一种采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管及制造方法

1.本发明属于半导体集成电路制造领域，具体涉及一种采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管及制造方法。


背景技术：

2.碳化硅(sic)作为第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有宽禁带宽度、高临界击穿场强、高热导率及高载流子饱和速率等特性。上述材料优势使得sic功率半导体器件在新能源发电、高铁牵引设备、混合动力汽车等中高耐压等级应用领域具有广阔的发展前景。
3.sic器件优化进步的重要方向之一是不断降低器件的比导通电阻。在器件结构方面，可以引入超级结(super-junction,sj)结构来降低器件比导通电阻，进而降低电力电子系统功耗、提高能源效率。但是，由于sic极其稳定的物理化学性质，其加工难度远大于si，所以sic sj结构的制造工艺是其走向实际应用中的重要问题之一。
4.对于离子注入的沟道注入，在sj器件的多次外延生长中，由于sic比si具有更大的密度，在同能量注入下，离子在sic中能形成的注入深度会更小。比如在碳化硅超结肖特基二极管的制造工艺中，需要采用多次外延离子注入的方法实现一定的注入厚度，而外延次数越多，制造成本越大，所以目前需要解决的是减少外延次数。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管及制造方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明实施例提供了一种采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管制造方法，包括步骤：
7.s1、提供碳化硅外延片，其中，所述碳化硅外延片包括层叠的sic n+衬底和第一掺杂类型外延层；
8.s2、在所述第一掺杂类型外延层上依次制备离子注入阻挡层和光刻胶；
9.s3、曝光并显影离子注入区域的所述光刻胶，形成刻蚀窗口，并以剩余光刻胶为掩膜刻蚀所述刻蚀窗口暴露出的离子注入阻挡层，形成离子注入窗口；
10.s4、去除剩余光刻胶；
11.s5、以剩余离子注入阻挡层为掩膜，在所述离子注入窗口暴露出的第一掺杂类型外延层沿着目标晶向沟道进行第二掺杂类型的离子注入，形成第二掺杂类型阱区，第二掺杂类型阱区之间的第一掺杂类型外延层为第一掺杂类型阱区；
12.s6、去除剩余离子注入阻挡层；
13.s7、在所述第一掺杂类型阱区上和所述第二掺杂类型阱区上再次制备第一掺杂类型外延层并重复步骤s2-s6，重复若干次得到第二掺杂类型深阱柱和第一掺杂类型深阱柱。
14.在本发明的一个实施例中，所述第一掺杂类型外延层的材料包括n型sic，所述第二掺杂类型为p型掺杂；
15.或者，所述第一掺杂类型外延层的材料包括p型sic，所述第二掺杂类型为n型掺杂。
16.在本发明的一个实施例中，所述离子注入阻挡层的材料为sio2，厚度为2μm。
17.在本发明的一个实施例中，步骤s3包括：所述剩余光刻胶和剩余离子注入阻挡层向离子注入方向错位，且错位距离大于0且小于或等于0.3μm。
18.在本发明的一个实施例中，所述目标晶向沟道包括沟道、[0001]沟道、沟道中的任一种。
[0019]
在本发明的一个实施例中，当注入剂量小于或等于2
×
10
14
cm-2
时，注入温度范围为常温到100℃；
[0020]
当注入剂量大于2
×
10
14
cm-2
且小于5
×
10
14
cm-2
时，注入温度范围为常温到300℃；
[0021]
当注入剂量大于或等5
×
10
14
cm-2
时，注入温度范围为100℃～300℃。
[0022]
在本发明的一个实施例中，当所述离子注入的能量范围为40kev～700kev、剂量范围为7
×
10
11
cm-2
～4.8
×
10
12
cm-2
时，注入温度为常温。
[0023]
在本发明的一个实施例中，步骤s5之后还包括步骤：
[0024]
s6、在所述第二掺杂类型深阱柱上制备第一欧姆接触电极，在第一掺杂类型深阱柱上制备肖特基接触电极，在所述sic n+衬底的背面制备第二欧姆接触电极，得到碳化硅超结肖特基二极管。
[0025]
本发明的另一个实施例提供了一种采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管，由如上述实施例所述的制造方法制得。
[0026]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0027]
本发明沿着目标晶向沟道进行离子注入，具有以下优势：第一，可以减少晶格损伤，改善器件的电学特性；第二，同一能量注入时沟道注入的峰值比普通注入的峰值深，可以在增大剂量的前提下，可以获得更深的注入深度，从而可以减少超结结构外延工艺次数，降低制造成本；第三，注入时可以使用常温注入或低于常规注入的温度，减少热成本；第四，外延次数减少，时间成本也随之减少。
附图说明
[0028]
图1为本发明实施例提供的一种采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管制造方法的流程示意图；
[0029]
图2为本发明实施例提供的一种离子注入沟道效应示意图；
[0030]
图3a-图3g为本发明实施例提供的一种采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管制造方法的工艺过程示意图；
[0031]
图4为本发明实施例提供的沿沟道注入与常规注入的浓度分布对比图。
具体实施方式
[0032]
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0033]
实施例一
[0034]
请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二
极管制造方法的流程示意图。该制造方法包括步骤：
[0035]
s1、提供碳化硅外延片，其中，碳化硅外延片包括层叠的sic n+衬底1和第一掺杂类型外延层12；
[0036]
s2、在第一掺杂类型外延层12上依次制备离子注入阻挡层13和光刻胶14；
[0037]
s3、曝光并显影离子注入区域的光刻胶14，形成刻蚀窗口8，并以剩余光刻胶14为掩膜刻蚀所述刻蚀窗口8暴露出的离子注入阻挡层13，形成离子注入窗口9；
[0038]
s4、去除剩余光刻胶14；
[0039]
s5、以剩余离子注入阻挡层13为掩膜，在离子注入窗口9暴露出的第一掺杂类型外延层12沿着目标晶向沟道进行第二掺杂类型的离子注入，形成第二掺杂类型阱区16，第二掺杂类型阱区16之间的第一掺杂类型外延层12为第一掺杂类型阱区17；
[0040]
s6、去除剩余离子注入阻挡层13；
[0041]
s7、在第一掺杂类型阱区17上和第二掺杂类型阱区16上再次制备第一掺杂类型外延层并重复步骤s2-s6，重复若干次得到第二掺杂类型深阱柱2和第一掺杂类型深阱柱3。
[0042]
在一个具体实施例中，第一掺杂类型外延层12的材料可以为n型sic，此时，第二掺杂类型为p型掺杂，例如p型al离子；第一掺杂类型外延层12的材料也可以为p型sic，此时，第二掺杂类型为n型掺杂。也就是说，采用本实施例的方法可以在n型sic材料中注入p型掺杂离子，也可以在p型sic材料中注入n型掺杂离子。
[0043]
在一个具体实施例中，目标晶向沟道包括沟道、[0001]沟道、沟道中的任一种。
[0044]
具体的，[0001]、和被确定为4h-sic中的三个主要沟道方向，沟道方向的注入提供了比随机注入更陡峭的轮廓，在掩模边缘下的穿透要小得多。请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种离子注入沟道效应示意图，由于晶体的点阵排列，在某一晶格方向上原子间隙比较大，注入离子沿此方向注入时碰撞概率低，离子进入半导体的深度远大于理论值，这种现象称为沟道效应。
[0045]
具体的，对于每种晶向沟道，通过控制注入角来实现不同晶向沟道的离子注入。例如，当碳化硅外延片为无偏离角度的碳化硅外延片，且沿着沟道进行离子注入时，注入角为离子注入的方向与sic材料表面的法线方向之间形成的17
°
锐角。进一步的，在进行沟道离子注入时，注入角受到注入温度、注入离子浓度等因素的影响，因此，注入角可以有一定的工艺预度，并不限于某一角度数值。
[0046]
进一步，由于离子注入方向与sic材料表面的法线方向之间形成一定角度，因此，进行离子注入时的剩余离子注入阻挡层13需要存在错位，以保证离子可以注入到预定的离子注入区域中，此时剩余光刻胶14也需要存在错位，错位方向为离子注入方向。例如，当离子注入方向偏右时，此时，剩余光刻胶14和剩余离子注入阻挡层13向右错位，使得剩余离子注入阻挡层13左侧和右侧的离子注入区域都可以注入离子。具体的，错位距离大于0且小于或等于0.3μm。
[0047]
在一个具体实施例中，当注入剂量小于或等于2
×
10
14
cm-2
时，注入温度范围为常温到100℃；当注入剂量大于2
×
10
14
cm-2
且小于5
×
10
14
cm-2
时，注入温度范围为常温到300℃；当注入剂量大于或等于5
×
10
14
cm-2
时，注入温度范围为100℃～300℃。
[0048]
需要说明的是，高剂量沟道注入仍会带来晶格损伤，即需要高温退火修复；但是相比于常规注入，沟道注入产生的损伤较小，这是由于沟道效应减少了离子碰撞概率，从而减少了注入损伤。更重要的是，沟道注入时注入温度仍比常规注入需要的温度低，且在300℃的注入温度下，获得的深度仍然是随机注入平均投影范围的3至4倍，所以沟道注入在注入温度的选择上可以增加一些自由度。
[0049]
在一个具体实施例中，步骤s5的循环次数大于或等于3次。
[0050]
具体的，通过步骤s1-s4，在第一次制备的第一掺杂类型外延层12上形成第二掺杂类型阱区16和第一掺杂类型阱区17；之后在该第二掺杂类型阱区16上和剩余的第一掺杂类型外延层12即第一掺杂类型阱区17上再次制备第一掺杂类型外延层12，并重复步骤s2-s4得到新的第二掺杂类型阱区和新的第一掺杂类型阱区；然后继续制备第一掺杂类型外延层12，并重复步骤s2-s4再次得到新的第二掺杂类型阱区和新的第一掺杂类型阱区；如此循环3次或3次以上的次数，由若干层堆叠的第二掺杂类型阱区形成第二掺杂类型深阱柱2，若干层堆叠的第一掺杂类型阱区形成第一掺杂类型深阱柱3。
[0051]
对于sj肖特基势垒二极管的工艺制造最大的难点就是sj的形成，由于sic材料的特性，采用的是离子注入工艺，而sj结构需要很大的深宽比，所以需要注入能量比较大，同时常规的离子注入在较高的剂量下，晶格坍塌会形成非晶态材料，高能量注入也会严重损伤到晶体结构，所以高温下注入是碳化硅掺杂的关键解决方案之一，现在通常在400℃～600℃之间进行注入，更严重的是注入损伤超过临界阈值时，会导致较差的电学特性，其次al离子在碳化硅中的热扩散系数很低，在退火过程中不会发生al离子的再分布，因此结深主要受到注入能量的限制。而本实施例沿着目标晶向沟道进行离子注入，有以下几点优势：1.可以减少晶格损伤，改善器件的电学特性，2.同一能量注入时沟道注入的峰值比普通注入的峰值深。对于高深宽比的sj结构的制造，使用多次注入-外延工艺流程来实现。应用沟道注入技术，可以在增大注入剂量的前提下，可以获得更深的注入深度，以此来减少超结结构外延工艺次数和制造成本。3.其分布更接近盒型分布，减少离子注入次数和制造成本；4.注入时，可以使用常温注入或低于常规注入的温度，减少热成本；5.外延次数减少，时间成本也随之减少。
[0052]
请参见图3a-图3g，图3a-图3g为本发明实施例提供的一种采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管制造方法的工艺过程示意图。
[0053]
以在n型sic材料多次外延注入al离子形成p柱，采用沿沟道常温离子注入，注入角为离子注入的方向与sic材料表面的法线方向之间形成的17
°
锐角为例，该采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管制造方法包括步骤：
[0054]
s1、提供碳化硅外延片。
[0055]
首先，清洗碳化硅外延片，并用hf腐蚀除去该碳化硅外延片外表面的自然氧化层，得到去除了自然氧化层的碳化硅外延片，提供无偏离角度的碳化硅外延片，其结构如图3a所示。从图3a可以看出，去除了自然氧化层的碳化硅外延片包括sic n+衬底1和位于sic n+衬底1上表面的第一掺杂类型外延层12，其中，sic n+衬底1为高掺杂的n型碳化硅衬底层，第一掺杂类型外延层12为n-外延层。
[0056]
s2、在第一掺杂类型外延层12上依次制备离子注入阻挡层13和光刻胶14，如图3b所示。
[0057]
在一个具体实施例中，离子注入阻挡层13的材料为sio2。
[0058]
具体的，在去除了自然氧化层的碳化硅外延片的n-外延层12上表面采用热生长或者pecvd法沉积sio2，将其作为离子注入阻挡层13，sio2的厚度为2μm。然后在离子注入阻挡层13的表面涂敷光刻胶14。
[0059]
s3、曝光并显影离子注入区域的光刻胶14，形成刻蚀窗口8，并以剩余光刻胶14为掩膜刻蚀所述刻蚀窗口8暴露出的离子注入阻挡层13，形成离子注入窗口9。
[0060]
具体的，在掩膜板下曝光并显影离子注入区域的光刻胶14，形成刻蚀窗口8，使掩膜层sio2的待刻蚀区域暴露出来，如图3c所示；然后以剩余光刻胶14为掩膜，刻蚀所述刻蚀窗口8暴露出来的sio2离子注入阻挡层13，形成了离子注入窗口9，如图3d所示。
[0061]
s4、去除剩余光刻胶14。
[0062]
具体的，采用干法工艺中的灰化ashing来去除光刻胶。
[0063]
s5、以剩余离子注入阻挡层13为掩膜，在离子注入窗口9暴露出的第一掺杂类型外延层12沿着目标晶向沟道进行第二掺杂类型的离子注入，形成第二掺杂类型阱区16，第二掺杂类型阱区16之间的第一掺杂类型外延层12为第一掺杂类型阱区17，如图3e所示。
[0064]
具体的，以剩余sio2离子注入阻挡层13为掩膜，在离子注入窗口9暴露出的第一掺杂类型外延层12沿沟道进行al离子注入，在常温下进行不同能量和剂量组合的al离子注入，注入能量范围为：40kev～700kev，剂量的范围为7
×
10
11
cm-2
～4.8
×
10
12
cm-2
，例如，注入能量可以为700kev、450kev、280kev、170kev、90kev、40kev，注入的剂量可以为4.8
×
10
12
cm-2
、1.5
×
10
12
cm-2
、1.5
×
10
12
cm-2
、0.9
×
10
12
cm-2
、0.7
×
10
12
cm-2
、0.7
×
10
12
cm-2
，得到p阱15，p阱15之间的n-外延层形成n阱16。需要说明的是，上述能量和注入计量也仅是列举，其他可以满足实际设计需要的能量和注入计量也是可以的。只需要在常温下完成需要掺杂浓度即可。
[0065]
本实施例提供的碳化硅外延片为无偏离角度的碳化硅外延片，此时晶向的注入角为17
°
；若碳化硅外延片为存在偏离角度的碳化硅外延片，需要重新确定不同晶向的注入角度。
[0066]
请参见图4，图4为本发明实施例提供的沿沟道注入与常规注入的浓度分布对比图，其中，沿沟道注入为注入角为(0001)晶面偏17
°
，常规注入为注入角为(0001)晶面偏4
°
。从图4可以看出，在相同的能量700kev和相同剂量的条件下，沟道注入的峰值比普通注入峰值更深。
[0067]
进一步，离子注入完后，采用高温退火来消除晶格损伤以及激活离子。为了保护高温退火过程中的4h-sic表面，抑制其粗糙度的增加，退火时在sic表面覆盖一层碳膜，退火之后，在o2气氛下经过1150℃干氧氧化数十分钟，碳膜可以完全去除。
[0068]
s6、去除剩余离子注入阻挡层13。
[0069]
具体的，使用缓冲氧化物刻蚀(boe)溶液去除剩余离子注入阻挡层13。
[0070]
s7、在第一掺杂类型阱区17上和第二掺杂类型阱区16上再次制备第一掺杂类型外延层并重复步骤s2-s6，重复若干次得到第二掺杂类型深阱柱2和第一掺杂类型深阱柱3，如图3f和图3g所示，其中，图3g中每个虚线表示重复一次步骤s2-s6，虚线之间的区域表示每次外延形成的第一掺杂类型阱区17和第二掺杂类型阱区16。
[0071]
具体的，在第一掺杂类型阱区17上和第二掺杂类型阱区16上进行二次外延，生长新的n-外延层18，并重复步骤s2-s6，在n-外延层18中形成新的p阱和n阱。之后，重复3次以上该步骤，即重复外延生长n-外延层并进行离子注入，形成多层p阱和多层n阱，从而由多层p阱形成p型深阱柱2，多层n阱形成n型深阱柱3。
[0072]
s8、在第二掺杂类型深阱柱2上制备第一欧姆接触电极4，在第一掺杂类型深阱柱3上制备肖特基接触电极5，在sic n+衬底1的背面制备第二欧姆接触电极6，得到碳化硅超结肖特基二极管，如图3g所示。
[0073]
本实施例还提供了一种采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管，该二极管由上述制造方法采用较少的外延次数制得，包括sic n+衬底1、第二掺杂类型深阱柱2、第一掺杂类型深阱柱3、第一欧姆接触电极4、肖特基接触电极5和第二欧姆接触电极6，其中，第二欧姆接触电极6位于sic n+衬底1的背面，第二掺杂类型深阱柱2位于sic n+衬底1的上表面，第一掺杂类型深阱柱3位于sic n+衬底1的上表面且位于第二掺杂类型深阱柱2之间，第一欧姆接触电极4位于第二掺杂类型深阱柱2上，肖特基接触电极5位于第一掺杂类型深阱柱3上。该二极管具有晶格损伤较小，电学特性较优的优点。
[0074]
综上，本实施例的方法可以有效解决减少超结制造外延次数，为后续的sic超结器件工艺制造提供新的思路。
[0075]
以上内容是结合具体的优选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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管制造方法，其特征在于，包括步骤：s1、提供碳化硅外延片，其中，所述碳化硅外延片包括层叠的sic n+衬底(1)和第一掺杂类型外延层(12)；s2、在所述第一掺杂类型外延层(12)上依次制备离子注入阻挡层(13)和光刻胶(14)；s3、曝光并显影离子注入区域的所述光刻胶(14)，形成刻蚀窗口(8)，并以剩余光刻胶(14)为掩膜刻蚀所述刻蚀窗口(8)暴露出的离子注入阻挡层(13)，形成离子注入窗口(9)；s4、去除剩余光刻胶(14)；s5、以剩余离子注入阻挡层(13)为掩膜，在所述离子注入窗口(9)暴露出的第一掺杂类型外延层(12)沿着目标晶向沟道进行第二掺杂类型的离子注入，形成第二掺杂类型阱区(16)，第二掺杂类型阱区(16)之间的第一掺杂类型外延层(12)为第一掺杂类型阱区(17)；s6、去除剩余离子注入阻挡层(13)；s7、在所述第一掺杂类型阱区(17)上和所述第二掺杂类型阱区(16)上再次制备第一掺杂类型外延层并重复步骤s2-s6，重复若干次得到第二掺杂类型深阱柱(2)和第一掺杂类型深阱柱(3)。2.根据权利要求1所述的采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管制造方法，其特征在于，所述第一掺杂类型外延层(12)的材料包括n型sic，所述第二掺杂类型为p型掺杂；或者，所述第一掺杂类型外延层(12)的材料包括p型sic，所述第二掺杂类型为n型掺杂。3.根据权利要求1所述的采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管制造方法，其特征在于，所述离子注入阻挡层(13)的材料包括sio2，厚度为2μm。4.根据权利要求1所述的采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管制造方法，其特征在于，所述剩余光刻胶(14)和剩余离子注入阻挡层(13)向离子注入方向错位，且错位距离大于0且小于或等于0.3μm。5.根据权利要求1所述的采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管制造方
‑‑
法，其特征在于，所述目标晶向沟道包括[1123]沟道、[0001]沟道、[1120]沟道中的任一种。6.根据权利要求1所述的采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管制造方法，其特征在于，当注入剂量小于或等于2
×
10
14
cm-2
时，注入温度范围为常温到100℃；当注入剂量大于2
×
10
14
cm-2
且小于5
×
10
14
cm-2
时，注入温度范围为常温到300℃；当注入剂量大于或等于5
×
10
14
cm-2
时，注入温度范围为100℃～300℃。7.根据权利要求6所述的采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管制造方法，其特征在于，当所述离子注入的能量范围为40kev～700kev、剂量范围为7
×
10
11
cm-2
～4.8
×
10
12
cm-2
时，注入温度为常温。8.根据权利要求1所述的采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管制造方法，其特征在于，步骤s5之后还包括步骤：s6、在所述第二掺杂类型深阱柱(2)上制备第一欧姆接触电极(4)，在第一掺杂类型深阱柱(3)上制备肖特基接触电极(5)，在所述sic n+衬底(1)的背面制备第二欧姆接触电极(6)，得到碳化硅超结肖特基二极管。9.一种采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管，其特征在于，由如权利要求1-8任一项所述的制造方法制得。

技术总结
本发明涉及一种采用沟道注入的碳化硅超结肖特基二极管及制造方法，方法包括：提供碳化硅外延片；在第一掺杂类型外延层上依次制备离子注入阻挡层和光刻胶；曝光并显影离子注入区域的光刻胶形成刻蚀窗口，以剩余光刻胶为掩膜刻蚀刻蚀窗口暴露出的离子注入阻挡层，形成离子注入窗口；去除剩余光刻胶；以剩余离子注入阻挡层为掩膜，在离子注入窗口暴露出的第一掺杂类型外延层沿着目标晶向沟道进行第二掺杂类型的离子注入，形成第二掺杂类型阱区和第一掺杂类型阱区；去除剩余离子注入阻挡层；再次制备第一掺杂类型外延层并重复上述步骤，得到第二掺杂类型深阱柱和第一掺杂类型深阱柱。本发明可以减少超结结构外延工艺次数，降低制造成本。造成本。造成本。


技术研发人员：韩超 姚彤 袁昊 宋庆文 白博仪 陶利 王东 吴勇
受保护的技术使用者：西安电子科技大学芜湖研究院
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/9/11