[发明专利]一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件及其制造方法。

背景技术

宽禁带半导体材料是是继第一代硅、锗和第二代砷化镓、磷化铟等材料以后发展起来的第三代半导体材料。在第三代半导体材料中，碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)是其中的佼佼者。碳化硅材料技术已经成熟，已有高质量的4英寸晶圆。而氮化镓材料没有氮化镓衬底，外延只能依赖其他材料，其热导率只有碳化硅的四分之一，而且无法实现p型掺杂。这使得氮化镓材料在高压、大功率方面的应用受到限制，相比较而言碳化硅材料在电力电子应用领域的优势则尤为显著。

SiC材料的禁带宽度约是硅的3倍，击穿电场是硅材料的8倍，热导率是硅的3倍，极大地提高了SiC器件的耐压容量和电流密度。要达到相同的击穿电压，SiC功率器件的导通电阻只有硅器件的1/100～1/200，极大地降低了SiC器件的导通损耗。SiC器件可以在250℃～600℃的工作温度下保持良好的器件特性，可以减少冷却散热系统，大大提高电路的集成度。由于功率密度大，器件的面积小、工作层薄，电容和储存电荷少，可以实现高的开关速度而且开关能耗小，因此高功率SiC器件可以工作在较高的频率下。与硅元件构成的电源模块相比，SiC电源模块的开关功耗约为原来的1/4，总功耗降低1/2。而在相同的功耗的情况下，开关频率是原来的4倍。SiC材料还具有高抗电磁波冲击和高抗辐射破坏的能力，能够工作在极端辐照环境下。因此，SiC器件可以使电力电子系统的功率、温度、频率和抗辐射能力倍增，效率、可靠性、体积和重量方面的性能也会大幅度改善，不仅在直流、交流输电，不间断电源，开关电源，工业控制等传统工业领域具有广泛应用，而且在太阳能、风能等新能源中也将具有广阔的应用前景。

在Si功率器件中超结(SuperJunctiong-SJ)的概念已经得到成功的应用，导通电阻明显降低，打破了硅限。但是这一结构很难在SiC器件中实现。这是由于SiC材料极低的扩散系数使得在重掺杂n型和p型漂移层之间实现电荷补偿非常困难。

近年来SiC二次外延生长技术的成熟应用为浮动结结构提供了更适宜的发展空间。这一结构已成功地应用于SiC肖特基二极管，被称为Super-SBD。Johji Nishio等人2008年得到击穿电压2700V，比导通电阻2.57mΩ·cm²，品质因数(Baliga优值)达到11.3GW/cm²。

浮动结碳化硅肖特基二极管(FJ-SBD)器件相比于传统SBD器件，通过在器件的漂移区引入埋层，将器件的外延层分为两层，受到研究者的关注。近年来有关SiC FJ-SBD的研究有了很大进展，但是目前研究的主要为带有“条状”埋层形成浮动结结构的器件，而这种结构导通电阻和击穿电压之间的权衡问题依然存在，浮动结的引入在降低漂移区峰值电场的同时会导致漂移区中导电沟道的变窄，影响导电通路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是浮动结碳化硅SBD器件的导通电阻和击穿电压之间的权衡问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件，包括自上往下依次分层设置的肖特基接触区、SiO₂隔离介质、N^-外延层、P⁺型的离子注入区、N⁺衬底区和欧姆接触区，所述P⁺型的离子注入区夹在所述N^-外延层的中部，且将所述N^-外延层分为上、下漂移区，所述P⁺型的离子注入区为水平均布的多个块状的浮动结。

在上述一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件中，所述N^-外延层的顶面和底面之间的厚度为20μm，其氮离子掺杂浓度为1×10¹⁵～1×10¹⁶cm^-3。

在上述一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件中，所述P⁺型的离子注入区的厚度为0.8μm，其铝离子掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁹cm^-3。

在上述一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件中，所述P⁺型的离子注入区和肖特基接触区之间的距离为10μm。

在上述一种具有块状浮动结的碳化硅SBD器件中，所述浮动结的形状为长方体。