包含Si/4H-SiC异质发射结和半超结的增强型逆导-绝缘栅双极晶体管的制备方法

本发明涉及功率半导体，尤其涉及一种包含si/4h-sic异质发射结和半超结的增强型逆导-绝缘栅双极晶体管(以下简称hje-ssj-rc-igbt)的制备方法。

背景技术：

1、功率半导体器件在电力电子系统中扮演着至关重要的角色，用于电能转换、驱动和控制等任务，对于提高系统效率、功率密度以及减小体积重量具有重要意义。其中，igbt是一种广泛应用于铁路运输中电力牵引系统、光伏发电的逆变器、纯电动及油电混合动力汽车中电控驱动系统等领域的关键器件。

2、随着轨道交通、智能电网、电动汽车、万物互联等领域的发展，对igbt在开关速度、可靠性、功率密度、电磁兼容性等方面有了更高的要求。sic作为第三代宽禁带半导体材料的主要代表之一，因具有较宽的禁带宽度，高临界击穿场强和高热导率，使得sic igbt具有高阻断电压、大输出功率、高工作频率，以及卓越的温度特性。1996年，singh等人验证了相同漂移区厚度下，sic igbt的最大电流密度较sic mosfet高十倍左右[ieee transactionson power electronics,2021,36(2):2080-2093.]，这使得sic igbt成为研究热点。近几年，研究人员针对sic igbt在耐压、开关损耗和工艺制造方向做了大量研究。y.zhang等设计了一种栅极和p+型基区短接结构取代传统的发射极和p+型基区短接sic igbt结构[ieeejournal of the electron devices society,2020,8(1):1082-1088.]，研究结果显示这种结构可以消除闩锁效应，并实现较高的击穿电压(vb)和较低导通电压(von)，但在器件动态关断过程中，发射极会出现负电流，这种负电流会限制器件在高频电路中的应用。j.zhang等提出了一种sic igbt[materials science in semiconductor processing,2021,134(1):106026-1-8.]，其在发射极处采用部分区域肖特基接触，该区域可以作为阻挡空穴流入发射极的屏障，进而增强电导调制效应，优化漂移区中载流子的分布。l.han等提出了一个动态和静态精度高、参数跟踪能力强的sic igbt模型[ieee transactions onelectron devices,2022,69(7):3833-3840.]，该模型相较于复杂物理模型更简洁、准确，适用于sic igbt系统级电路仿真。y.an等研究了恒压应力下18kv igbt的双极退化现象[journal of crystal growth,2023,605(1):127083-1-5.]，发现外延层表面没有缺陷的器件在低压应力下将出现性能退化，而性能较差的器件在高压应力下会完全退化。在实际应用中，需要将igbt与续流增强型逆导igbt(rc-igbt)模块化封装入芯片中，二者之间的功率损耗分布不一致，这种损耗不均匀导致发热不均匀，这会限制整个模块的输出功率[202123rd european conference on power electronics and applications,doi:10.23919/epe21ecce europe50061.2021.9570423]。近几年研究发现，利用单片工艺将igbt和续流增强型逆导igbt设计在同一元胞上[2004 16th international symposium on powersemiconductor devices and ics,doi:10.1109/wct.2004.239844]，以此降低制造成本、提高功率密度、简化生产流程，改善电路性能和可靠性。

3、rc-igbt因能实现正、反双向导通而成为研究的热点。x.xu等提出了一种能量损耗极低的rc-igbt[ieee electron device letters,2019,40(5):757-760.]，在集电极侧设置半超结(ssj)和短路集电极沟槽，无需场截止层(fs)亦可优化器件在阻断状态下的电场分布，改善von-vb之间折衷关系,此外还可以完全消除snapback(电压折回)效应。x.zhang等在rc-igbt的p型与n型集电极区域之间留有空隙[ieee transactions on electrondevices,2020,67(7):2859-2864.]，可以消除snapback效应，同时改善von-eoff的折衷关系。2021年，三菱电机株式会社提出了一种开关损耗及反向恢复损耗更低且在高温下鲁棒性更高的rc-igbt[2021 33rd international symposium on power semiconductor devicesand ics(ispsd),doi:10.23919/ispsd50666.2021.9452306]，展现了rc-igbt具有应用于高电压和高频领域的潜力。2023年，丰田公司成功研制了一种在rc-igbt单片上集成增强型rc-igbt的结构[35th international symposium on power semiconductor devices andics(ispsd),doi:10.1109/ispsd57135.2023.10147707]，该器件在保持了vth、von和eoff的条件下，反向恢复损耗降低了41％。

4、近些年，rc-igbt在制造工艺和结构设计方面积累了大量的经验，使其成功的实现产品化和商业化，并在电能转换应用领域取得显著进展。但是，在rc-igbt器件的研究和设计仍然存在一系列复杂的技术挑战，限制了其性能和可靠性，主要包括：正向输出特性的snapback效应的抑制、关断及增强型rc-igbt反向恢复动态波形优化、器件纵向漂移区载流子浓度分布优化、器件横向载流子密度及电场分布均匀性、器件工作时的温度波动特性、器件背面光刻工艺等问题，从而在反向恢复过程中损耗较大。

5、因此，有必要对现有的rc-igbt进行改进，能在rc-igbt反向恢复过程中降低损耗，提高器件的击穿电压及输出电流密度。

技术实现思路

1、本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种包含si/4h-sic异质发射结和半超结的增强型逆导-绝缘栅双极晶体管的制备方法，通过创新构建多晶硅碳化硅(poly-si/4h-sic)异质发射结并在漂移区嵌入半超结，从而降低rc-igbt反向恢复过程损耗，提高器件的击穿电压、输出电流密度，抑制正向输出特性中的snapback效应。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种包含si/4h-sic异质发射结和半超结的增强型导-绝绝缘栅双极晶体管的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、选取p+型4h-sic衬底，采用掩膜和深度反应离子刻蚀(drie)技术，刻蚀所述p+型4h-sic衬底两侧形成凹槽，采用热壁化学气相沉积(hwcvd)技术，在所述凹槽里沉积n+型4h-sic层；进一步使用所述热壁化学气相沉积技术，在所述p+型4h-sic衬底和所述n+型4h-sic层的共同上表面依序生长n型4h-sic场截止层((n)fs)、n-型4h-sic漂移区((n-)driftregion)、n型4h-sic柱((n)pillar)、p+型4h-sic体区((p+)body)；机械磨削减薄、化学抛光所述p+型4h-sic衬底，直至与n+型4h-sic层底部齐平，形成p+/n+型4h-sic集电层((n+)collector)；

4、s2、利用所述掩膜和高能离子注入方法，在所述p+型4h-sic体区中部形成n+型4h-sic发射阱((n+)well)；利用所述掩膜和所述深度反应离子刻蚀(drie)方法，在所述p+型4h-sic体区中心刻蚀深入所述n型4h-sic柱形成u形栅槽，利用所述掩膜和高能离子注入方法，在所述u形栅槽底部制备p型屏蔽层((p)shield)；热氧化所述u形栅槽表面和所述p型屏蔽层表面形成sio2层，采用低压化学气相沉积(lpcvd)方法，在所述sio2层上生长与所述n+型4h-sic发射阱上表面齐平的n+型多晶si((n+)poly-si)栅；

5、s3、采用所述掩膜和所述深度反应离子刻蚀(drie)技术，刻蚀所述p+型4h-sic体区及所述n型4h-sic柱两侧至所述n-型4h-sic漂移区上表面，得到两个侧槽；利用所述掩膜和所述热壁化学气相沉积技术，在所述两个侧槽中依序生长p2型4h-sic柱和p1型4h-sic柱，与中间的所述n型4h-sic柱形成p/n/p型半超结(ssj)；利用掩膜、高温热氧化方法，在所述p+型4h-sic体区侧面形成sio2层；进一步使用所述低压化学气相沉积(lpcvd)技术，在两侧所述p1型柱上表面沉积与所述n+型4h-sic发射阱上表面齐平的p+型多晶si((p+)poly-si)层，与所述n型4h-sic柱形成(p+)poly-si/(n)4h-sic异质发射结(hje)；

6、s4、利用所述掩膜和电子束蒸发技术，在所述n+型多晶si栅上表面蒸镀欧姆接触的合金薄膜形成栅极(g)，在所述p+型多晶si层和所述n+型4h-sic发射阱的共同上表面蒸镀欧姆接触的合金薄膜形成发射极(e)，在所述p+型4h-sic衬底和所述n+型4h-sic层形成的所述p+/n+型4h-sic集电层底部蒸镀欧姆接触的合金薄膜形成集电极(c)，即得包含si/4h-sic异质发射结和半超结的增强型逆导-绝缘栅双极晶体管(简称hje-ssj-rc-igbt)。

7、其中，所述包含si/4h-sic异质发射结和半超结的增强型逆导-绝缘栅双极晶体管工作在反向续流状态时，所述p+型多晶si((p+)poly-si)层与内侧的所述n型4h-sic柱形成(p+)poly-si/(n)4h-sic反型异质发射结(hje)，所述(p+)poly-si/(n)4h-sic反型异质发射结能够降低器件的反向导通电压(vron)，缩短反向恢复时间(trr)，降低开关过程中的损耗，抑制反向恢复的浪涌电流及其引起的电磁干扰(emi)。

8、其中，所述包含si/4h-sic异质发射结和半超结的增强型逆导-绝缘栅双极晶体管阻断时，(p+)poly-si层底部p1型柱内部的受主负离子吸引电力线，用于避免(p+)poly-si/(n)4h-sic异质结界面的场强过高，预防器件被提前击穿。

9、其中，所述包含si/4h-sic异质发射结和半超结的增强型逆导-绝缘栅双极晶体管阻断时，p型屏蔽层与半超结的n型4h-sic柱之间构成体p/n型同质结，用于将栅槽壁氧化物拐角处的电场转移至体p/n型同质结界面，可避免栅槽壁氧化物拐角处的电场聚集而引起的提前击穿。

10、其中，所述包含si/4h-sic异质发射结和半超结的增强型逆导-绝缘栅双极晶体管阻断时，半超结的n型4h-sic柱与p2型柱之间互相耗尽，用于提升器件的击穿电压(vb)；该半超结的n型4h-sic柱的掺杂浓度高于n-型4h-sic漂移区的掺杂浓度，用于降低器件的比导通电阻(ron,sp)，改善vb-ron,sp之间的折衷关系。

11、其中，所述包含si/4h-sic异质发射结和半超结的增强型逆导-绝缘栅双极晶体管在开、关过程中，器件集电极中的p+型集电层与n+型集电层确保正向导通、反向续流，且集电极中的n+型集电层为电子提供抽取路径，可抑制拖尾电流。

12、其中，所述p+型集电极层((p+)collector)的厚度为20μm、宽度为9μm、掺杂浓度为5.00×1019cm-3，所述n+型集电极层((n+)collector)的厚度为20μm、宽度为1μm、掺杂浓度为5.00×1019cm-3，所述n型sic场截止层((n)fs)的厚度为5μm、宽度为10.02μm、掺杂浓度为5.00×1016cm-3，所述n-型4h-sic漂移区层((n-)drift region,(n-)dr)的厚度为60μm、宽度为10.02μm、掺杂浓度为5.00×1013cm-3，所述(p)屏蔽层((p)shield)的厚度为2μm、宽度为3μm、掺杂浓度为5.00×1017cm-3，所述半超结的n型4h-sic柱((n)pillar)的厚度为40μm、宽度为6.02μm、掺杂浓度为1.00×1016cm-3，所述p2型半超结柱((p2)pillar)的厚度为40μm、宽度为2μm、掺杂浓度范围为1.00×1015～5.00×1016cm-3，所述p1型柱((p1)pillar)的厚度为2μm、宽度为2μm、掺杂浓度为1.00×1018cm-3，所述(p+)poly-si层((p+)poly-si)的厚度范围为2～4μm、宽度为2μm、掺杂浓度范围为1.00×1017～1.00×1020cm-3，所述p+型4h-sic体区((p+)body)的厚度为2μm、宽度为3μm、掺杂浓度为1.00×1019cm-3，所述n+型4h-sic发射阱((n+)well)的厚度为1μm、宽度为1μm、掺杂浓度为1.00×1020cm-3，所述sio2层的厚度为0.02μm、宽度为0.02μm，所述(n+)poly-si层的厚度为8μm、宽度为3μm、掺杂浓度为1.00×1019cm-3。

13、本发明实施例还提供了一种包含si/4h-sic异质发射结和半超结的逆导-绝缘栅双极晶体管，其采用前述的包含si/4h-sic异质发射结和半超结的逆导-绝缘栅双极晶体管的制备方法制造而成。

14、实施本发明实施例，具有如下有益效果：

15、本发明提供的一种包含si/4h-sic异质发射结和半超结的增强型逆导-绝缘栅双极晶体管(以下简称hje-ssj-rc-igbt)的制备方法，通过在发射极槽边沿设置poly-si/4h-sic异质发射结(hje)，能够降低器件的反向导通电压(vron)，缩短反向恢复时间(trr)，降低开关过程中的损耗，抑制反向恢复的浪涌电流及其引起的电磁干扰。在本发明rc-igbt的漂移区嵌入半超结(ssj)，从而提高器件的击穿电压(vb)及饱和输出电流密度(jce)，抑制了hje-ssj-rc-igbt的snapback(电压回跳)现象，提高器件可靠性。