混合PiN结肖特基二极管及其P型欧姆接触的制备方法
阅读说明：本技术 混合PiN结肖特基二极管及其P型欧姆接触的制备方法 (Hybrid PiN junction Schottky diode and preparation method of P-type ohmic contact of hybrid PiN junction Schottky diode ) 是由 季益静 吴贤勇 刘峰松 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种混合PiN结肖特基二极管及其P型欧姆接触的制备方法,该制备方法包括：提供叠层结构,由下向上依次包括N+衬底层及N-外延层,N-外延层包括有源区,有源区形成有至少一个P+离子注入区；于叠层结构表面沉积防护掩膜层；采用光刻刻蚀工艺刻蚀防护掩膜层,形成至少一个刻蚀窗口,刻蚀窗口仅显露与其对应的P+离子注入区；于上述结构的表面沉积金属层并对该金属层进行欧姆接触退火；去除防护掩膜层及防护掩膜层上的金属层。通过形成图形化防护掩膜层,在欧姆接触退火过程中,其可有效防止金属层熔融侧向流动至P+离子注入区之外的区域,所以不需要额外制备大面积的P+离子注入区,从而不需要牺牲正向导通面积；且工艺简单便于控制。(The invention provides a mixed Pin junction Schottky diode and a preparation method of a P-type ohmic contact thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: providing a laminated structure which sequentially comprises an N + substrate layer and an N-epitaxial layer from bottom to top, wherein the N-epitaxial layer comprises an active region, and at least one P + ion implantation region is formed in the active region; depositing a protective mask layer on the surface of the laminated structure; etching the protective mask layer by adopting a photoetching process to form at least one etching window, wherein the etching window only exposes the P + ion implantation area corresponding to the etching window; depositing a metal layer on the surface of the structure and carrying out ohmic contact annealing on the metal layer; and removing the protective mask layer and the metal layer on the protective mask layer. By forming the graphical protection mask layer, the metal layer can be effectively prevented from being melted and flowing laterally to the region outside the P + ion injection region in the ohmic contact annealing process, so that the large-area P + ion injection region does not need to be prepared additionally, and the positive conduction area does not need to be sacrificed; and the process is simple and convenient to control.)
技术领域
本发明涉及半导体芯片制造工艺技术领域，特别是涉及一种混合PiN结肖特基二极管及其P型欧姆接触的制备方法。
背景技术
功率二极管是电路系统的关键部件，广泛适用于在高频逆变器、数码产品、发电机、电视机等民用产品和卫星、接收装置、导弹及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。功率二极管正向着两个重要方向拓展：(1)向几千万乃至上万安培发展，可应用于高温电弧风洞、电阻焊机等场合；(2)反向恢复时间越来越短，呈现向超快、超软、超耐用方向发展，使自身不仅用于整流场合，在各种开关电路中有着不同作用。为了满足低功耗、高频、高温、小型化等应用要求对其的耐压、导通电阻、开启压降、反向恢复特性、高温特性等越来越高。
通常应用的有普通整流二极管、肖特基二极管、PIN二极管(在P型和N型半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层，组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN二极管)。它们相互比较各有特点：肖特基整流管具有高速开关特性，适用于工作频率高的应用，而PIN快恢复整流管具有耐高压的特性，在高的反向电压情况下具有小的漏电流。为了满足快速开关器件应用配套需要，将肖特基整流管和PIN整流管的优点集于一体，研制出混合PiN结肖特基二极管(即MPS二极管)，它不仅具有较高的反向阻断电压，而且其通态压降很低，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。
目前MPS二极管的正面P型欧姆接触金属在制备过程中会由于退火工艺导致接触金属熔融流动至非P离子注入区，覆盖N型区域，导致器件反向漏电增大甚至反向阻断电压降低。因而传统的MPS制备工艺需要额外制备大面积的P+离子注入区域，牺牲了正向导通的面积，工艺窗口变小且难以控制。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种混合PiN结肖特基二极管及其P型欧姆接触的制备方法，用于解决现有技术中为了避免MPS二极管的正面P型欧姆接触金属在制备过程中由于退火工艺导致接触金属熔融流动至非P离子注入区，覆盖N型区域，而需要额外制备大面积的P+区域，导致牺牲正向导通面积，工艺窗口变小且难以控制等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种混合PiN结肖特基二极管P型欧姆接触的制备方法，所述制备方法包括：
提供叠层结构，所述叠层结构由下向上依次包括N+衬底层及N-外延层，所述N-外延层包括有源区，所述有源区形成有至少一个P+离子注入区，所述P+离子注入区通过在所述N-外延层中注入P型掺杂离子形成；
于所述叠层结构表面沉积防护掩膜层；
采用光刻刻蚀工艺刻蚀所述防护掩膜层，形成至少一个刻蚀窗口，所述刻蚀窗口仅显露与其对应的所述P+离子注入区；
于上述结构的表面沉积金属层并对该金属层进行欧姆接触退火；
去除所述防护掩膜层及所述防护掩膜层上的金属层，以于所述P+离子注入区上形成欧姆接触层。
可选地，形成所述刻蚀窗口的具体步骤包括：
于所述防护掩膜层表面形成光刻胶层；
采用光刻工艺，图形化所述光刻胶层，于所述光刻胶层中形成光刻窗口；
以所述光刻胶层为掩膜，并基于所述光刻窗口刻蚀所述防护掩膜层，以形成所述刻蚀窗口；
去除所述光刻胶层。
可选地，所述N+衬底层的材料为4H-SiC。
进一步地，所述金属层为镍层、钛层或铝层的单层结构，或所述金属层为镍层、钛层及铝层中至少两层的叠层；对所述金属层进行欧姆接触退火的退火温度介于700℃～1000℃之间，退火时间介于0.5min～10min之间。
可选地，所述防护掩膜层为二氧化硅层。
可选地，所述P+离子注入区在所述N-外延层内部间隔设置，且所述刻蚀窗口的数量等于所述P+离子注入区的数量。
可选地，所述N-外延层还包括终端区，环绕于所述有源区的外周，所述终端区中形成有终端保护结构。
本发明还提供一种混合PiN结肖特基二极管的制备方法，该制备方法包括上述任一所述的混合PiN结肖特基二极管P型欧姆接触的制备方法。
可选地，于所述P+离子注入区上形成欧姆接触层后还包括：
于所得结构的表面沉积钝化层，并对所述钝化层进行光刻刻蚀，以露出所述有源区；
于所述有源区表面沉积肖特基金属，并与所述N-外延层形成肖特基接触。
进一步地，所述肖特基金属的材料包括镍、钛或钼。
如上所述，本发明的混合PiN结肖特基二极管及其P型欧姆接触的制备方法，通过形成防护掩膜层，并对其进行图形化，仅使需要形成欧姆接触的P+离子注入区显露，在欧姆接触退火过程中，其可有效防止金属层熔融侧向流动至P+离子注入区之外的区域，所以不需要额外制备大面积的P+离子注入区，从而不需要牺牲正向导通面积；且工艺简单便于控制。
附图说明
图1至图4显示为现有技术中混合PiN结肖特基二极管的制备过程中各步骤所呈现的结构示意图。
图5显示为本发明的混合PiN结肖特基二极管P型欧姆接触的制备方法流程示意图。
图6至图14显示为本发明的混合PiN结肖特基二极管P型欧姆接触的制备过程中各步骤所呈现的结构示意图。
图15及图16显示为本发明的混合PiN结肖特基二极管的制备过程中各步骤所呈现的结构示意图。
元件标号说明
10、20 N+衬底层
11、21 N-外延层
12、24 P+离子注入区
120 大P+离子注入区
13、32 钝化层
14 欧姆金属
15、26 光刻胶层
16、27 光刻版
17、22 有源区
23 终端区
25 防护掩膜层
28 光刻窗口
29 刻蚀窗口
30 金属层
31 欧姆接触层
18、33 肖特基金属
S1～S5 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图16。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可根据实际需要进行改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图1至图4所示，为现有技术中混合PiN结肖特基二极管的制备过程，包括以下步骤：
如图1所示，首先提供叠层结构，该叠层结构由下向上依次包括N+衬底层10及N-外延层11，所述N-外延层11包括有源区17，所述有源区17形成有至少一个P+离子注入区12，所述P+离子注入区12中包括至少一个大P+离子注入区120，所述P+离子注入区12通过在所述N-外延层11中注入P型掺杂离子形成。
如图1所示，然后于所述叠层结构表面沉积钝化层材料，并采用光刻刻蚀工艺去除所述有源区17表面的钝化层材料，以在所述有源区17外周的终端区表面形成钝化层13。
如图1所示，接着于所述叠层结构表面沉积欧姆金属14，并基于光刻版16光刻沉积于欧姆金属14表面的光刻胶层15；如图2所示，然后基于图形化的光刻胶层15刻蚀所述欧姆金属14，刻蚀只留下P+离子注入区12上方的欧姆金属14，例如，只留下大P+离子注入区120上方的欧姆金属14。
如图3所示，接着去除图形化的所述光刻胶层15，并对所述欧姆金属14进行欧姆接触退火，实现所述欧姆金属14与所述大P+离子注入区120之间的欧姆接触。
如图4所示，最后于所述有源区的表面沉积肖特基金属18，并在较低温度下进行肖特基退火，以使肖特基金属18与N-外延层11之间形成肖特基接触。
由于欧姆接触退火温度很高，有时高达上千度，因而在退火过程中欧姆金属容易发生熔融现象，流动的欧姆金属会流动至P+离子注入区外的区域，例如N-外延层表面，使得欧姆金属与非P+离子注入区接触，导致器件反向漏电增大甚至反向阻断电压降低。为了避免该问题，如图1及图2所示，现有的MPS制备工艺在形成欧姆接触的工艺过程中，通常将需要制备欧姆接触的P+离子注入区做大为大P+离子注入区120，以防止欧姆金属在退火过程中发生熔融流动至P+离子注入区之外，但该方法牺牲了正向导通面积，使工艺窗口变小且工艺难以控制，同时还提高了器件的接触电阻。
发明人基于对上述现有混合PiN结肖特基二极管的制备过程的研究及分析，从避免在欧姆接触退火过程中接触金属熔融流动至非P+离子注入区的角度出发，提出了一种混合PiN结肖特基二极管P型欧姆接触的制备方法，所述制备方法包括：
如图5及图6所示，首先进行步骤S1，提供叠层结构，所述叠层结构由下向上依次包括N+衬底层20及N-外延层21，所述N-外延层21包括有源区22，所述有源区22形成有至少一个P+离子注入区24，所述P+离子注入区24通过在所述N-外延层21中注入P型掺杂离子形成。
作为示例，所述N+衬底层20的材料可以选择现有适于制备MPS器件的晶圆材料，例如硅衬底、锗衬底、碳化硅(SiC)衬底等，本实施例中优选所述N+衬底层20的材料为4H-SiC。
作为示例，所述N-外延层21的材料可以选择现有适于制备MPS器件的外延材料。基于N+衬底层20与N-外延层21之间的晶格匹配与热匹配考虑，优选所述N-外延层21的材料与所述N+衬底层20的材料相同，即当所述N+衬底层20的材料为4H-SiC时，优选所述N-外延层21的材料也为4H-SiC。
需要说明的是，肖特基接触区和欧姆接触区的特性可以根据器件的具体用途而变化。例如，一些实施方案可以包括单个肖特基接触区和一个或更多个欧姆接触区。而在其他实施方案可以包括多个肖特基接触区和多个欧姆接触区。另外，肖特基接触区的宽度和欧姆接触区的宽度可以根据对于MPS二极管的期望的功能和MPS二极管的材料组分的物理特性而变化。这些宽度也可以在单个MPS二极管内变化。另外，当MPS二极管具有多个肖特基接触区和多个欧姆接触区时，所述P+离子注入区24在所述N-外延层21内部间隔设置，从而后续形成多个肖特基接触区和多个欧姆接触区。
作为示例，所述P+离子注入区24可通过对所述N-外延层21进行P型掺杂离子形成，所述P型掺杂离子可以选择为常规的P型掺杂离子，例如铝离子、硼离子等。
作为示例，所述N+衬底层20及所述N-外延层21之间的掺杂浓度值是相对的，只要N+衬底层20的掺杂浓度大于N-外延层21的掺杂浓度即可。
作为示例，所述N+衬底层20的厚度介于10μm～400μm之间，掺杂浓度介于1E17/cm3～1E19/cm3之间；所述N-外延层21的厚度介于1μm～100μm之间，掺杂浓度介于1E14/cm3～1E17/cm3之间；所述P+离子注入区24的注入深度介于0.3μm～3μm之间，掺杂浓度介于1E16/cm3～1E22/cm3之间。
作为示例，所述N-外延层21还包括终端区23，环绕于所述有源区22的外周，所述终端区23中形成有终端保护结构。所述终端保护结构为现有常规终端结构，在此不做赘述。
如图5及图7所示，然后进行步骤S2，于所述叠层结构表面沉积防护掩膜层25。该防护掩膜层25用于后续欧姆接触退火过程中对非P+离子注入区进行保护，防止欧姆金属熔融流动至非P+离子注入区，例如流动至N-外延层21上。
作为示例，可以采用CVD工艺形成所述防护掩膜层25，例如采用PECVD或LPCVD等。所述防护掩膜层25的材料选择考虑适于在欧姆接触退火过程中不易与欧姆金属发生反应的材料，例如二氧化硅或氮化硅，本实施例中优选二氧化硅，且厚度介于0.5μm～2μm之间。
如图5及图12所示，接着进行步骤S3，采用光刻刻蚀工艺刻蚀所述防护掩膜层25，形成至少一个刻蚀窗口29，所述刻蚀窗口29仅显露与其对应的所述P+离子注入区24，所述刻蚀窗口29的数量不大于所述P+离子注入区24的数量。
作为示例，所述刻蚀窗口29的数量等于所述P+离子注入区24的数量，但也不限于此，如图11及图12所示，所述刻蚀窗口29的数量也可以小于所述P+离子注入区24的数量，如图11所示，后续刻蚀所述防护掩膜层25形成的刻蚀窗口的数量为一个，即小于所述P+离子注入区24的数量。
通过本步骤对所述防护掩膜层25的图形化，仅使需要形成欧姆接触的P+离子注入区显露，为后续欧姆接触退火过程中对欧姆金属提供保护，由于防护掩膜层的阻挡作用，可防止退火时欧姆金属熔融侧向流动至P+离子注入区之外的区域；且该工艺简单便于控制。
如图8至图12所示，作为示例，形成所述刻蚀窗口的具体步骤包括：
如图8所示，首先于所述防护掩膜层25表面形成光刻胶层26；
如图8至图11所示，然后采用光刻工艺，基于光刻版27对所述光刻胶层26进行图形化，以于所述光刻胶层中形成光刻窗口28。这里需要说明的是所述光刻窗口28的数量对应后续形成的刻蚀窗口29的数量，该光刻窗口28的数量根据后续需要形成的欧姆接触的数量进行选择，该光刻窗口28的数量与所述P+离子注入区24的数量相同，但也不限于此，例如，图8、图9采用的上述光刻工艺形成的光刻窗口28的数量(5个)及图10、图11采用的上述光刻工艺形成的光刻窗口28的数量(1个)，该光刻窗口28的数量小于所述P+离子注入区24的数量(7个)；
如图9、图11及图12所示，接着以所述光刻胶层26为掩膜，并基于所述光刻窗口28刻蚀所述防护掩膜层25，以形成所述刻蚀窗口29；
如图12所示，最后去除所述光刻胶层26。
如图5及图13所示，接着进行步骤S4，于上述结构的表面沉积金属层30并对该金属层30进行欧姆接触退火。
由于图形化的防护掩膜层25的存在，在欧姆接触退火过程中，其可有效防止金属层30熔融侧向流动至P+离子注入区之外的区域，所以不需要额外制备大面积的P+离子注入区，从而不需要牺牲正向导通面积。
作为示例，由于不需要额外制备大面积的P+离子注入区，所以可以将所有的P+离子注入区均形成为欧姆接触，以此可有效降低器件的接触电阻，提高抗浪涌能力。
作为示例，当所述N+衬底层20选择为4H-SiC材料衬底时，所述金属层30一般选择为镍层、钛层或铝层的单层结构，或为镍层、钛层及铝层中至少两层的叠层，欧姆接触退火的退火温度介于700℃～1000℃之间，退火时间介于0.5min～10min之间。本实施例中优选所述金属层30由下向上为镍层厚度介于0nm～200nm之间、钛层厚度介于20nm～200nm之间及铝层厚度介于0.2μm～1μm之间的三层叠层结构，欧姆接触退火的退火温度为880℃，退火时间为5min。
如图5及图14所示，最后进行步骤S5，去除所述防护掩膜层25及所述防护掩膜层25上的金属层30，以于所述P+离子注入区24上形成欧姆接触层31。
作为示例，当所述防护掩膜层25的材料选择为二氧化硅时，可以采用二氧化硅清洗液去除所述防护掩膜层25，在去除该防护掩膜层25的同时，形成于其上的金属层30则一同被去除。
实施例二
本实施例提供一种混合PiN结肖特基二极管的制备方法，该制备方法包括上述实施例一所述的混合PiN结肖特基二极管P型欧姆接触的制备方法。其所能达到的有益效果可请参见实施例一，在此不做详述。
如图15及图16所示，作为示例，于所述P+离子注入区24上形成欧姆接触层31后还包括：
如图15所示，于所得结构的表面沉积钝化层32，并对所述钝化层32进行光刻刻蚀，以露出所述有源区；
如图16所示，于所述有源区表面沉积肖特基金属33，并与所述N-外延层21形成肖特基接触。
作为示例，所述肖特基金属33的材料可选择为镍、钛或钼。
综上所述，本发明提供一种混合PiN结肖特基二极管及其P型欧姆接触的制备方法，通过形成防护掩膜层，并对其进行图形化，仅使需要形成欧姆接触的P+离子注入区显露，在欧姆接触退火过程中，其可有效防止金属层熔融侧向流动至P+离子注入区之外的区域，所以不需要额外制备大面积的P+离子注入区，从而不需要牺牲正向导通面积；且工艺简单便于控制。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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