[发明专利]碳化硅绝缘栅双极型晶体管的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件的制备方法，可广泛用于变频器、逆变器、开关电源、照明电路和电机等领域。

技术背景

回顾功率半导体器件的发展,大体可分为四代产品。第一代是以50年代出现的可控硅SCR为代表。其优点是功率容量特别大,目前的水平已达到7000V/8000A。但缺点是开关速度低,关断不可控。为解决SCR关断的不可控问题,70年代出现了以门极可关断晶闸管GTO和巨型双极晶体管GTR为代表的第二代产品。它们都是自关断器件,开关速度比SCR高,控制电路也得到了简化。但是,GTO的开关速度还是较低,GTR存在二次击穿和不易并联问题。另外,它们共同存在驱动电流大、功耗损失大的问题。70年代末出现了以功率场效应晶体管VDMOS和静电感应晶体管SIT为代表的第三代产品。与前两代双极器件相比,VDMOS和SIT具有开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单等特点。但导通电阻限制了它们的电流容量和功率容量,特别是500V以上,由于漂移区电阻随耐压的2.5次方增加,限制了VDMOS的电流容量。为了解决VDMOS的导通电阻大的问题,80年代诞生了以绝缘栅双极晶体管IGBT为代表的第四代产品。IGBT器件由于其简单的栅驱动和较大的电流开关能力，在Si电力电子领域获得较大的成功，而且其特有的电导调制效应大大降低了导通电阻。

碳化硅绝缘栅双极型晶体管，即SiC IGBT，是基于碳化硅材料发展起来的新型耐高压器件。目前电力电子领域应用的固态主流器件是Si IGBT，其关断电压为0.6～6.5kV。经过三十年的发展，Si IGBT已达到性能和器件结构的极限，而随着电动汽车、光伏和风能绿色能源、智能电网等新的应用发展，要求电力电子器件性能上新的飞跃。20世纪90年代中期，低微管缺陷密度的SiC宽禁带半导体材料的突破，使新一代电力电子器件成为可能。SiC MOS器件已推出高击穿电压和低界面态密度的器件，为SiC IGBT的开发铺平了道路。宽禁带的材料结构导致半导体器件低漏电、高工作温度和抗辐照等性能的改善。宽禁带半导体SiC具有比Si高一个数量级的临界击穿电场，意味着SiC电力电子器件的关断漂移层能更薄和具有更高的掺杂浓度，导致和Si同等器件相比具有低一个量级的导通电阻；更高的载流子饱和速度导致更高的工作频率；更高的热导率将改善热耗散，使器件可以工作在更高的功率密度。

传统的SiC IGBT的工艺步骤如下：首先在衬底硅面上生长50～200μm厚的外延耐压层；然后在耐压层上继续外延生长浓度较耐压层略高的同类型缓冲层；接着在缓冲层上通过离子注入形成阱区、发射区和重掺杂金属接触区；然后生长刻蚀栅氧化层、淀积多晶硅；最后淀积、光刻金属层。这种方法存在以下不足：

1.制备成本高。例如，SiC外延设备价格昂贵，外延过程耗能大等。

2.生长较厚外延层的技术难度大。对于生长100μm及以上厚度的外延层，其工艺要求高，在国际上只有像Cree等这样顶尖的碳化硅器件公司才能做到，因此，技术瓶颈问题限制了大功率SiC IGBT的普及与应用。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种碳化硅绝缘栅双极型晶体管的制备方法，以减小制备成本。

为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：

(1)在P型SiC衬底硅面进行栅氧化，氧化层厚度为50～100nm；该P型SiC选用没有微管结构的P型衬底，其基平面位错为10⁴/cm^-3，衬底浓度为2×10¹⁴～1×10¹⁵cm^-3；

(2)采用低压化学气相淀积法在上述氧化层上依次淀积多晶硅和氮化硅，其中多晶硅厚度为2～6μm，氮化硅厚度约为100nm；

(3)在淀积有多晶硅和氮化硅的SiC衬底中间区域，刻蚀掉其氮化硅和多晶硅，形成阱区窗口；

(4)在阱区窗口用氮离子进行器件的N阱离子注入，注入剂量为5×10¹²cm^-2，注入能量为100～500Kev，形成N阱区；

(5)在所述阱区中间位置用氮离子进行N⁺体接触区的离子注入，注入剂量为5×10¹³～4×10¹⁴cm^-2，注入能量为100～300Kev；