专利名称：一种肖特基整流器件及制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件，特别涉及一种肖特基整流管器件及制造方法。
背景技术：
功率电子元器件如功率整流器和功率开关广泛应用于各个领域，例如开关电源， 汽车电子，无线电通讯电机控制。长期以来，人们一直使用硅功率器件，然而随着硅工艺的多年发展，相应的硅功率器件性能已经逐渐接近理论极限，要想大幅度提升器件性能，突破硅功率器件的极限问题，就必须采用新的半导体材料，尤其是第三族氮化合物半导体SIC， 在新型材料基本特性上具有制造更高性能的功率电子器件的巨大潜力。其中，氮化镓作为宽禁带半导体的典型代表，以其禁带宽度大(3.4EV)、击穿电场高(3. 3MV/CM)、饱和电子飘移速度大0.8E7CM/Q和热导率高等多方面性能优势在国际上受到广泛关注，相关氮化物半导体技术发展迅速，GAN基础材料在高频高压和大功率器件应用具有良好的前景，其针对功率电子器件的优值系数相比于硅材料或砷化镓基础材料高出一个数量级。在多种基于宽禁带半导体材料的功率器件中，GAN肖特基整流管近年来成为国际热点，它同时具有高击穿电压，低开启电阻和很小反向恢复时间等优异特点。作为一种最基本的功率电子器件，将GAN肖特基整流管应用于功率转换电路或模块，可以很大程度地提高系统的电能转换效率。并大大简化电路的复杂度，降低制备成本。目前，人们通过在蓝宝石，碳化硅，硅基底上通过外延方法成功地制造出肖特基整流管，但是这一技术的进一步发展也面临一个重要问题，那就是，现在的肖特基整流管的反向击穿电压并没有理论那么高，而反向击穿电压恰恰是肖特基整流管的一个重要指标，理论上，它的击穿电压是由于器件内有源区内的载流子在强电场的作用下的发生碰撞电离化而导致雪崩击穿决定的。然而，国际上，各研究机构或公司所报道的氮化镓肖特基整流管的反向击穿电压只能达到理论的30-50%，造成击穿电压不高的根本原因是电场拥挤，具体来说，肖特基整流管在反向偏置时，耗尽区的电场在水平方向上的分布并不是均勻的，越靠近电极边缘的，电力线就越密，这样在肖特基电极边缘处的耗尽层中就会出现电场的极大值， 使到雪崩击穿在此处提早发生。这个效应导致GAN肖特基功率器件所应该有的高击穿电压和大输出功率等性能优势都不能充分发挥；同时反向漏电流也会偏大，导致器件可靠性变差。如图11所示，为现有的肖特基整流管，它包括阴极金属、N+阴极层、N型基底、 N-外延层、势垒金属；以及位于外延层之上势垒金属区域外的二氧化硅层；所述的外延层有两个由其表面向下延伸的沟槽，但沟槽采用矩形沟槽，图13为为其电力档位仿真图，从图可以看出可以看其沟槽拐角处电场形成的电力档位线过于集中，导致肖特基反向击穿电压低，极大地影响肖特基整流器件的性能。
发明内容
为了解决器件局部电场拥挤，提高器件的反向击穿电压，提高器件的可靠性，本发明提出了一种沟槽式肖特基接触的整流器件。本发明解决现有肖特基整流管技术问题采用的技术方案是一种肖特基整流器件，该器件包括由下至上依次为阴极金属、第一导电类型阴极层、第一导电类型基底、第一导电类型外延层、势垒金属；以及位于外延层之上势垒金属区域外的二氧化硅层；所述的第一导电类型外延层至少有一个由其表面向下延伸的沟槽， 所述沟槽位于外延层之上的二氧化硅层之下，所述的沟槽中设有填充层；沟槽至少一个侧壁向外倾斜，与外延层水平面的角度大于或者等于10度，小于或者等于45度。进一步地，本发明所述的肖特基整流器件中所述的第一导电类型外延层包括第一掺杂浓度外延层和第二掺杂浓度外延层，第二掺杂浓度外延层位于第一掺杂浓度外延层之上，第一掺杂浓度外延层的浓度为1E16/CM3 3E16/CM3，第二掺杂浓度外延层的浓度为 1E15/CM3 5E15/CM3。进一步地，本发明所述的肖特基整流器件中所述的沟槽深度大于肖特基结深，沟槽深度为Ium 6um左右，肖特基结深为Ium 3um。进一步地，本发明所述的肖特基整流器件中所述的填充层为多晶硅和二氧化硅。进一步地，本发明所述的肖特基整流器件中还包括位于基底和外延层之间的第一导电类型缓冲层，缓冲层厚度为200nm。进一步地，本发明所述的肖特基整流器件中所述的第一导电类型为N型。本发明还公开了肖特基整流器件的制造方法，包括以下几个步骤步骤⑴形成第一导电类型基底；步骤O)于第一导电类型基底之上形成第一导电类型外延层；进一步地，本发明公开的肖特基整流器件的制造方法，还包括在步骤(1)和步骤 (2)之间增加一层第一导电类型缓冲层。进一步地，第一导电类型为N型；N型外延层包括第一掺杂浓度外延层和第二掺杂浓度外延层，第二掺杂浓度外延层位于第一掺杂浓度外延层之上，第一掺杂浓度外延层的掺杂浓度为1E16/CM3 3E16/CM3，第二掺杂浓度外延层的掺杂浓度为1E15/CM3 5E15/ CM30步骤C3)于第一导电类型外延层中形成向外倾斜的沟槽，沟槽侧壁与外延层水平面的角度大于或等于10度，小于或等于45度；进一步地，沟槽是先在外延层上生成一层二氧化硅层后再通过曝光、显影形成沟槽图形，再腐蚀图形形成沟槽。步骤于沟槽中形成填充层；进一步地，沟槽中的填充层为多晶硅和二氧化硅。步骤(5)于沟槽之上形成二氧化硅层；进一步地，二氧化硅层的生长采用热氧化生长，二氧化硅层的厚度为 1000-4000 A ο步骤(6)于外延层之上的沟槽区域外形成势垒金属；进一步地，金属层是去除外延层之上沟槽区域外的二氧化硅而生成，金属为金、 银、铝、钼等，金属采用溅射或者蒸渡生成。步骤(7)于半导体基底之下形成第一导电类型型阴极层；
进一步地，第一导电类型为N型，N型阴极层构成肖特基整流器件的负极区，N型阴极层的掺杂浓度为1E17/CM3。步骤(8)于阴极层上形成接触电极。技术效果本发明的肖特基整流器件的沟槽与有源区侧面结合面为斜面，沟槽侧壁与外延层水平面的角度大于或者等于10度，小于或者等于45度斜沟槽结构解决了内部电场拥挤，提高肖特基整流器件的反向击穿电压，非常接近理想击穿电压。
图1，本发明实施例提供的肖特基整流器件结构示意图；图2-10，本发明实施例提供的肖特基整流器件制造流程图；图11，现有矩形沟槽肖特基整流器件图；图12，本发明实施例提供的肖特基整流器件电力档位仿真图；图13，现有矩形沟槽肖特基整流器件的电力档位仿真图；附图标记1、第一导电类型基底；2、第一导电类型缓冲层；3、第一导电类型第一掺杂浓度外延层；4、第一导电类型第二掺杂浓度外延层；5 二氧化硅；6、二氧化硅层；7、势垒金属；8、第一导电类型阴极层；9、阴极金属；10、多晶硅；A、外延层水平面与沟槽侧壁所成的角。
具体实施例方式为了使工程人员能够清楚了解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例进行说明，本发明不应被限于使用下述实施例实现。本发明实施例的整流器件为GAN肖特基整流器件。实施例一如图1所示，为本发明GAN肖特基整流器件优选实施例，该器件包括由下至上依次为阴极金属9、N+阴极层8、N型基底1、缓冲层2、N型第一掺杂浓度外延层3、N型第二掺杂浓度外延层4、势垒金属7 ；以及位于外延层之上势垒金属区域外的二氧化硅层6，所述的外延层至少有一个由其表面向下延伸的沟槽，沟槽位于外延层之上的二氧化硅层之下， 所述的沟槽中设有填充层，所述的沟槽与有源区侧面结合面为斜面；沟槽侧壁向外倾斜，与外延层水平面所成的角度A为30度。下面对如图1中所示的实施例进一步描述本实施例中阴极金属9可以是铁、铝和铜，还包括其它一些金属，本实施例的优选阴极金属为铜，位于阴极金属9之上的N+阴极层8和阴极金属构成了阴极，N+阴极层8的掺杂浓度为1E17/CM3，位于阴极层之上的N型基底1的为3E18/CM3。本发明实施例中位于基底1之上的缓冲层2，其浓度为1E17/CM3，其厚度为200nm， 缓冲层有效地减小了外延层生长对基底造成的应力。本发明实施例中位于缓冲层2之上的外延层包括外延层3和外延层4，其中外延层 3为第一掺杂浓度外延层，外延层4为第二掺杂浓度外延层，第二掺杂浓度外延层位于第一掺杂浓度外延层之上，外延层3的掺杂浓度优选为2E16/CM3，外延层4的掺杂浓度为3E15/ CM3，第二掺杂浓度外延层和第一掺杂浓度外延层的结合有效地减小了器件的导通电阻，同时提高器件的击穿电压，本发明实施例中由外延层表面向下延伸形成的沟槽与有源区侧面结合面为斜面， 沟槽为两个，沟槽深度Gum)大于肖特基结深Oum)，沟槽侧壁与外延层水平面层的角度A 为30度；从图中可以看到沟槽中设有了填充层，填充层为多晶硅10、二氧化硅5。本发明实施例中位于沟槽上表面的二氧化硅层6在势垒金属溅射或蒸渡过程中起隔离和阻挡作用，同时阻挡外界的杂质，消除杂质破坏本发明整流器件的性能。本发明实施例中势垒金属7位于外延层之上沟槽区域外，势垒金属与外延层形成肖特基接触，势垒金属通常为金、银和钼、铝，由于金成本方面原因，最常用的为银、钼和铝， 本实施例优选势垒金属为铝。在本发明实施例沟槽状肖特基整流器件的沟槽侧壁与外延层水平面的角度A成 30度、肖特基整流器件两端的反向偏压为400V的条件下，得到如图12所示肖特基整流器件的电力档位仿真图，从图中看出本实施例所形成的肖特基整流器件的电力档位线在沟槽的拐角处分布。图11所示的是现有技术矩形沟槽肖特基整流器件图，在其两端加与本发明肖特基整流器件同样反向电压的情况下得到如图13所示的电力档位线仿真图。通过本发明实施例的电力档位仿真图12与现有肖特基整流器件的电力档位仿真图13相比，可以看出本发明实施例的电力档位线在沟槽拐角处变得平缓和稀疏，有效的缓减了肖特基整流器件在拐角处电势过度集中，提高了器件的击穿电压。原理描述电力档位线的疏密程度反映电场强度的大小，电场强度大小反映器件击穿电压；电力档位线越密，电场强度越大，器件越容易击穿，对于本发明来说，把现有的平面的肖特基接触变成梯形沟槽式的肖特基接触，使得沟槽拐角处的电力档位线变得稀疏， 进而电场强度减小，击穿电压升高。下面对本发明实施例肖特基整流器件制造流程进行描述图2-10所示为本发明实施例肖特基整流器件的制造流程图，它包括以下步骤步骤一、形成第一导电类型基底1 ；如图2所示为基底，基底1的掺杂浓度为3E18/CM3。步骤二、于半导体基底上形成缓冲层2 ；如图3所示，该步骤为本实施例中增加的缓冲层2，其掺杂浓度为1E17/CM3，其厚度为200nm，缓冲层的增加有效地减小外延生长过程中对基底造成的应力。步骤三、于缓冲层上形成外延层；如图4所示，采用了气相外延的生长机理生长外延层，外延层包括外延层3和外延层4，先生长第一掺杂浓度外延层3，其掺杂浓度优选为2E16/CM3，接着生长第二掺杂浓度外延层4，其掺杂浓度为3E15/CM3步骤四，于外延层中形成向外倾斜的沟槽，沟槽侧壁与外延层水平面的角度为30 度；如图5所示，该步骤中的沟槽是先在外延层之上生长二氧化硅层后再以二氧化硅层为掩膜层，通过瀑光、显影露出需要腐蚀的沟槽的上表面，用腐蚀液腐蚀而成沟槽。步骤五、于沟槽中形成填充层；如图6所示，沟槽中填充层为多晶硅10和二氧化硅5。
步骤六、于沟槽之上生长二氧化硅层；如图7所示，该步骤中生成的二氧化硅层6的生长采用热氧化生长，其厚度为 1000-4000 A 。步骤七、于外延层之上的沟槽区域外形成金属层；如图8所示，该步骤中金属层是去除外延层之上沟槽区域外的二氧化硅层后，采用了物理气相淀积中蒸渡和溅射两种方式形成势垒金属，势垒金属为铝，势垒金属的形成温度为110度左右，经过氮气保护后高温退火。步骤八、于半导体基底之下制造N型阴极层；如图9所示，于N型基底下表面生长N型阴极层8，它与阴极金属形成欧姆接触形成阴极。步骤九、于阴极层上形成接触电极；如图10所示，该步骤为电极的制备，制备完成后进行高温退火。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以构成许多很大差别的实施例，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。
权利要求
1.一种肖特基整流器件，其特征在于，该器件包括由下至上依次为阴极金属、第一导电类型阴极层、第一导电类型基底、第一导电类型外延层、势垒金属；以及位于外延层之上势垒金属区域外的二氧化硅层；所述的外延层至少有一个由其表面向下延伸的沟槽，沟槽位于外延层之上的二氧化硅层之下，所述的沟槽中设有填充层；沟槽至少一个侧壁向外倾斜，与外延层水平面的角度大于或等于10度，小于或等于45度。
2.根据权利要求1所述的肖特基整流器件，其特征在于所述的第一导电类型外延层包括第一掺杂浓度外延层和第二掺杂浓度外延层，第二掺杂浓度外延层位于第一掺杂浓度外延层之上，第一掺杂浓度大于第二掺杂浓度。
3.根据权利要求2所述的肖特基整流器件，其特征在于第一导电类型第一掺杂浓度外延层的掺杂浓度为1E16/CM3 3E16/CM3。
4.根据权利要求2所述的肖特基整流器件，其特征在于第一导电类型第二掺杂浓度外延层的掺杂浓度为1E15/CM3 5E15/CM3。
5.根据权利要求1所述的肖特基整流器件，其特征在于所述的沟槽深度大于肖特基结深。
6.根据权利要求5所述的肖特基整流器件，其特征在于所述的沟槽深度为Ium 6um，肖特基结深为Ium 3um。
7.根据权利要求1所述的肖特基整流器件，其特征在于所述的沟槽内的填充层为多晶硅和二氧化硅。
8.根据权利要求1所述的肖特基整流器件，其特征在于还包括位于第一导电类型基底和第一导电类型外延层之间的第一导电类型缓冲层。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的肖特基整流器件，其特征在于所述的第一导电类型为N型。
10.一种肖特基整流器件的制造方法，其特征在于，包括以下几个步骤(a)形成第一导电类型基底；(b)于第一导电类型基底之上形成第一导电类型外延层；(c)于第一导电类型外延层中形成向外倾斜的沟槽，沟槽侧壁与外延层水平面的角度大于或等于10度，小于或等于45度；(d)于沟槽中形成填充层；(e)于沟槽之上形成二氧化硅层；(f)于第一导电类型外延层之上的沟槽区域外形成势垒金属；(g)于第一导电类型基底之下形成第一导电类型阴极层；(h)于阴极层上形成接触电极。
11.根据权利要求10所述的一种肖特基整流器件的制造方法，其特征在于，所述的步骤(c)中的沟槽是先在外延层表面形成一层二氧化硅层，再通过曝光、显影形成沟槽图形， 再腐蚀图形形成沟槽。
12.根据权利要求10所述的一种肖特基整流器件的制造方法，其特征在于，还包括以下步骤在步骤(a)和步骤(b)之间增加一层第一导电类型缓冲层。
13.根据权利要求10所述的一种肖特基整流器件的制造方法，其特征在于，步骤(d)中所述的沟槽中的填充层为多晶硅和二氧化硅。
14.根据权利要求12所述的一种肖特基整流器件的制造方法，其特征在于，还包括以下步骤在缓冲层上先生长第一导电类型第一掺杂浓度外延层，接着在第一掺杂浓度外延层上生长第一导电类型第二掺杂浓度外延层。
15.根据权利要求10-14任意一项所述的一种肖特基整流器件的制造方法，其特征在于，所述的第一导电类型为N型。
全文摘要
本发明属于整流器件领域，特别涉及一种沟槽肖特基整流器件，该器件包括由下至上依次为阴极金属、第一导电类型阴极层、第一导电类型基底、第一导电类型外延层、势垒金属；以及位于外延层之上势垒金属区域外的二氧化硅层；所述的外延层至少有一个由其表面向下延伸的沟槽，沟槽位于外延层之上的二氧化硅层之下，所述的沟槽中设有填充层；沟槽至少一个侧壁向外倾斜，与外延层水平面的角度大于或等于10度，小于或等于45度；该肖特基整流器件有效地缓减了电势的过度集中，提高器件的反向击穿电压；另外本发明还公开了肖特基整流器件的一种制造方法。
文档编号H01L29/872GK102569422SQ20101062219
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者严光能 申请人:比亚迪股份有限公司