阅读说明：本技术 一种碳化硅深沟槽超结sbd器件及制备方法 (Silicon carbide deep groove super junction SBD device and preparation method ) 是由 袁俊 黄兴 徐妙玲 倪炜江 耿伟 于 2018-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有深沟槽和侧壁注入的碳化硅超结SBD器件元胞结构,所述元胞结构的N-外延层中设置有若干个深沟槽,深沟槽的侧壁及底部注入或二次外延工艺构造一圈P Plus,然后在深沟槽的底部填入High-K介质或SiO2,然后上部的其余部分中填入P型掺杂的多晶硅或金属,并与肖特基区的肖特基接触金属相连,填充的金属部分与侧壁也构成肖特基接触。本申请通过在碳化硅SBD器件元胞中结合深沟槽结构和与其相连P Plus结构,构造出一种新颖的超结器件,能避免传统超结结构的深注入或多次外延工艺的难度,进一步降低器件正向导通损耗,增强SBD器件的耐压能力,可靠性和抗干扰能力。(The invention discloses a silicon carbide super-junction SBD device cellular structure with deep grooves and side wall injection, wherein a plurality of deep grooves are arranged in an N-epitaxial layer of the cellular structure, a circle of P Plus is constructed by the side wall and bottom injection of the deep grooves or a secondary epitaxial process, then High-K medium or SiO2 is filled in the bottom of the deep grooves, then P-type doped polysilicon or metal is filled in the rest part of the upper part of the deep grooves and is connected with Schottky contact metal of a Schottky region, and the filled metal part and the side wall form Schottky contact. The novel super junction device is constructed by combining the deep groove structure and the P Plus structure connected with the deep groove structure in the silicon carbide SBD device cell, the difficulty of deep injection or multiple epitaxial processes of the traditional super junction structure can be avoided, the forward conduction loss of the device is further reduced, and the pressure resistance, reliability and anti-interference capability of the SBD device are enhanced.)

一种碳化硅深沟槽超结SBD器件及制备方法

技术领域

本发明属于H01L 27/00类半导体器件技术领域，具体涉及一种碳化硅深沟槽超结SBD器件。

背景技术

SiC 作为近十几年来迅速发展的宽禁带半导体材料，与其它半导体材料，比如Si，GaN 及GaAs 相比，SiC 材料具有宽禁带、高热导率、高载流子饱和迁移率、高功率密度等优点。SiC 可以热氧化生成二氧化硅，使得SiC MOSFET及SBD等功率器件和电路的实现成为可能。自20 世纪90 年代以来，SiC MOSFET和SBD等功率器件已在开关稳压电源、高频加热、汽车电子以及功率放大器等方面取得了广泛的应用。

目前，碳化硅肖特基二极管（Schottky barrier diodes ，以下简称SBD）器件，尤其是高压SBD器件，其击穿电压和导通电阻的优化设计是互相影响和相互矛盾的，获得高击穿电压一般就很难获得低的导通电阻。业界针对传统的器件结构已经提出了一些在保持击穿电压不变来降低导通电阻的方法，包括：掩埋悬浮结构(Baried Floating P-Zone)和超结结构（Super Junction）。但掩埋悬浮结构和超结结构要么深注入和多次外延，商业化工艺实现很难。本发明的目的就是提出了一种新颖的深沟槽超结结构（Trench SuperJunction），可以避开深注入和多次外延工艺，同时提供高耐压和高可靠性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有深沟槽的碳化硅超结SBD器件元胞结构，其通过在碳化硅SBD器件元胞中结合深沟槽结构和与其相连P Plus结构，构造出一种新颖的超结器件，能避免传统超结结构的深注入或多次外延工艺的难度，进一步增强SBD器件的耐压能力，可靠性和抗干扰能力。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种碳化硅深沟槽超结SBD器件，包括1个或多个元胞结构；所述元胞结构的N-外延层中设置有若干个深沟槽，所述深沟槽的深度为t1，所述N-外延层的厚度为T=t1+t2，其中，t1大于t2；深沟槽的侧壁及底部注入或二次外延工艺构造一圈P Plus，然后在深沟槽的底部填入一定深度t3的High-K介质或SiO₂，其中t3小于t1；上部的其余部分中填入P型掺杂的多晶硅或金属，并与肖特基区的肖特基接触金属相连。

进一步，所述深沟槽的深度t1大于所述N-外延层的厚度T的2/3。

进一步，所述深沟槽由ICP，RIE或激光烧孔的工艺制作而成。

进一步，所述沟槽下部填充的High-K介质层的材料是SiO₂、SiNx、Al₂O₃、AlN、HfO₂、MgO、Sc₂O₃、Ga₂O₃、AlHFOx、HFSiON 等材料中的一种或任意几种；所述沟槽上部填充金属为Ti、Pt、W、Ni、Au、Co、Pb、Ag、Al 或其任意组合的合金,填充的金属与侧壁的接触为肖特基接触。

本申请通过在碳化硅SBD器件元胞中结合深沟槽结构和与其相连P Plus结构，构造出一种新颖的超结器件，能避免传统超结结构的深注入或多次外延工艺的难度，进一步降低器件正向导通损耗，增强SBD器件的耐压能力，可靠性和抗干扰能力。深沟槽的底部填入一定深度t3的High-K介质或SiO₂（t3小于t1），然后上部的其余部分中填入P型掺杂的多晶硅或金属，并与肖特基区的肖特基接触金属相连；填充金属时金属与侧壁的接触为肖特基接触；填入底部的介质t3的厚度在耐压和正向导通阻抗间取折中，填入底部的介质t3越厚则器件反向耐压和漏电流越好，但正向导通阻抗会增大，根据实际器件的耐压，漏电流及导通阻抗要求可以通过反复的模拟验证得到最优化的t1， t2和t3的比例结构。

附图说明

图1为本申请具有深沟槽的碳化硅超结SBD器件元胞结构示意图；

图2为本发明通过深沟槽刻蚀和侧壁注入构造超结的工艺示意图；

图3为本发明超结结构与传统超结，掩埋悬浮结及沟槽SBD的关系图；

图4为传统JBS平面结构SBD器件TCAD模拟的反向电场分布图；

图5为沟槽全部填充SiO₂介质的Trench SJ-SBD器件反向电场分布图；

图6为本发明的沟槽下部填充SiO₂介质上部填充肖特基金属的Trench SJ-SBD器件反向电场分布图；

图7为传统JBS结构与本发明的Trench SJ-SBD结构上部分别填充1um，2um和3um肖特基金属时正向导通阻抗特性的比较图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

如图1所示，本发明提供了一种具有深沟槽和侧壁注入的碳化硅超结SBD器件元胞结构，所述元胞结构的N-外延层中设置有若干个深沟槽，所述深沟槽的深度为t1，所述N-外延层的厚度为T=t1+t2，其中，t1大于t2；最优化的，t1为t2的两倍以上，在器件正向导通阻抗和耐压之间取折中；本文中的折中是指本领域技术人员可以根据产品的具体要求进行参数调整。深沟槽的侧壁及底部注入一圈P Plus，然后在深沟槽的底部填入一定深度t3的High-K介质或SiO₂（t3小于t1），然后上部的其余部分中填入P型掺杂的多晶硅或金属，并与肖特基区的肖特基接触金属相连；填入底部的介质t3的厚度在耐压和正向导通阻抗间取折中，填入底部的介质t3越厚耐压和漏电流越好，但正向导通阻抗会增大。本申请通过在碳化硅SBD器件元胞中结合深沟槽结构和与其相连P Plus结构，构造出一种新颖的超结器件，能避免传统超结结构的深注入或多次外延工艺的难度，进一步降低器件正向导通损耗，增强SBD器件的耐压能力，可靠性和抗干扰能力。

深沟槽由ICP，RIE或激光烧孔的工艺制作而成。如图2所示，该工艺是一种通过深沟槽刻蚀和注入构造超结结构的工艺方法示意图。

沟槽中下部填充High-K介质层，其材料可以是SiO₂、SiNx、Al₂O₃、AlN、HfO₂、MgO、Sc₂O₃、Ga₂O₃、AlHFOx、HFSiON 等材料中的一种或任意几种；而沟槽上部填充金属为Ti、Pt、W、Ni、Au、Co、Pb、Ag、Al 或其任意组合的合金，填充的金属与侧壁的接触为肖特基接触；并与肖特基区的肖特基接触金属相连。

如图3的示意图所示，本发明的新颖深沟槽超结SBD结构结合了超结二极管，掩埋悬浮结构和沟槽式SBD三者的优点，同时避免了多次外延的复杂工艺，降低了单位面积导通阻抗，具有极好的器件特性和实际制作经济价值。

图4是传统平面JBS结构SBD的TCAD模拟反向电场分布图。

而图5是Trench SJ-SBD沟槽中全部填充SiO2介质的反向电场分布图。

图6为本发明的沟槽下部填充SiO₂介质上部填充肖特基金属的Trench SJ-SBD器件反向电场分布图，通过TCAD模拟可以看出，Trench SJ-SBD对肖特基接触区有很好的电场屏蔽作用，能有效提升器件反向耐压的可靠性。

图7为传统JBS结构与本发明的Trench SJ-SBD结构上部分别填充1um，2um和3um肖特基金属时正向导通阻抗特性的比较图，可以看出Trench SJ-SBD新结构的正向导通阻抗远远优于传统的JBS平面SBD结构；同时，沟槽中上部填充的肖特基金属部分比例越高，正向导通阻抗越低。

上述示例只是用于说明本发明，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本发明思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。