[发明专利]高电压碳化硅半导体器件的环境坚固钝化结构

说明书

技术领域

本发明涉及基于碳化硅(SiC)的半导体器件，该器件工作在高电压下从而存在或者否则产生或经历高电场。这种器件典型地包括，但不一定局限于肖特基(整流)二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)；绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)；PIN二极管；双极结型晶体管(BJT)。例如(但不作为限制)，基于SiC的功率器件用于(开关)电源、电机控制、功率调节、混合汽车技术、安全装备和蓄电是有利的。

背景技术

对于功率电子器件，碳化硅提供许多物理、化学和电子的优点。在物理方面，材料非常硬并且具有非常高的熔点，给予它坚固的物理特性。在化学方面，碳化硅高度抗化学侵蚀从而提供化学稳定性以及热稳定性。但是，或许最重要地，碳化硅具有极好的电子特性，包括高击穿电场、相对宽的带隙(室温下对于6H多型体为大约2.9eV)、高饱和电子漂移速度，给予它相对于高功率操作、高温操作、抗辐射以及在光谱的蓝色、紫色和紫外线区中高能量光子的吸收和发射的显著优点。

对于功率应用，碳化硅的宽带隙导致高冲击电离能。这又允许SiC经历相对高的电场，而没有电离载流子的雪崩倍增。作为比较，碳化硅的电场容量为硅的大约十倍大。

因为这些器件的有源区经历或产生这种高电场，这种器件典型地必须包括某种终止结构以减小在器件边缘的电场效应(“场拥挤”)。在常见的实例中，终止结构包括与有源区相邻的碳化硅中的注入区。因为器件的表面也必须终止，某种钝化结构典型地增加到该表面。在大多数情况下，表面钝化结构可以包括聚合物(经常地聚酰亚胺)或电介质钝化例如氧化硅、氮化硅或这些的某种组合，包括非化学计量氧化物和非化学计量氮化物(也就是，除了SiO₂和Si₃N₄之外)。

随着能够处理较高电压从而较高电场的基于SiC的器件持续研制，意外地发现通常在低于大约1500℃的温度下抗化学侵蚀的碳化硅在与这些类型的电子功率器件相关联的高电场存在的情况下在低得多温度下将仍然氧化。特别地，在显著的瞬态电流通过器件例如在开关功率器件中，该氧化在器件中存在。如最佳理解的，这似乎是另外的常规氧化还原反应，其中在较高电场下和以相对较高的频率施加的电子的存在激励氧化发生。

碳化硅的该意外和多余氧化可以在相对适度的操作温度下发生；也就是低至125℃，而不是碳化硅将参与化学反应之前所必需的通常高得多的温度。

随着产生的多余氧化物生长，它延伸并且趋向于提升钝化层远离器件，最终退化或消除它的性能特性。

常规的氧化物钝化技术也趋向于在高电场下表现出漂移。该漂移的至少一些归因于氢的存在(作为氢离子存在)，其趋向于朝向负电极漂移，导致减小器件的阻挡能力和器件的总体性能的电荷累积。氢的存在典型地由使用等离子增强化学汽相沉积(PECVD)形成钝化结构而产生，因为在PECVD中使用的氧化物前体中许多包含氢。

在这点上发现的问题已经在低至250千瓦每厘米(kV/cm)的场强处观察到，并且在500kV/cm或更高处非常明显。许多基于SiC的功率器件经历高达大约1.5兆伏每厘米(MV/cm)的电场。

因此，将充分利用碳化硅的场强特性的器件要求可以承受这种场强而没有多余的电子行为例如漂移以及没有腐蚀性氧化还原反应例如碳化硅到某种化学计量或非化学计量氧化硅的氧化的钝化结构。

发明内容

本发明是一种用于碳化硅中高电场半导体器件的改进的终止结构。该结构包括用于高电场工作的基于碳化硅的器件，所述器件中的有源区，所述有源区的边缘终止钝化(edge terminationpassivation)，其中所述边缘终止钝化包括，位于器件的至少一些碳化硅部分上的用于满足表面状态和降低界面密度的氧化物层，位于所述氧化物层上用于避免氢的结合且用于减小寄生电容和最小化捕获的氮化硅的非化学计量层，以及位于非化学计量层上用于密封所述非化学计量层和所述氧化物层的氮化硅的化学计量层。