申请/专利权人：厦门芯光润泽科技有限公司

申请日：2018-12-29

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN109888024B

主分类号：H01L29/861

分类号：H01L29/861;H01L29/06;H01L21/329

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2019.07.09#实质审查的生效;2019.06.14#公开

摘要：一种MPS二极管器件及其制备方法。所述MPS二极管器件自下而上包括阴极电极、N+碳化硅衬底、N‑外延层和阳极电极；所述N‑外延层具有至少两个P+区；相邻两个所述P+区之间具有N‑补偿掺杂区，所述N‑补偿掺杂区的深度大于所述P+区的深度，所述N‑补偿掺杂区的掺杂浓度高于所述N‑外延层的掺杂浓度；所述阳极电极包括第一金属和第二金属，所述P+区表面与所述第一金属之间为欧姆接触，所述N‑补偿掺杂区表面与所述第二金属之间肖特基为接触。所述MPS二极管能够改善器件导通特性，促使器件的正向压降降低。

主权项：1.一种MPS二极管器件的制备方法，其特征在于，包括：在N+碳化硅衬底上形成N-外延层；在所述N-外延层顶部形成N-补偿掺杂区；在所述N-外延层顶部形成P+区；其中，所述N-补偿掺杂区位于相邻两个所述P+区之间，所述N-补偿掺杂区的深度大于所述P+区的深度；所述N-补偿掺杂区的掺杂浓度高于所述N-外延层的掺杂浓度，所述N-外延层的掺杂浓度为1×1015atomcm3~1×1016atomcm3，所述N-补偿掺杂区的掺杂浓度为1×1016atomcm3~1×1017atomcm3；在所述P+区表面形成第一金属，所述第一金属与所述P+区表面欧姆接触；在第一金属及N-补偿掺杂区表面同时形成第二金属，所述N-补偿掺杂区与第二金属接触区域形成肖特基接触；在所述N+碳化硅衬底下方形成阴极电极；形成所述N-补偿掺杂区和所述P+区的过程包括以下步骤：在所述N-外延层上制备第一掩模层；用光刻刻蚀工艺，在所述第一掩模层上形成第一掩模图形；通过N离子注入手段形成N-补偿注入区；清洗掉所述第一掩模图形，在所述N-外延层表面形成第二掩模层；用光刻刻蚀工艺，在所述第二掩模层上形成第二掩模图形；通过Al离子注入手段形成P+注入区；在所述N-外延层表面形成碳膜，以对N-外延层表面进行保护；通过高温退火，对注入离子进行激活，形成所述N-补偿掺杂区和所述P+区；最后，通过氧化方法去除碳膜。

全文数据：MPS二极管器件及其制备方法技术领域本发明涉及半导体工艺领域，尤其涉及一种MPS二极管器件及其制备方法。背景技术近年来，随着电力电子系统的不断发展，对系统中的功率器件提出了更高的要求。功率二极管是电路系统的关键部件，广泛适用于高频逆变器、数码产品、发电机、电视机等民用产品以及卫星接收装置、导弹飞机等各种先进武器控制系统和仪器仪表设备的军用场合。为了满足低功耗、高频、高温、小型化等应用要求，对功率二极管的耐压、导通电阻、开启压降、反向恢复特性、高温特性的要求也越来越高。为了满足功率和快速开关器件应用的需要，MPS二极管器件的诞生解决了部分难题。MPS二极管器件将肖特基整流管和PiN整流管的优点集于一体，是一种混合型二极管混合PiN和肖特基，它不仅具有较高的反向阻断电压，而且它的通态压降很低，反向恢复时间很短，反向恢复峰值电流很小，具有软的反向恢复特性。更多有关现有MPS二极管器件相关内容，可以参考公开号为CN106298774A和CN105931950A的中国专利申请。发明内容本发明解决的问题是提供一种MPS二极管器件及其制备方法，改善传统MPS二极管器件的正向导通特性。为解决上述问题，本发明提供一种MPS二极管器件及其制备方法，包括：所述器件自下而上包括阴极电极、N+碳化硅衬底、N-外延层和阳极电极；所述N-外延层具有至少两个P+区；相邻两个所述P+区之间具有N-补偿掺杂区，所述N-补偿掺杂区的深度大于所述P+区的深度，所述N-补偿掺杂区的掺杂浓度高于所述N-外延层的掺杂浓度；所述阳极电极包括第一金属和第二金属，所述P+区表面与所述第一金属之间欧姆接触，所述N-补偿掺杂区表面与所述第二金属之间肖特基接触。进一步，所述N-补偿掺杂区直接与相邻两个所述P+区的边缘相连；所述N-补偿掺杂区介于两个相邻的P+区之间，但是与P+区的下边缘不相连。可选的，所述N-补偿掺杂区的掺杂浓度为1×1016atomcm3～1×1017atomcm3。可选的，所述P+区深度为0.8μm～2.0μm，所述N-补偿掺杂区的深度与所述P+区的深度差值为0.1μm～5μm。可选的，所述第一金属为镍，所述第二金属为钛。为解决上述问题，本发明还提供了一种MPS二极管器件的制备方法，包括：在N+碳化硅衬底上形成N-外延层；在所述N-外延层顶部形成N-补偿掺杂区；在所述N-外延层顶部形成P+区；其中，所述N-补偿掺杂区位于相邻两个所述P+区之间，所述N-补偿掺杂区的深度大于所述P+区的深度；在所述P+区表面形成第一金属，所述第一金属与所述P+区表面欧姆接触；在第一金属及N-补偿掺杂区表面同时形成第二金属，所述N-补偿掺杂区与第二金属接触区域形成肖特基接触；在所述N+碳化硅衬底下方形成阴极电极。可选的，所述N-补偿掺杂区采用离子注入进行掺杂，注入的离子为N离子。可选的，在N-外延层形成碳膜，采用高温退火对各区域中的注入离子进行激活，再通过氧化方法去除所述碳膜。可选的，在氩气氛围下实施快速热退火工艺，使所述第一金属形成所述欧姆接触。可选的，采用低温快速热退火，使所述第二金属形成所述肖特基接触。本发明技术方案中，在相邻两个P+区的之间形成N-补偿掺杂区，使整个器件成为具有补偿掺杂结构的碳化硅衬底的MPS二极管器件。其中，N-补偿掺杂区的引入，可以提升器件的导通特性，降低器件的正向压降。而且，由于相应较深的N-补偿掺杂区的存在，当器件在正向导通过程中，N-补偿掺杂区会降低器件势垒高度及导通电阻，从而能够改善器件导通特性，促使器件的正向压降降低，同时使有源区的击穿电压接近终端区的击穿电压。此外，相应较深的N-补偿掺杂区的存在，还可在有源区实现全面均匀击穿。附图说明图1是实施例中MPS二极管器件示意图；图2至图4是制备图1所示MPS二极管器件各步骤对应结构示意图；图5为实施例中MPS二极管器件与传统MPS二极管器件正向伏安特性仿真结果；图6为实施例中MPS二极管器件与传统MPS二极管器件反向伏安特性仿真结果；图7是另一实施例中MPS二极管器件示意图；图8至图10是制备图7所示MPS二极管器件各步骤对应结构示意图；图11为另一实施例中MPS二极管器件与传统MPS二极管器件正向伏安特性仿真结果；图12为另一实施例中MPS二极管器件与传统MPS二极管器件反向伏安特性仿真结果。具体实施方式传统碳化硅衬底的MPS二极管器件，在工作时，存在着相对较低的导通特性和相对较高的正向压降的缺点。为此，本发明提供一种新的MPS二极管器件及其制备方法，以解决上述存在的不足。为更加清楚的表示，下面结合附图对本发明做详细的说明。本发明提供一种MPS二极管器件，所述器件自下而上包括阴极电极、N+碳化硅衬底、N-外延层和阳极电极；所述N-外延层具有至少两个P+区；相邻两个所述P+区之间具有N-补偿掺杂区，所述N-补偿掺杂区的深度大于所述P+区的深度；所述N-补偿掺杂区的掺杂浓度高于所述N-外延层的掺杂浓度；所述阳极电极包括第一金属和第二金属，所述P+区表面与所述第一金属之间欧姆接触，所述N-补偿掺杂区表面与所述第二金属之间肖特基接触。碳化硅具有大的带隙。采用碳化硅作为衬底，在相同耐压下比较时，能够将相关器件在工作时的损耗抑制得较小。需要说明的是，P+区的上表面即为N-外延层的上表面，可知，P+区位于N-外延层的上部分，或者也可以称为顶部。同样的，N-补偿掺杂区的上表面即为N-外延层的上表面，可知，N-补偿掺杂区位于N-外延层的上部分。进一步的，可以设置所述N-补偿掺杂区直接与相邻两个所述P+区相连紧密相连。N-补偿掺杂区直接与相邻两个所述P+区相连有利于减小器件电阻。其它情况下，N-补偿掺杂区与两个相邻的所述P+区之间也可以具有间隙，但是，此时相应的器件电阻相对较大。N-外延层的掺杂浓度通常可以为1×1015atomcm3～1×1016atomcm3，相应的，所述N-补偿掺杂区的掺杂浓度为1×1016atomcm3～1×1017atomcm3，即保证N-补偿掺杂区的掺杂浓度高于N-外延层的掺杂浓度。N-补偿掺杂区的掺杂浓度高于N-外延层的掺杂浓度，保证了制备N-补偿掺杂区的目的效果实现。N-补偿掺杂区的引入，使二极管肖特基接触处的导通电阻减小，从而提升二极管的正向导通特性，降低二极管正向压降，即改善器件导通特性，促使器件的正向压降降低。所述N-补偿掺杂区的深度大于所述P+区的深度。具体的，可以设置所述P+区深度为0.8μm～2.0μm，所述N-补偿掺杂区深度在1.5μm～5.0μm。上述可知，在相邻两个所述P+区之间引入N-补偿掺杂区，并且，设置N-补偿掺杂区的深度大于P+区的深度，从而达到降低二极管器件特征导通电阻的作用。其中，所述第一金属可以为镍，所述第二金属可以为钛。即用于形成欧姆接触的金属可以选取为镍，用于形成肖特基接触的金属可以选取为钛。相邻两个所述P+区之间的间距可以为2μm～4μm。这一间距，可以根据器件的性能参数进行调整，但这一间距影响着N-补偿掺杂区的宽度。特别是N-补偿掺杂区直接与相邻两个所述P+区相连时，这一间距就等于N-补偿掺杂区的宽度。本发明采用碳化硅材料作为二极管器件的衬底材料，在结构上又进行了改进，在碳化硅衬底的MPS二极管器件的结构中，在肖特基接触处下方，制备了N-补偿掺杂区。N-补偿掺杂区的引入，有效降低了二极管肖特基接触处的导通电阻，降低了二极管的正向压降，从而提升了二极管正向导通特性，提高二极管的性能。与此同时，这种器件的击穿电压也会接近终端区电压。此外，这种器件还可在有源区实现全面均匀击穿。本发明还同时提供MPS二极管器件的制备方法，可以用于制备上述MPS二极管器件，因此，所述制备方法和上述二极管结构之间的内容，可以相互参考。所述制备方法包括：在N+碳化硅衬底上形成N-外延层；在所述N-外延层顶部形成N-补偿掺杂区；在所述N-外延层顶部形成P+区；其中，所述N-补偿掺杂区位于相邻两个所述P+区之间，所述N-补偿掺杂区的深度大于所述P+区的深度；在所述P+区表面形成第一金属，所述第一金属与所述P+区表面欧姆接触；在第一金属及N-补偿掺杂区表面同时形成第二金属，所述N-补偿掺杂区与第二金属接触区域形成肖特基接触；在所述N+碳化硅衬底下方形成阴极电极。通常，通过外延生长，在N+碳化硅衬底上形成N-外延层，形成N-外延层后的整体结构，通常可以称为外延片。形成N-补偿掺杂区和P+区的过程可以包括以下步骤：在N-外延层上制备第一掩模层所述第一掩模层的材料可以为二氧化硅；用光刻刻蚀工艺，在第一掩模层上形成第一掩模图形；通过N离子注入手段形成N-补偿注入区即后续N-补偿掺杂区，可知所述N-补偿掺杂区采用离子注入进行掺杂，注入的离子为N离子；清洗掉第一掩模图形，在N-外延层表面形成第二掩模层；用光刻刻蚀工艺，在第二掩模层上形成第二掩模图形；通过Al离子注入手段形成P+注入区即后续P+区；在N-外延层表面形成碳膜，以对N-外延层表面进行保护；通过高温退火，对注入离子进行激活，形成N-补偿掺杂区和P+区等掺杂区；最后，可以通过氧化方法去除碳膜。形成欧姆接触的过程可以包括以下步骤：形成隔离介质层所述隔离介质层的材料可以为二氧化硅，可以采用沉积工艺形成；采用光刻和刻蚀等工艺，刻蚀隔离介质层，以暴露P+区表面，用于形成欧姆接触。在N-外延层表面即此时的外延片正面，沉积第一金属，第一金属为用于形成欧姆接触的金属；需要说明的是，可以同时在外延片背面沉积金属，外延片背面的金属用于作为阴极电极。在氩气氛围下实施快速热退火工艺，形成所述欧姆接触。形成肖特基接触的过程可以包括以下步骤：然后，在外延片正面沉积第二金属，第二金属为用于形成肖特基接触的金属；通过低温快速热退火工艺，使第二金属在肖特基区域即本发明中N-补偿掺杂区上表面形成相应的肖特基接触。最后，还可以在外延片的正面和背面，通过沉积金属工艺，形成厚电极。实施例1图1为本发明实施例提供的一种带有MPS二极管器件结构剖面示意图，包括：N+碳化硅衬底11，N+碳化硅衬底11可以由掺杂浓度为5×1018atomcm3的碳化硅材料构成，厚度可以为350μm；N-外延层12，位于N+碳化硅衬底11之上；阴极电极17，位于N+碳化硅衬底11之下；N-补偿掺杂区14，位于N-外延层12表面附近顶部；P+区13，位于N-补偿掺杂区14周围的N-外延层12表面附近顶部；此时，相邻两个所述P+区13之间为N-补偿掺杂区14；阳极电极未标注覆盖整个P+区13及N-补偿掺杂区14的表面；阳极电极包括第一金属15和第二金属16，N-补偿掺杂区14表面与所述第二金属16之间肖特基接触，P+区13表面与第一金属15之间欧姆接触。本实施例中，N-补偿掺杂区14的深度大于P+区13的深度，N-补偿掺杂区14浓度5×1016atomcm3，深度为2μm。图2至图4并结合图1，示出了图1所示MPS二极管器件的制备过程。图1所示MPS二极管器件的制备步骤如下：请参考图2，在N+碳化硅衬底11上通过外延生长形成N-外延层12，N-外延层掺杂浓度为6×1015atomcm3，厚度为5.5μm；请继续参考图2，在N-外延层12上沉积形成二氧化硅，以作为掩模层未示出，掩模层为厚度2μm；通过光刻和刻蚀等工艺形成掩模图形未示出；并通过N离子注入手段形成N-补偿掺杂区14后续激活，N-补偿掺杂区14浓度5×1016atomcm3，深度为2μm；请继续参考图2，清洗掉前述注入掩模层，在N-外延层12表面再次通过沉积工艺形成新的掩模层未示出，用光刻和刻蚀等工艺形成新的掩模图形未示出，再通过Al离子注入手段形成P+区13后续激活，P+区13浓度1×1019atomcm3，深度1.2μm；利用碳膜溅射机在外延层表面进行碳膜保护，通过高温退火对注入离子进行激活，退火温度1650℃，退火时间45min；通过氧化方法去除碳膜；沉积二氧化硅形成隔离介质层未示出，采用光刻和刻蚀等步骤暴露出P+区欧姆接触区域；请参考图3，沉积第一金属15可以采用镍，在氩气氛围下实施快速热退火工艺，形成欧姆接触；部分金属可以同时形成在外延片的背面，作为阴极电极17，完成后清洗掉正面未反应的镍金属及隔离介质层；请参考图4，对N+碳化硅衬底11背面进行保护形成保护隔离层未示出，在正面沉积第二金属16，通过光刻和刻蚀等工艺，使第二金属16形成电极图形；通过低温快速热退火工艺，使所述电极图形在肖特基区域形成肖特基接触，相应的低温快速热退火的退火温度为500℃，退火时间为2min；外延片的正面可以通过沉积金属形成另一部分的阳极电极；外延片的背面可以通过继续沉积钛、镍或Ag等金属，形成背面的其它部分的阴极电极，可以返回参考图1。图5为实施例中MPS二极管器件与传统MPS二极管器件正向伏安特性仿真结果，图5显示了本实施例中，MPS二极管器件的仿真正向压降情况图中的虚线New所示与传统MPS二极管器件的仿真正向压降情况图中的虚线Old所示。可知，本实施例中的MPS二极管器件正向压降降低。图6为实施例中MPS二极管器件与传统MPS二极管器件反向伏安特性仿真结果，图6显示了本实施例中，MPS二极管器件的仿真反向击穿电压情况图中的虚线New所示与传统MPS二极管器件的仿真反向击穿电压情况图中的虚线Old所示。可知，本实施例中的MPS二极管器件反向击穿电压基本没有大的变化，只是略微降低了一些。综合考虑器件的性能，本实施例的MPS二极管器件仍然具有广阔的运用场合。实施例2图7为本发明实施例提供的另一种带有MPS二极管器件结构剖面示意图，包括：N+碳化硅衬底21，N+碳化硅衬底21可以由掺杂浓度为5×1018atomcm3的碳化硅材料构成，厚度可以为350μm；N-外延层22，位于N+碳化硅衬底21之上；阴极电极27，位于N+碳化硅衬底21之下；N-补偿掺杂区24，位于N-外延层22表面附近顶部；P+区23，位于N-补偿掺杂区24周围的N-外延层22表面附近顶部；此时，相邻两个所述P+区23之间为N-补偿掺杂区24；阳极电极未标注覆盖整个P+区23及N-补偿掺杂区24的表面；阳极电极包括第一金属25和第二金属26，N-补偿掺杂区24表面与所述第二金属26之间肖特基接触，P+区23表面与所述第一金属25之间欧姆接触。与前述实施例不同的是，本实施例中，N-补偿掺杂区24浓度1×1017atomcm3，深度为1.6μm，并且，本实施例中，N-补偿掺杂区24的深度大于P+区23的深度。图8至图10并结合图7，示出了图7所示MPS二极管器件的制备过程。图8所示MPS二极管器件的制备步骤如下：请参考图8，在N+碳化硅衬底21上通过外延生长形成N-外延层22，N-外延层掺杂浓度6×1015atomcm3，厚度为5.5μm；请继续参考图8，在N-外延层22上沉积形成二氧化硅，以作为掩模层未示出，掩模层为厚度2μm；通过光刻和刻蚀等工艺形成掩模图形未示出；并通过N离子注入手段形成N-补偿掺杂区24后续激活，N-补偿掺杂区24掺杂浓度为1×1017atomcm3，深度为1.6μm；请继续参考图8，清洗掉前述注入掩模层，在N-外延层22表面再次通过沉积工艺形成新的掩模层未示出，用光刻和刻蚀等工艺形成新的掩模图形未示出，再通过Al离子注入手段形成P+区23后续激活，P+区23浓度1×1019atomcm3，深度为1.2μm；利用碳膜溅射机在外延层表面进行碳膜保护，通过高温退火对注入离子进行激活，退火温度1650℃，退火时间45min；通过氧化方法去除碳膜；沉积二氧化硅形成隔离介质层未示出，采用光刻和刻蚀等步骤暴露出P+区欧姆接触区域；请参考图9，沉积第一金属25，在氩气氛围下实施快速热退火工艺，形成欧姆接触；部分金属可以同时形成在外延片的背面，作为阴极电极27，完成后清洗掉正面未反应的镍金属及隔离介质层；请参考图10，对N+碳化硅衬底21背面进行保护形成保护隔离层未示出，在正面沉积第二金属26，通过光刻和刻蚀等工艺，使第二金属26形成电极图形；通过低温快速热退火工艺，使所述电极图形在肖特基区域形成肖特基接触，相应的低温快速热退火的退火温度为500℃，退火时间为2min；外延片的正面可以通过沉积金属形成另一部分的阳极电极；外延片的背面可以通过继续沉积钛、镍或Ag等金属，形成背面的其它部分的阴极电极，可以返回参考图7。图11为实施例中MPS二极管器件与传统MPS二极管器件正向伏安特性仿真结果，图11显示了本实施例中，MPS二极管器件的仿真正向压降情况图中的虚线New所示与传统MPS二极管器件的仿真正向压降情况图中的虚线Old所示。可知，本实施例中的MPS二极管器件正向压降明显降低。图12为实施例中MPS二极管器件与传统MPS二极管器件反向伏安特性仿真结果，图12显示了本实施例中，MPS二极管器件的仿真反向击穿电压情况图中的虚线New所示与传统MPS二极管器件的仿真反向击穿电压情况图中的虚线Old所示。可知，本实施例中的MPS二极管器件反向击穿电压相应降低了一些，这是本实施例作出的一种平衡改善器件导通特性，促使器件的正向压降降低，但反向击穿电压略有降低。综合考虑器件的性能，本实施例的MPS二极管器件仍然具有广阔的运用场合。虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

权利要求：1.一种MPS二极管器件，所述MPS二极管器件自下而上包括阴极电极、N+碳化硅衬底、N-外延层和阳极电极；所述N-外延层具有至少两个P+区；其特征在于：相邻两个所述P+区之间具有N-补偿掺杂区，所述补偿掺杂区深度大于所述P+区的深度，所述N-补偿掺杂区的掺杂浓度高于所述N-外延层的掺杂浓度；所述阳极电极包括第一金属和第二金属，所述P+区表面与所述第一金属之间为欧姆接触，所述N-补偿掺杂区表面与所述第二金属之间为肖特基接触。2.如权利要求1所述的MPS二极管器件，其特征在于，所述N-补偿掺杂区直接与相邻两个所述P+区的边缘相连，所述N-补偿掺杂区与所述P+区的下边缘不相连。3.如权利要求1所述的MPS二极管器件，其特征在于，所述N-补偿掺杂区的掺杂浓度为1×1016atomcm3～1×1017atomcm3。4.如权利要求1所述的MPS二极管器件，其特征在于，所述P+区深度为0.8μm～2.0μm，所述N-补偿掺杂区的深度与所述P+区的深度差值为0.1μm～5μm。5.如权利要求1所述的MPS二极管器件，其特征在于，所述第一金属为镍，所述第二金属为钛。6.一种MPS二极管器件的制备方法，其特征在于，包括：在N+碳化硅衬底上形成N-外延层；在所述N-外延层顶部形成N-补偿掺杂区；在所述N-外延层顶部形成P+区；其中，所述N-补偿掺杂区位于相邻两个所述P+区之间，所述N-补偿掺杂区的深度大于所述P+区的深度；在所述P+区表面形成第一金属，所述第一金属与所述P+区表面欧姆接触；在第一金属及N-补偿掺杂区表面同时形成第二金属，所述N-补偿掺杂区与第二金属接触区域形成肖特基接触；在所述N+碳化硅衬底下方形成阴极电极。7.如权利要求6所述的MPS二极管器件的制备方法，其特征在于，所述N-补偿掺杂区采用离子注入进行掺杂，注入的离子为N离子。8.如权利要求6所述的MPS二极管器件的制备方法，其特征在于，在N-外延层形成碳膜，采用高温退火对各区域中的注入离子进行激活，再通过氧化方法去除所述碳膜。9.如权利要求6所述的MPS二极管器件的制备方法，其特征在于，在氩气氛围下实施快速热退火工艺，使所述第一金属形成所述欧姆接触。10.如权利要求9所述的MPS二极管器件的制备方法，其特征在于，采用低温快速热退火，使所述第二金属形成所述肖特基接触。

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