碳化硅功率器件终端结构及其制造方法与流程

本发明属于半导体器件，具体涉及一种碳化硅功率器件终端结构及其制造方法。

背景技术：

1、因其更大的禁带宽度、较高的电子饱和漂移速度、较强的抗辐照能力、更高的击穿电场和热导率，sic材料在新能源汽车、轨道交通、宇航系统、军事电子通讯系统等领域具备可观的应用前景。目前，sic二极管、sic金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）等功率器件已在诸多领域得到广泛应用。

2、功率器件的耐压设计包括两部分：有源区设计和终端区设计。由于功率器件的终端常为球面结或柱面结，如果不进行特殊的终端结构设计，曲率效应会导致终端区的击穿电压远低于元胞区平行平面结的击穿电压，致使器件的实际耐压远低于设计值。

3、功率器件常用的终端结构包括场限环、场板和结终端延展结构。场板结构在si功率器件中已得到普遍应用，然而sic的临界击穿场强远大于si这一特点使得sic功率器件中，氧化层往往提前发生击穿，因此场板下方的表面耗尽无法充分发生，保护效果不能充分体现。结终端延展结构是通过离子注入工艺，在主结附近形成一层或多层相同类型的掺杂区，以扩展主结耗尽区，保证器件耐压。然而结终端延展结构对离子注入剂量和界面电荷非常敏感，微小的差异便会导致耐压骤降，因此工艺窗口非常狭窄。

4、目前，sic功率器件常见的终端设计是场限环结构，如图3所示。该结构通过在终端区102形成n个与主结掺杂类型相同的、间隔分布的掺杂区，以达到扩展主结耗尽区、减小主结承受的峰值电场之目的。场限环结构的工艺成本较低、工艺窗口相对较大，却也存在两个问题。其一，该结构占用的芯片面积较大，按照电压等级的不同，场限环的个数从十余个到几十个不等，而相邻场限环的间距一般是递增的，因此整个场限环结构占用的芯片面积相当庞大。其二，该结构对界面电荷较为敏感，而sic/sio2界面的电荷密度比si/sio2界面的电荷密度高2~3个数量级，因此场限环的耐压效果往往不如预期。

技术实现思路

1、针对上述sic功率器件终端结构的不足，本发明提供一种碳化硅功率器件终端结构及其制造方法。本发明的目的是在尽量减小终端区芯片面积的同时，实现对终端区耐压的稳定维护。

2、一种碳化硅功率器件终端结构，包括：

3、阴极电极；

4、位于阴极电极之上的碳化硅衬底，位于碳化硅衬底上的碳化硅外延层；

5、位于碳化硅外延层之中的第二导电类型掺杂区；

6、贯穿第二导电类型掺杂区并延伸入碳化硅外延层之中的n个间隔分布的上台面；

7、位于碳化硅外延层之中的n个间隔分布的、与上台面一一连通的n个下台面；上台面和下台面都是n个；下台面的宽度大于上台面的宽度，二者之差为0.1µm ~ 1.0µm；

8、完全填覆上台面和下台面的介质层；

9、位于介质层一侧及之上的阳极电极。

10、一种碳化硅功率器件终端结构的制造方法，用于制造以上所述的一种碳化硅功率器件终端结构，包括以下步骤：

11、步骤1、在碳化硅衬底上形成碳化硅外延层；

12、步骤2、在碳化硅外延层之中形成第二导电类型掺杂区；

13、步骤3、刻蚀形成贯穿第二导电类型掺杂区并延伸入碳化硅外延层的n个间隔分布的上台面；

14、步骤4、在碳化硅外延层中刻蚀形成与n个上台面底部一一连通的n个下台面；下台面的宽度大于上台面的宽度，二者之差为0.1µm ~ 1.0µm；

15、步骤5、形成完全填满下台面、上台面的介质层；

16、步骤6、在第二导电类型掺杂区之上、介质层的一侧及之上生长阳极电极，在碳化硅衬底的底部生长阴极电极。

17、本发明采用上述技术方案，具有如下有益效果：

18、本发明通过在终端区形成n个间隔分布、各自连通的上台面、下台面，并于上台面和下台面中填满介质层，相比传统的场限环终端结构，极大程度地节省了终端区芯片面积。宽度不同的上台面、下台面结构可以在器件的不同深度位置构建不同的介质结构，大大缓解了柱面结或球面结引起的电场集中，确保了器件耐压符合设计目标。本发明提出的终端保护结构受界面电荷影响小，对器件耐压的保护效果稳定。

技术特征：

1.一种碳化硅功率器件终端结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件终端结构，其特征在于，相邻下台面的间距范围为0.3µm ~ 2.0µm，相邻上台面的间距范围为0.5µm ~ 2.5µm。

3.根据权利要求2所述的一种碳化硅功率器件终端结构，其特征在于，上台面的宽度范围为0.5µm ~ 2.0µm，上台面的深度范围为0.7µm ~ 2.5µm，下台面的深度范围为0.2µm ~1.5µm，下台面的宽度范围为0.2µm ~ 2.5µm。

4.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件终端结构，其特征在于，n的取值范围为3~50，取自然数。

5.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件终端结构，其特征在于，介质层还位于碳化硅外延层之上。

6.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件终端结构，其特征在于，还包括：覆盖介质层及相邻上台面之间的碳化硅外延层的钝化层，在第二导电类型掺杂区之上、钝化层的一侧及之上生长阳极电极。

7.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件终端结构，其特征在于，介质层的介电常数由上台面和下台面的深度、宽度决定，上台面和下台面的深度越大、宽度越小，介质层的介电常数越小。

8.一种碳化硅功率器件终端结构的制造方法，用于制造权利要求1-7任一所述的一种碳化硅功率器件终端结构，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种碳化硅功率器件终端结构的制造方法，其特征在于，步骤5中还包括在介质层及相邻上台面之间的碳化硅外延层之上，通过化学气相沉积工艺形成钝化层。

技术总结本发明公开了一种碳化硅功率器件终端结构及其制造方法，该碳化硅功率器件终端结构包括碳化硅衬底、碳化硅外延层、第二导电类型掺杂区、上台面、下台面、介质层、阳极电极和阴极电极。于器件终端区形成N个间隔分布的上台面和下台面，于所有上台面和下台面之中填满介质层，通过控制终端区不同深度位置的介质分布，在显著减小终端区面积、进而减小芯片面积的同时，有效调制主结边缘的电场分布，从而降低主结附近的峰值电场，确保器件的耐压能力。本发明同时公开了所述器件结构的制造方法。技术研发人员：张跃,柏松,张腾,黄润华,杨勇受保护的技术使用者：南京第三代半导体技术创新中心有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/10