碳化硅肖特基器件技術(shù)研究

趙 歡，王國(guó)樹(shù)

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032；2.西藏軍區(qū)77505部隊(duì)，拉薩850000）

碳化硅肖特基器件技術(shù)研究

趙 歡1，王國(guó)樹(shù)2

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032；2.西藏軍區(qū)77505部隊(duì)，拉薩850000）

針對(duì)碳化硅肖特基二極管的關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)國(guó)內(nèi)碳化硅肖特基二極管有理論研究走向?qū)嶋H產(chǎn)品并向應(yīng)用發(fā)展，力求解決碳化硅肖特基二極管設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中的技術(shù)問(wèn)題，深入分析氧化技術(shù)，刻蝕技術(shù)，摻雜技術(shù)，金屬化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，研制出碳化硅肖特基二極管器件，并且器件技術(shù)指標(biāo)良好。器件已應(yīng)用在開(kāi)關(guān)模式電源的有源功率因數(shù)校正和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等電源轉(zhuǎn)換方面，達(dá)到了漏電流小，通態(tài)電阻低，高溫工作穩(wěn)定性良好等要求。

碳化硅；二極管；肖特基；大功率；半導(dǎo)體；電子器件

1 引 言

SiC材料寬的禁帶、高的臨界擊穿電場(chǎng)、高的熱導(dǎo)率以及飽和漂移速度高等特點(diǎn)，使其在高溫、高壓、高頻、大功率和抗輻射等方面有非常廣泛的應(yīng)用前景?；诖耍瑢?duì)碳化硅電力電子器件的研究與開(kāi)發(fā)因此而蓬勃開(kāi)展，逐漸深入，進(jìn)展越來(lái)越快。對(duì)電力電子器件而言，碳化硅的材料優(yōu)勢(shì)并不僅僅在于提高器件的耐壓能力，碳化硅電力電子器件能真正進(jìn)入市場(chǎng)與硅器件競(jìng)爭(zhēng)，更重要的一面還在其能大幅度降低功率消耗的潛力。這是碳化硅作為制造電力電子器件的一種新材料而使電力電子技術(shù)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)更加充分發(fā)揮的切入點(diǎn)。碳化硅與硅在電力電子技術(shù)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的另一優(yōu)勢(shì)是能夠兼顧器件的功率和頻率，以及耐高溫。這些正好都是電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展對(duì)器件提出的基本要求，而硅和砷化鎵在這些方面都有很大的局限性。

肖特基二極管是利用金屬與半導(dǎo)體之間接觸勢(shì)壘進(jìn)行工作的一種多數(shù)載流子器件［1］。

自采用JTE技術(shù)獲得了國(guó)內(nèi)第一個(gè)MPS二極管以來(lái)［2］，SiC器件在高溫特性研究和應(yīng)用方面都取得了很大進(jìn)展，這之后Shanbhag報(bào)導(dǎo)了擊穿電壓達(dá)600V的商業(yè)4H-SiC肖特基勢(shì)壘二極管的工作溫度可低至-196℃［3］，Casady報(bào)導(dǎo)了能工作于25℃-500℃的摻雜6H-SiC溫度傳感器［4］。目前世界上已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化的碳化硅產(chǎn)品為碳化硅肖特基二極管，SiC材料制成的肖特基二極管有很多優(yōu)點(diǎn)：泄漏電流小、通態(tài)電阻低、高溫工作穩(wěn)定性好和抗輻照性能好。

由于碳化硅肖特基二極管的上述優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）的有源功率因數(shù)校正（CCM PFC）和太陽(yáng)能逆變器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等其他AC／DC和 DC／DC電源轉(zhuǎn)換中。在高溫半導(dǎo)體器件方面，利用SiC材料制作的SiCJFET和SiC器件可以在無(wú)任何領(lǐng)卻散熱系統(tǒng)下的600℃高溫下正常工作，在航空航天、高溫輻射環(huán)境、石油勘探等方面發(fā)揮重要作用。

2 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝流程

對(duì)于碳化硅肖特基二極管來(lái)說(shuō)，主要研究?jī)?nèi)容為器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和具體的工藝制程研究，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采用SiC-SBD結(jié)構(gòu)。這種SiC-SBD要求其有較高的反向擊穿電壓VB、很小的反向漏電流IR和適當(dāng)?shù)恼驂航礦F。當(dāng)設(shè)計(jì)很高的反向擊穿電壓VB時(shí)，能夠獲得更小的反向漏電流IR。但是反向漏電流的下降同時(shí)要以正向壓降VF的上升為代價(jià)，針對(duì)大電流應(yīng)用環(huán)境的SiC-SBD來(lái)說(shuō)，VF增加就意味著器件的內(nèi)部損耗變大，散熱方案變得復(fù)雜。而要使得VF回歸到合適的數(shù)值就要增大管芯的有效勢(shì)壘區(qū)面積，由此制造成本方面將失去優(yōu)勢(shì)。因此，在SBD器件參數(shù)之間存在著許多矛盾，這就要求我們?cè)诓牧蠀?shù)、結(jié)構(gòu)及版圖設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)多加考慮，找到最佳平衡點(diǎn)。設(shè)計(jì)的SBD剖面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 SiC-SBD剖面結(jié)構(gòu)示意圖

樣管研制階段采用了平面制程工藝，通過(guò)將多次單項(xiàng)工藝實(shí)驗(yàn)獲取的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論與樣管制造流程工藝步驟的設(shè)計(jì)思路不斷優(yōu)化整合，特別是考慮在常壓、高溫條件下SiC材料不熔化，但在超過(guò)1800℃的高溫時(shí)，SiC會(huì)升華并分解。由于SiC材料高硬度和高化學(xué)穩(wěn)定性的特點(diǎn)，其圖形加工均需采用基于等離子體技術(shù)的干法刻蝕工藝。如反應(yīng)離子刻蝕（RIE）、等離子體增強(qiáng)刻蝕（PE）、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（ICP）、電子回旋共振反應(yīng)離子刻蝕（Ecm皿）以及不同刻蝕方法的組合等?？涛g氣體大多采用氟基氣體（如SF6、NF3、PF6、BF3、CF4）以及與氧氣或氬氣的混合氣體［5-8］，形成如圖2所示的工藝流程圖。

3 注入仿真

利用TRIM碳化硅材料工藝方法和預(yù)測(cè)結(jié)果的關(guān)系進(jìn)行模擬或虛擬拉偏實(shí)驗(yàn)。離子注入是制作SiC SBD的一步相當(dāng)重要的工藝，P+保護(hù)環(huán)和背面N+層都是采用多次選擇性離子注入形成的。設(shè)計(jì)的P+區(qū)深度為0.6μm。由于注入能量對(duì)注入深度的限制，在注入形成P+區(qū)時(shí)，在樣片表面淀積一層100nm的SiO2作為隧道效應(yīng)的緩沖層，并且出于減少注入損傷的考慮，P+采用多次離子注入形成。

圖2 工藝流程圖

如圖3所示，從圖中可以看到，表面加上一層100nm的SiO2之后，使得表面濃度提升，有利于P+區(qū)的歐姆接觸。但是從此分布圖上看，P+區(qū)內(nèi)的雜質(zhì)濃度分布不夠均勻，存在近表面和體內(nèi)的兩個(gè)峰值，這與設(shè)計(jì)的理想箱型分布還有較大的差距，因此將離子注入的次數(shù)增加到四次，能量和劑量也相應(yīng)作出調(diào)整。

圖3 P+區(qū)兩次離子注入TRIM仿真圖

四次Al離子注入TRIM仿真圖如圖4所示，從圖中可以看出在距離表面200nm到450nm的P+區(qū)范圍內(nèi)，Al離子摻雜濃度范圍為2.3×1019-5× 1019cm-3，得到了一個(gè)分布均勻的箱型區(qū)。在注入完以后通過(guò)清洗表面的SiO2就可以在SiC表面實(shí)現(xiàn)濃度均勻的Al離子高摻雜分布區(qū)。

四次N離子注入TRIM仿真圖如圖5所示。從TRIM仿真圖可以看出，距離表面200nm到450nm的源區(qū)范圍內(nèi)，N離子摻雜濃度范圍為3.2×1019-5×1019cm-3，得到了一個(gè)分布很均勻的箱型區(qū)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)碳化硅肖特基二極管結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨后利用模擬軟件TRIM進(jìn)行碳化硅材料工藝方法模擬，特別對(duì)離子注入進(jìn)行了多次仿真實(shí)驗(yàn)，將離子注入的次數(shù)增加到四次，能量和劑量也相應(yīng)作出調(diào)整。最終制備出碳化硅肖特基器件，器件功能和性能指標(biāo)良好。

圖4 P+區(qū)四次離子注入TRIM仿真圖

圖5 N+區(qū)四次離子注入TRIM仿真圖

［1］ ［美］巴利加.功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)［M］.韓鄭生，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2013. Baliga，B.J.Fundamentals of Power Semiconductor Devices［M］.Springer Science Business Media，2008.

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Study on Silicon Carbide Schottky Diodes

Zhao Huan1，Wang Guoshu2
（1.The47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China；2.The77505 Army，Tibet Military Region，Lhasa 850000，China）

Aiming at the key technology of silicon carbide schottky diodes，the study is conducted，for the development of research，production and application，to solve the problems in the process of designing and manufacturing.The oxidation technology，etching technology，doping technology and metallization technology are improved for silicon carbide schottky diodes.The diodes，with the characteristics of small leakage current，low resistance and good high temperature stability，are used in power switch such as active power factor correction for the switch mode power supply and motor drive.

Silicon carbide；Diode；Schottky；High-power；Semiconductor；Electron device

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.004

TN4

A

1002-2279（2016）06-0012-03

趙歡（1989-），男，遼寧省沈陽(yáng)市人，助理工程師，主研方向：集成電路制造。

2016-05-17