电压条件下,横向结构的MOSFET的漂移区在表面,存在寄生JFET区,导通电阻较大。而在垂直结构的UMOSFET中,
沟道和源区都是通过
外延生长形成,减少了
离子注入带来的晶格损伤,另外UMOSFET消除了寄生的积累层电阻和JFET电阻,所以,在同等条件下和横向MOSFET相比,UMOSFET导通电阻明显降低。
[0004] 但是在UMSOFET中,槽栅拐
角处的电场集中很容易导致该处
氧化层被提前击穿,对于SiC材料来说这一现象会更为严重。因为SiC具有较大的
介电常数和很高的临界击穿电场,而SiO2的介电常数较小,只有SiC的约2/5,根据高斯定理,SiO2层需要承受的电场强度约为SiC的2.5倍,这使得槽栅拐角更容易发生击穿,使器件可靠性下降。
[0005] 鉴于上述
缺陷,本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件及制作方法,用以克服上述技术缺陷。
[0007] 为实现上述目的,本发明提供一种带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件,其包括栅极、
多晶硅、槽栅介质、源极、源区
接触、P-外延层、N-漂移层台面、N-漂移层、N+衬底和漏极,其中,
[0008] 所述N-漂移层台面设置在所述槽栅介质SiO2和N-漂移层之间,所述N-漂移层台面两侧为P-外延层;所述N-漂移层台面宽度小于多晶硅的宽度;
[0009] N-漂移层台面与所述N-漂移层的掺杂浓度相同,为氮离子掺杂浓度为15 -3 15 -3
1×10 cm ~6×10 cm 的N型碳化硅外延层。
[0010] 进一步,所述N-漂移层台面高度为1μm~2μm。
[0011] 进一步,所述N-漂移层台面宽度为3μm~4μm。
[0012] 进一步,所述N+衬底是厚度为200μm~500μm,氮离子掺杂浓度为5×1018cm-3~20 -3
1×10 cm 的N型碳化硅衬底片。
[0013] 进一步,P-外延层是最大厚度为3μm~3.5μm,
铝离子掺杂浓度为1×1017cm-3~18 -3 18 -3
1×10 cm 的P型碳化硅外延层;源区接触是厚度为0.5μm,氮离子掺杂浓度为5×10 cm的N型碳化硅外延层。
[0014] 进一步,所述N-漂移层厚度为10μm~20μm。
[0015] 本发明还提供一种带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件的制作方法,包括下述步骤:
[0016] 步骤a,在N+碳化硅衬底样片上外延生长厚度约为10μm~20μm,氮离子掺杂浓15 -3 15 -3
度为1×10 cm ~6×10 cm 的N型漂移区;
[0017] 步骤b,在N型漂移区中间
刻蚀出一个台面,台面高度为1μm~2μm,台面宽度为3μm~4μm;
[0018] 步骤c,在N型漂移区和N-漂移层台面上生长一层p-外延层,最大厚度为3μm~17 -3 18 -3
3.5μm,铝离子掺杂浓度为1×10 cm ~1×10 cm ;
[0019] 步骤d,在p-外延层上生长一层N+源区层,厚度为0.5μm,掺杂浓度5×1018cm-3;
[0020] 步骤e,刻蚀形成槽,宽度为6μm,深度为3μm,这样槽的两个底角被p-外延层包裹;
[0021] 步骤f,刻蚀形成源区接触;
[0022] 步骤g,通
过热氧化工艺制备槽栅介质SiO2,厚度为100nm;
[0023] 步骤h,在槽栅内的槽栅介质SiO2上淀积polySi层;
[0026] 进一步,在上述步骤a中,先对厚度为200~500μm,氮离子掺杂浓度为18 -3 20 -3
5×10 cm ~1×10 cm 的N+碳化硅衬底片进行RCA标准清洗,然后在整个衬底片上外延
15 -3 15 -3
生长厚度为10~20μm,氮离子掺杂浓度为1×10 cm ~6×10 cm 的N-漂移层;其工艺条件是:
温度为1600℃,压
力为100mbar,反应气体采用硅烷和丙烷,载运气体采用纯氢气,掺杂源采用液态氮气。
[0027] 进一步,在上述步骤b中,首先
磁控溅射一层 的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜,然后涂胶
光刻,进行ICP刻蚀,在N-漂移层中间刻蚀出一个高1-2μm,宽3-4μm的N-漂移层台面,最后去胶,去刻蚀掩膜,清洗成光片;ICP刻蚀工艺条件为:ICP线圈功率850W,源功率100W,反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
[0028] 进一步,在上述步骤c中,在N型漂移区和N-漂移层台面上生长一层厚度为17 -3 18 -3
3-3.5μm,铝离子掺杂浓度为1×10 cm -1×10 cm 的P-外延层,其外延生长工艺条件是:温度为1600℃,压力为100mbar,反应气体采用硅烷和丙烷,载运气体采用纯氢气,掺杂源采用三甲基铝。
[0029] 与
现有技术相比较本发明的有益效果在于:本发明提出了一种带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件,在传统的槽栅介质SiO2和N-漂移层之间增加了一个N-漂移层台面。这使得P-外延层包裹了槽栅拐角,以碳化硅
PN结界面代替了拐角的SiO2/SiC界面来承受反向电压,因为SiC和SiO2相比具有较高的临界击穿电场,所以碳化硅PN结界面可以代替SiO2和碳化硅界面承受更高的耐压,这样增加了器件的可靠性。
附图说明
[0030] 图1为本发明带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件的结构示意图;
[0031] 图2为本发明带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件的制作工艺
流程图。
具体实施方式
[0032] 以下结合附图,对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
[0033] 请参阅图1所示,其为本发明带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET的结构示意图,本发明带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件包括栅极1、多晶硅2、槽栅介质3、源极4、源区接触5、p-外延层6、N-漂移层台面71、N-漂移层72、N+衬底8和漏极9。
[0034] 所述N-漂移层台面71设置在所述槽栅介质3和N-漂移层72之间,所述N-漂移层台面71两侧为p-外延层6;所述N-漂移层台面71宽度小于多晶硅2的宽度;
[0035] 在本发明中,所述槽栅介质3为SiO2,厚度为100nm,通过热氧化工艺形成;多晶硅2为ploySi,其深度为5.9μm,宽度为2.9μm,通过淀积填充整个沟槽结构。
[0036] 所述N+衬底8是厚度为200μm~500μm,氮离子掺杂浓度为5×1018cm-3~20 -3
1×10 cm 的N型碳化硅衬底片;N-漂移层72是厚度为10μm~20μm,氮离子掺杂浓度
15 -3 15 -3
为1×10 cm ~6×10 cm 的N型碳化硅外延层。
[0037] N-漂移层台面71是高度为1μm~2μm,宽度为3μm~4μm,其与所述N-漂移15 -3 15 -3
层72的掺杂浓度相同,氮离子掺杂浓度为1×10 cm ~6×10 cm 的N型碳化硅外延层。
[0038] P-外延层6是最大厚度为3μm~3.5μm,铝离子掺杂浓度为1×1017cm-3~18 -3
1×10 cm 的P型碳化硅外延层。源区接触5是厚度为0.5μm,氮离子掺杂浓度为
18 -3
5×10 cm 的N型碳化硅外延层。槽的宽度为6μm,深度为3μm,通过ICP刻蚀形成通过ICP刻蚀形成源区接触5。淀积
场氧化层或者Si3N4层作为
钝化层,
腐蚀钝化层开电极孔。
栅极1,源极4和漏极9通过
电子束蒸发金属形成。
[0039] 制备带有N型漂移层台面的碳化硅UMOSFET器件的制作方法,包括下述步骤:
[0040] 步骤a,在N+碳化硅衬底样片上外延生长厚度约为10μm~20μm,氮离子掺杂浓15 -3 15 -3
度为1×10 cm ~6×10 cm 的N型漂移区。
[0041] 步骤b,在N型漂移区中间刻蚀出一个台面,台面高度为1μm~2μm,台面宽度为3μm~4μm。
[0042] 步骤c,在N型漂移区和N-漂移层台面上生长一层p-外延层,最大厚度为3μm~17 -3 18 -3
3.5μm,铝离子掺杂浓度为1×10 cm ~1×10 cm 。
[0043] 步骤d,在p-外延层上生长一层N+源区层,厚度为0.5μm,掺杂浓度5×1018cm-3。
[0044] 步骤e,刻蚀形成槽,宽度为6μm,深度为3μm,这样槽的两个底角被p-外延层包裹。
[0045] 步骤f,刻蚀形成源区接触。
[0046] 步骤g,通过热氧化工艺制备槽栅介质SiO2,厚度为100nm。
[0047] 步骤h,在槽栅内的槽栅介质SiO2上淀积polySi层。
[0048] 步骤i,制备钝化层,开电极接触孔。
[0049] 步骤j,蒸发金属,制备电极。
[0050] 基于上述步骤的不同工艺条件的各实施方式,请参阅图2所示,各实施过程如下:
[0052] 步骤a1,在N+碳化硅衬底片上外延生长N-漂移层,如图2中a所示,[0053] 先对厚度为200μm,氮离子掺杂浓度为5×1018cm-3的N+碳化硅衬底片进行RCA15 -3
标准清洗,然后在整个衬底片上外延生长厚度为10μm,氮离子掺杂浓度为1×10 cm 的N-漂移层。
[0054] 其工艺条件是:温度为1600℃,压力为100mbar,反应气体采用硅烷和丙烷,载运气体采用纯氢气,掺杂源采用液态氮气。
[0055] 步骤b1,在N-漂移层中间刻蚀出台面,如图2中b所示。
[0056] 首先磁控溅射一层 的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜,然后涂胶光刻,进行ICP刻蚀,在N-漂移层中间刻蚀出一个高1μm,宽3μm的N-漂移层台面,最后去胶,去刻蚀掩膜,清洗成光片。
[0057] ICP刻蚀工艺条件为:ICP线圈功率850W,源功率100W,反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
[0058] 步骤c1,外延生长P-外延层,如图2中c所示。
[0059] 在N型漂移区和N-漂移层台面上生长一层厚度为3μm,铝离子掺杂浓度为17 -3
1×10 cm 的P-外延层。
[0060] 其外延生长工艺条件是:温度为1600℃,压力为100mbar,反应气体采用硅烷和丙烷,载运气体采用纯氢气,掺杂源采用三甲基铝。
[0061] 步骤d1,外延生长N+源区层,如图2中d所示。18 -3
[0062] 在P-外延层上生长一层厚度为0.5μm,氮离子掺杂浓度为5×10 cm 的N型碳化硅外延层,作为N+源区层。
[0063] 其工艺条件是:温度为1600℃,压力为100mbar,反应气体采用硅烷和丙烷,载运气体采用纯氢气,掺杂源采用液态氮气。
[0064] 步骤e1,刻蚀形成沟槽,如图2中e所示。
[0065] 首先磁控溅射一层 的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜,然后涂胶光刻,进行ICP刻蚀,刻蚀出槽的宽度为6μm,深度为3μm,最后去胶,去刻蚀掩膜,清洗成光片。
[0066] 其工艺条件为:ICP线圈功率850W,源功率100W,反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
[0067] 步骤f1,刻蚀形成源区接触,如图2中f所示。
[0068] 首先磁控溅射一层 的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜,然后涂胶光刻,进行ICP刻蚀,形成源区接触孔,最后去胶,去刻蚀掩膜,清洗成光片。
[0069] 其工艺条件为:ICP线圈功率850W,源功率100W,反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
[0070] 步骤g1,制备槽栅介质SiO2,如图2中g所示。
[0071] 采用干氧工艺在1150℃下制备SiO2栅,厚度为100nm,然后在1050℃,N2氛围下进行
退火,降低SiO2
薄膜表面的粗糙度。
[0072] 步骤h1,制备ploy Si栅,如图2中h所示。
[0073] 采用低压热壁化学汽相淀积法生长ploy Si填满沟槽,淀积温度为600~650℃,淀积压强为60~80Pa,反应气体为硅烷和磷化氢,载运气体为氦气,然后涂胶光刻,刻蚀ploySi层,形成多晶硅栅,最后去胶,清洗。
[0074] 步骤i1,制备钝化层,如图2中i所示。
[0075] 在器件表面淀积一层场氧或者Si3N4层,然后涂胶光刻,腐蚀钝化层开电极接触孔,最后去胶,清洗。
[0076] 步骤j1,制备电极,如图2中j所示。
[0077] 电子束蒸发Ti/Ni/Au制作
正面栅,源电极,然后涂胶光刻,金属腐蚀形成正面栅,源电极接触图形,去胶,清洗。
[0078] 在背面电子束蒸发Ti/Ni/Au制作背面漏电极,然后制作正面栅,源电极,最后在Ar气氛中围快速退火3min,温度为1050℃。
[0079] 实施例二:
[0080] 步骤a2,在N+碳化硅衬底片上外延生长N-漂移层;
[0081] 先对厚度为500μm,氮离子掺杂浓度为1×1020cm-3的N+碳化硅衬底片进行RCA15 -3
标准清洗,然后在整个衬底片上外延生长厚度为20μm,氮离子掺杂浓度为3×10 cm 的N-漂移层,其工艺条件是:温度为1600℃,压力为100mbar,反应气体采用硅烷和丙烷,载运气体采用纯氢气,掺杂源采用液态氮气。
[0082] 步骤b2,在N-漂移层中间刻蚀出台面;
[0083] 首先磁控溅射一层 的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜,然后涂胶光刻,进行ICP刻蚀,在N-漂移层中间刻蚀出一个高1.5μm,宽3.5μm的N-漂移层台面,最后去胶,去刻蚀掩膜,清洗成光片。ICP刻蚀工艺条件为:ICP线圈功率850W,源功率100W,反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
[0084] 步骤c2,外延生长P-外延层;
[0085] 在N型漂移区和N-漂移层台面上生长一层厚度为3.3μm,铝离子掺杂浓度为18 -3
1×10 cm 的P-外延层,其外延生长工艺条件是:温度为1600℃,压力为100mbar,反应气体采用硅烷和丙烷,载运气体采用纯氢气,掺杂源采用三甲基铝。
[0086] 步骤d2,与实施例一的步骤d1相同。
[0087] 步骤e2,与实施例一的步骤e1相同。
[0088] 步骤f2,与实施例一的步骤f1相同。
[0089] 步骤g2,与实施例一的步骤g1相同。
[0090] 步骤h2,与实施例一的步骤h1相同。
[0091] 步骤i2,与实施例一的步骤i1相同。
[0092] 步骤j2,与实施例一的步骤j1相同。
[0093] 实施例三:
[0094] 步骤a3,在N+碳化硅衬底片上外延生长N-漂移层;
[0095] 先对厚度为300μm,氮离子掺杂浓度为1×1019cm-3的N+碳化硅衬底片进行RCA15 -3
标准清洗,然后在整个衬底片上外延生长厚度为15μm,氮离子掺杂浓度为6×10 cm 的N-漂移层,其工艺条件是:温度为1600℃,压力为100mbar,反应气体采用硅烷和丙烷,载运气体采用纯氢气,掺杂源采用液态氮气。
[0096] 步骤b3,在N-漂移层中间刻蚀出台面;
[0097] 首先磁控溅射一层 的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜,然后涂胶光刻,进行ICP刻蚀,在N-漂移层中间刻蚀出一个高2μm,宽4μm的N-漂移层台面,最后去胶,去刻蚀掩膜,清洗成光片。ICP刻蚀工艺条件为:ICP线圈功率850W,源功率100W,反应气体SF6和O2分别为48sccm和12sccm。
[0098] 步骤c3,外延生长P-外延层;
[0099] 在N型漂移区和N-漂移层台面上生长一层厚度为3.5μm,铝离子掺杂浓度为17 -3
5×10 cm 的P-外延层,其外延生长工艺条件是:温度为1600℃,压力为100mbar,反应气体采用硅烷和丙烷,载运气体采用纯氢气,掺杂源采用三甲基铝。
[0100] 步骤d3,与实施例一的步骤d1相同。
[0101] 步骤e3,与实施例一的步骤e1相同。
[0102] 步骤f3,与实施例一的步骤f1相同。
[0103] 步骤g3,与实施例一的步骤g1相同。
[0104] 步骤h3,与实施例一的步骤h1相同。
[0105] 步骤i3,与实施例一的步骤i1相同。
[0106] 步骤j3,与实施例一的步骤j1相同。
[0107] 以上所述仅为本发明的较佳实施例,对发明而言仅仅是说明性的,而非限制性的。本专业技术人员理解,在发明
权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变,
修改,甚至等效,但都将落入本发明的保护范围内。