垂直导电碳化硅电子器件以及半导体器件结构的制作方法

1.本公开涉及一种垂直导电碳化硅电子器件和半导体器件结构。


背景技术：

2.如已知的，碳化硅(sic)电子器件，例如结势垒肖特基(jbs)二极管，合并引脚肖特基(mps)二极管和mosfet晶体管，具有比硅电子器件更好的性能，特别是对于其中采用高工作电压或其它特定工作条件(例如高温)的功率应用。
3.一种用于功率应用的碳化硅电子器件，以下称为功率器件，包括碳化硅主体，前金属区和后金属区。在使用中，电流可以流过前金属区和后金属区之间的碳化硅主体。
4.从具有前表面和后表面的碳化硅晶片获得功率器件是已知的，所述碳化硅晶片为其多种类型之一，例如3c－sic，4h－sic和6h－sic。


技术实现要素：

5.本公开提供了一种垂直导电碳化硅电子器件以及一种半导体器件结构，以至少部分地解决现有技术中存在的问题。
6.本公开的一方面提供了一种垂直导电碳化硅电子器件，包括：碳化硅主体；以及硅化物的接触区域，在所述主体上，所述接触区域包括连接表面，其中所述接触区域包括在所述连接表面上的多个第一硅化物突起部，所述多个第一突起部具有高于阈值的密集度。
7.根据一个或多个实施例，其中所述阈值为约2000个突起部/mm2。
8.根据一个或多个实施例，其中所述多个第一突起部中的每个第一突起部具有的尺寸在约0.5μm至约2μm之间。
9.根据一个或多个实施例，器件包括在接触区域上的金属化层。
10.根据一个或多个实施例，其中所述主体包括位于所述主体的与所述接触区域相接的表面上的多个第二突起部。
11.根据一个或多个实施例，器件还包括在所述主体的与所述接触区域相对的一侧上的漂移层。
12.根据一个或多个实施例，器件还包括所述漂移层上的连接结构。
13.本公开的另一方面提供了一种半导体器件结构，包括：碳化硅主体，所述碳化硅主体包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第二表面包括多个第一突起部；硅化物层，在所述第二表面上；以及漂移层，在所述第一表面上。
14.根据一个或多个实施例，其中所述硅化物层包括在所述硅化物层的远离所述碳化硅主体的表面上的多个第二突起部。
15.利用本公开的实施例有利地允许电子器件较少受到机械缺陷的影响，例如欧姆连接区域的断裂和分层。
附图说明
16.为了更好地理解本公开，现在参考附图描述非限制性实施例，其中：
17.图1示出了根据本制造工艺的包括碳化硅晶片的工作体的横截面；
18.图2是图1的工作体的俯视图；
19.图3－图7是图1的工作体在随后的制造步骤中的截面图；
20.图8是图7的工作体的表面的示例性显微图像；
21.图9是图8的显微图像的放大细节；
22.图10是在随后的制造步骤中图7的工作体的截面图；以及
23.图11是本电子器件的截面图。
具体实施方式
24.像晶体管、二极管、电阻器等的器件通常从前表面形成在碳化硅主体中。然后，在前表面上形成前金属区，以相互连接集成器件，并允许功率器件与外部电路部件和/或级的连接。
25.此外，处理晶片的背面，从而形成背面金属区域。
26.为此，在背面上沉积金属层，例如镍或钛。
27.然后，使用激光束加热金属层并使金属层与晶片的碳化硅完全反应，从而形成硅化物层，例如硅化钛或硅化镍。
28.随后，在硅化物层上沉积金属化层。
29.在包括切割的最终制造步骤之后，获得功率器件。
30.发明人已经证实的是，在一些现有的解决方案中，功率器件的硅化物层具有低的机械稳定性。例如，在现有器件的一些可靠性测试期间，发明人已经观察到硅化物层具有从碳化硅主体分层或机械断裂的高概率，从而导致功率器件的故障。
31.图1和2示出了笛卡尔参考系xyz中的工作体1，其包括第一轴线x，第二轴线y和第三轴线z。
32.工作体1已经经历了初始制造步骤。
33.工作体1由具有第一表面5a和第二表面5b的碳化硅的多型体之一(例如3c－sic，4h－sic和6h－sic)的碳化硅晶片5以及在晶片5的第一表面5a上延伸的连接结构层8形成。
34.晶片5包括工作衬底12和器件层15，工作衬底12形成晶片5的第二表面5b并且具有包括例如在275μm和375μm之间，例如大约350μm的厚度，器件层15形成晶片5的第一表面5a并且直接在工作衬底12上延伸。
35.器件层15可以是工作衬底12的一部分，或者可以是生长在工作衬底12上的外延层。
36.器件层15包括电流传导区，这里未示出，其结构、数目和配置取决于具体应用。
37.例如，器件层15可以包括漂移层和一个或多个注入区，根据具体应用，注入区可以形成例如源区和体区，在图11中为了说明的目的示出了其示例。
38.在一个实施例中，器件层15还可以包括栅极结构。在一个实施例中，器件层15可以是多层，不同的器件结构集成在各个层中。
39.连接结构层8包括形成用于器件层15的电互连结构的一个或多个金属层。
40.根据实施例，连接结构层8还可以包括形成钝化结构的一层或多层绝缘材料。
41.器件层15和连接结构层8形成至少一个管芯部分，这里是多个管芯部分18。
42.每个管芯部分18用于在切割工作主体1之后形成相应的电子器件。
43.每个管芯部分18具有占据晶片5的第一表面5a的区域的相应部分的管芯区域。
44.在图2中，为了简单起见，用虚线示意性地表示管芯部分18。
45.例如，在该实施例中，每个管芯部分18在俯视图中具有矩形形状。仅作为示例，管芯面积可以是大约数平方毫米，例如大约4mm
×
5mm。
46.随后，如图3和4所示，工作衬底12经历减薄步骤，从而形成具有粗糙表面13a的减薄衬底13。
47.在一个实施例中，如图3所示，工作主体1被倒置翻转，并且从晶片5的第二表面5b减薄工作衬底12。
48.然而，例如根据在减薄步骤中使用的特定机械，可以减薄工作衬底12而不将工作主体1颠倒翻转。
49.例如，这里，晶片5的第二表面5b通过使用具有研磨表面21的砂轮19进行研磨。
50.通过在研磨表面21和晶片5的第二表面5b之间施加摩擦，例如在此通过在砂轮19和工作主体1之间围绕平行于第三轴线z的轴线施加相对旋转，使工作衬底12减薄。
51.图4示出了工作衬底12减薄并因此形成减薄衬底13之后的工作主体1。
52.减薄衬底13的厚度包括在例如100μm和250μm之间，例如约180μm，并且在器件层15和粗糙表面13a之间延伸。
53.在一些实施例中，在减薄步骤之后，减薄的衬底13的粗糙表面13a形成晶片5的第二表面，其因此也由13a表示。
54.粗糙表面13a具有例如可通过原子力显微镜(afm)以已知方式测量的粗糙度，其均方根值(rms)等于或高于30nm，例如包括在30nm和100nm之间。
55.在设计阶段，具体选择砂轮19的研磨表面21，以便获得粗糙表面13a的所述粗糙度。例如，研磨表面21被选择为具有粗筛目，其筛目尺寸包括例如在500与1500之间，例如大约1000。研磨表面21实质上包括研磨颗粒；较高的筛目尺寸表示较小尺寸的磨粒，并可用于获得较小粗糙度的粗糙表面13a。
56.然后，在图5中，接触层20沉积在粗糙表面13a上，形成工作体1的接触表面22。
57.接触层20是金属材料，例如镍，钛或镍和硅的合金，并且具有平行于第三轴z测量的厚度，包括例如在10nm和200nm之间，例如大约100nm。
58.随后，在图6中，工作体1，例如接触层20，经历退火步骤，例如激光退火。
59.例如，激光源30用于生成光束33并将光束33聚焦在接触表面22上。
60.光束33具有高于3j/cm2的能量密度，例如包括在3.0j/cm2和4.4j/cm2之间，例如3.8j/cm2。
61.光束33具有包括在例如290nm和370nm之间的波长，例如310nm。
62.光束33可以是脉冲光束，其中每个激光脉冲的持续时间包括例如在100ns和300ns之间，例如160ns。
63.光束33在接触表面22上具有光束覆盖区35。
64.光束覆盖区35可以在接触表面22上形成多边形，圆形或任何其它形状，例如方形。
65.在退火步骤期间，激光源30将激光束33聚焦在接触表面22上，即，光束覆盖区35形成接触表面22的被照射部分。
66.例如，接触表面22的每个部分可以由激光束33的一个或多个脉冲或照射来照射，例如包括在一个和五个之间。
67.激光束33被接触层20和部分减薄衬底13吸收。所吸收的光局部地生成热量，即直接在接触表面22的被照射部分的下方生成热量，例如从接触表面22到几微米的深度。
68.所生成的热量使接触层20和减薄的衬底13在粗糙表面13a的相应部分处局部反应，形成硅化物，例如硅化镍或硅化钛。
69.根据一个实施例，光束覆盖区35可以具有比接触表面22小得多的面积。
70.例如，在方形形状的情况下，波束覆盖区35可以具有例如包括在8mm和36mm之间的侧面，例如可以是大约10mm。
71.因此，为了引起整个接触层20与减薄的衬底13的反应，可以使用步进重复(step－and－repeat)方法扫描接触表面22。
72.接触表面22可以通过在接触表面22的两个相邻的被照射部分之间移动光束覆盖区35而被扫描，移动的步长近似等于光束覆盖区35的侧边。
73.例如，在第一近似处，光束覆盖区35可以相对于接触表面22移动，使得在接触表面22的两个相邻被照射部分之间没有重叠。因此，激光退火步骤的产量可以最大化。
74.图7示出了在接触表面22已经被激光束33完全曝光之后的工作体1，由此引起接触层20与减薄衬底13的完全反应并形成欧姆层50。
75.欧姆层50是硅化物，并且在对应于粗糙表面13a的第一表面50a和对应于接触表面22的第二表面50b之间延伸。
76.欧姆层50可以比接触层20厚，因为减薄衬底13的一部分也已经反应形成欧姆层50。
77.图8是欧姆层50的第二表面50b的一部分的示例显微图像。
78.欧姆层50的第二表面50b包括多个硅化物突起部53，其在图8中作为亮点在欧姆层50的第二表面50b上可见。
79.图9是图8中用圆圈表示的欧姆层50的第二表面50b的部分区域54的放大显微图像。
80.突起部53基本上各自具有球形形状并且直径包括例如在0.5μm与2μm之间，例如在1μm与2μm之间。
81.然而，突起部53可以具有不同的形状并且各自具有平行于第三轴线z测量的高度，和/或平行于第一轴线x和/或第二轴线y测量的宽度，该宽度包括在0.5μm与2μm之间，例如在1μm与2μm之间。
82.突起部53在欧姆层50的第二表面50b上的密集度高于2000个突起部/mm2，例如包括在2000个突起部/mm2和20000个突起部/mm2之间。
83.突起部53的密集度和分布取决于粗糙表面13a的粗糙度。例如，突起部53可以随机分布在欧姆层50的第二表面50b上，或者可以具有特定的分布，这取决于在减薄步骤期间使用的机械和参数。
84.此外，可通过调整粗糙表面13a的粗糙度，接触层20的厚度和退火步骤的参数(例
如激光束33的参数)来调整突起部53的尺寸。
85.粗糙表面13a的粗糙度增强了在接触层20和减薄衬底13之间的硅化物反应期间，即在退火步骤期间原子的不均匀成核，从而形成硅化物的突起部53。
86.在图10中，在欧姆层50的第二表面50b上沉积金属化层60。金属化层60可以是单个金属层或不同金属层的叠层，例如ti/niv/ag。
87.金属化层60可用于随后的制造步骤，例如组装工艺如烧结和扩散焊接。
88.然后对工作主体1进行已知的最终制造步骤，例如切割，由此形成用于每个管芯部分18的电子器件100(图11)。
89.电子器件100包括管芯103，管芯103包括具有第一表面105a和第二表面105b的主体105，第一表面105a对应于晶片5的第一表面5a，第二表面105b对应于欧姆层50的第一表面50a。
90.主体105包括衬底107(对应于减薄的衬底13并形成第二表面105b)和器件区109(对应于器件层15并形成第一表面105a)。
91.根据电子器件100的具体类型和具体应用，器件区109，如以上对于器件层15所讨论的，容纳各种种类和尺寸的功能区。
92.例如，电子器件100可以是jbs或mps二极管。在此情况下，如图11中通过实例展示，器件区109形成第一导电类型(例如，n型)的漂移区111，其容纳第二导电类型(例如，p型)的两个植入区113。
93.在一些实施例中，如图11中的示例所示，电子器件100可以是mosfet器件。在这种情况下，漂移区111容纳第二导电类型的体区115，第一导电类型的源区117和电介质材料的绝缘栅极区120(在图11中用虚线表示)。
94.管芯103包括欧姆连接区域123，其对应于欧姆层50，在主体105的第二表面105b上延伸并且形成金属化接触表面，该金属化接触表面对应于欧姆层50的第二表面50b并因此由相同的附图标记表示。
95.管芯103还包括对应于金属化层60并在金属化接触表面50b上延伸的背面金属化区域125。
96.管芯103还包括对应于连接结构层8的连接结构区域127，其在主体105的第一表面105a上延伸。
97.例如，器件区109和连接结构区127对应于各自的管芯部分18(图2)。
98.在一些实施例中，电子器件100具有由图11中的虚线箭头示意性表示的电流路径128，其在连接结构区域111和背面金属化区域125之间延伸穿过主体105。
99.在一些实施例中，取决于器件区域109的具体结构，即，取决于电子器件100的类型，电流可以流过电流路径128。
100.欧姆连接区域123显示出高机械稳定性。
101.欧姆连接区域123在第二表面50b上包括参考图8和9描述的突起部53，其数量是欧姆连接区域123的第二表面50b的面积和突起部53的密集度的函数。
102.例如，通过考虑突起部53的密集度为2000个突起部/mm2并且欧姆连接区域123的第二表面50b的面积(仅作为示例)为约10mm2，欧姆连接区域123的第二表面50b具有近似等于2
·
104的突起部数量。
103.发明人已经证实的是，突起部53用作欧姆连接区域123的锚定区，从而增加其机械强度。因此，电子器件100较少受到机械缺陷的影响，例如欧姆连接区域123的断裂和分层。
104.例如，由申请人执行的电子器件100的剪切测试示出了电子器件100的剪切强度相对于其中电子器件100已经被制造而没有形成粗糙表面13a的情况平均增加了大约24％。
105.此外，由申请人在使测试器件经受一百次热循环之后进行的电子器件100的剪切测试示出了电子器件100的剪切强度相对于其中电子器件100已经被制造而没有形成粗糙表面13a的情况的平均增加高达99％。
106.同时，欧姆连接区域123确保与衬底107的良好电接触，例如欧姆接触。因此，电子器件100还保持良好的电性能。
107.此外，衬底107是薄的事实，例如包括在100μm和250μm之间，例如大约180μm，并且突起部53的存在允许减小电流路径128的导通电阻。因此，电子器件100具有低功耗。
108.另外，可以优化图6的激光退火步骤的产量，即，通过扫描接触表面22而不重叠接触表面22的相邻照射部分。因此，电子器件100的制造成本可以保持较低。
109.需要注意的是，通过在合理的处理时间内机械研磨数百微米的衬底材料，晶片衬底减薄通常需要使用具有大尺寸磨粒的砂轮。这在晶片的背面上留下高度约束的层，导致晶片上高水平的弯曲和翘曲，这使得在随后的制造工艺步骤中难以处理晶片。因此，在传统的晶片薄化中，使用具有较小尺寸的磨粒的第二砂轮，其生成光滑，弱应变的背面表面。对于硅衬底晶片，传统上对晶片背面进行进一步的化学侵蚀，以去除一部分残余应变顶层，并进一步减小晶片背面粗糙度和晶片弯曲/翘曲。然而，对于碳化硅晶片衬底没有方便的化学性质，因此选择第二砂轮晶粒尺寸和磨削工艺参数以获得均方根值(rms)的平滑晶片背面，该均方根值通常低于10nm，例如包括在10nm和3nm之间。
110.尽管平滑的、低约束水平的晶片背面对于晶片处理是理想的，但是本发明人令人惊讶地发现，保持粗糙的背面表面高度增加了欧姆区的机械坚固性及其对碳化硅衬底的粘附性。以仍然被认为是可接受的稍微困难的晶片处理为代价，这可以解决与形成在碳化硅衬底上的垂直集成功率器件中的欧姆区相关的断裂和分层问题。
111.显然，在不脱离如所附权利要求中限定的本公开的范围的情况下，可以对本实用新型的制造方法和相应的电子器件进行修改和变化。
112.粗糙表面13a可以通过增加晶片5的第二表面5b的粗糙度而不减薄工作衬底12来获得，例如通过其它特定的化学和/或物理表面处理。
113.工作衬底12的减薄步骤可以通过不同于研磨的工艺来执行，例如激光切割，其被设计为获得具有粗糙表面13a的减薄衬底13。
114.一种用于从包括具有工作面(5b)的碳化硅衬底(12)的工作晶片(5)制造垂直导电碳化硅电子器件的工艺，所述工艺可概括为包括从所述碳化硅衬底的所述工作面形成粗糙面(13a)，所述粗糙面具有高于阈值的粗糙度；在粗糙面上沉积金属层(20)；以及对金属层进行退火，从而使金属层与碳化硅衬底反应，形成具有多个硅化物突起部(53)的硅化物层(50)。
115.该阈值可以是粗糙面(13a)的粗糙度的均方根值，该均方根值等于或高于30nm。
116.形成粗糙面(13a)可以包括从工作面(5b)减薄碳化硅衬底(12)，从而形成具有粗糙面(13a)的减薄层(13)。
117.可以通过在工作面上用研磨表面(21)研磨碳化硅衬底来形成减薄层(13)。
118.研磨表面可具有1500－500的筛目尺寸。
119.减薄的层(13)可以具有在100μm与250μm之间的厚度。
120.金属层(20)可以具有接触面(22)，并且退火金属层可以包括用激光束(33)对金属层的接触面进行激光退火。
121.激光束(33)可以具有小于接触面的覆盖区(35)，并且激光退火可以包括使用步进重复类型的扫描用激光束(33)扫描整个接触面(22)。
122.激光束(33)可以在接触面(22)上具有覆盖区(35)，激光退火接触面可以包括扫描接触面，使得接触面的两个相邻照射部分具有近似零的相互重叠。
123.激光束(33)可以具有高于3j/cm2的能量密度。
124.该工艺可进一步包括在硅化物层(50)上沉积金属化层(60)。
125.在管芯(103)中形成的垂直导电碳化硅电子器件可以概括为包括碳化硅主体(105，107)；以及硅化物接触区域(123)，其在所述主体上延伸并形成连接表面(50b)，其中所述接触区域包括硅化物的多个突起部(53)，所述多个突起部在所述连接表面上具有高于阈值的密度。
126.阈值可以是大约2000个突起部/mm2。
127.每个突起部可以具有在0.5μm和2μm之间的尺寸。
128.本公开的一方面提供了一种用于制造垂直导电碳化硅电子器件的方法，所述方法包括：由碳化硅衬底的第一面形成粗糙面，所述粗糙面具有高于阈值的粗糙度；在所述粗糙面上沉积金属层；以及通过对所述金属层进行退火来形成硅化物层，所述硅化物层具有多个硅化物突起部。
129.根据一个或多个实施例，其中所述阈值是所述粗糙面的粗糙度的均方根值，所述均方根值等于或高于30nm。
130.根据一个或多个实施例，其中形成所述粗糙面包括从所述第一面减薄所述碳化硅衬底，从而形成具有所述粗糙面的减薄层。
131.根据一个或多个实施例，其中形成所述粗糙面包括用研磨表面研磨所述碳化硅衬底的、位于所述第一面上的所述减薄层。
132.根据一个或多个实施例，其中所述研磨表面的筛目尺寸在约1500至约500之间。
133.根据一个或多个实施例，其中所述减薄层具有的厚度在约100μm至约250μm之间。
134.根据一个或多个实施例，其中所述金属层具有接触面，并且对所述金属层进行退火包括用激光束对所述金属层的所述接触面进行激光退火。
135.根据一个或多个实施例，其中所述激光束具有小于所述接触面的覆盖区，并且所述激光退火包括使用步进重复式扫描来利用所述激光束扫描整个接触面。
136.根据一个或多个实施例，其中所述激光束在所述接触面上具有覆盖区，并且所述接触面的所述激光退火包括扫描所述接触面，使得所述接触面的两个相邻的被照射部分具有大约为零的相互重叠。
137.根据一个或多个实施例，其中所述激光束具有高于3j/cm2的能量密度。
138.根据一个或多个实施例，方法还包括在所述硅化物层上沉积金属化层。
139.上述各种实施例可以组合以提供另外的实施例。如果需要，可以修改实施例的各
方面以采用各种实施例的概念来提供另外的实施例。
140.根据上述详细描述，可以对实施例进行这些和其它改变。通常，在下面的权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制到在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应该被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求被授权的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

技术特征：
1.一种垂直导电碳化硅电子器件，其特征在于，包括：碳化硅主体；以及硅化物的接触区域，在所述主体上，所述接触区域包括连接表面，其中所述接触区域包括在所述连接表面上的硅化物的多个第一突起部，所述多个第一突起部具有高于阈值的密集度。2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述阈值为约2000个突起部/mm2。3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述多个第一突起部中的每个第一突起部具有的尺寸在约0.5μm至约2μm之间。4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，包括在接触区域上的金属化层。5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述主体包括位于所述主体的与所述接触区域相接的表面上的多个第二突起部。6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，还包括在所述主体的与所述接触区域相对的一侧上的漂移层。7.根据权利要求6所述的器件，其特征在于，还包括所述漂移层上的连接结构。8.一种半导体器件结构，其特征在于，包括：碳化硅主体，所述碳化硅主体包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第二表面包括多个第一突起部；硅化物层，在所述第二表面上；以及漂移层，在所述第一表面上。9.根据权利要求8所述的半导体器件结构，其特征在于，所述硅化物层包括在所述硅化物层的远离所述碳化硅主体的表面上的多个第二突起部。

技术总结
本公开的实施例涉及垂直导电碳化硅电子器件以及半导体器件结构。一种垂直导电碳化硅电子器件，包括：碳化硅主体；以及硅化物的接触区域，在所述主体上，所述接触区域包括连接表面，其中所述接触区域包括在所述连接表面上的多个第一硅化物突起部，所述多个第一突起部具有高于阈值的密集度。利用本公开的实施例有利地允许电子器件较少受到机械缺陷的影响，例如欧姆连接区域的断裂和分层。欧姆连接区域的断裂和分层。欧姆连接区域的断裂和分层。


技术研发人员：P
受保护的技术使用者：意法半导体股份有限公司
技术研发日：2022.09.30
技术公布日：2023/8/13