[发明专利]SiC半导体器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种SiC半导体器件及其制备方法，该器件包括衬基、第一缓冲层、漂移层、外延层、漏栅源区、第二缓冲层、耐压层及贯通区于外延区的贯通区，通过增加同材料的垫底及外延层的氧化层，可隔离与保护衬底或外延层，并减少衬垫氧化层出现潜在缺陷的概率，降低后续沟槽结构出现损伤的风险；引入双层缓冲层，避免两层材料之间可能存在晶格失配，实现应力释放与位错过滤，减小研磨可能造成应力而使得器件层结构损坏的问题，使器件结构更加稳定，提高了系统稳定性；引入大小不同的源极区，可适用于不同的载流子大小需求；引入浅沟槽隔离结构将耐压层分为高耐压器件区与非高耐压器件区，可适用于高压或低压不同应用环境中。

技术领域

本发明涉及半导体集成电路技术领域，尤其涉及一种SiC半导体器件及其制备方法。

背景技术

半导体器件是由数百万个基础构件所组成，要制造这样的一块半导体器件，需要经过集成电路设计、晶圆制造、封装测试等几道工序。集成电路的基础构件包括晶体管、电容器及电阻器。晶体管通常包括源极(Source)、漏极(Drain)以及栅极堆迭，而栅极堆迭的组成是先在衬底(硅)上方形成一介质层(通常为二氧化硅)，然后在介质层上覆盖一层薄膜(如：多晶硅)作为电极。

第三代半导体器件的优势主要表现在：(1)比导通电阻是硅器件的近千分之一(在相同的电压/电流等级)，可以大大降低器件的导通损耗；(2)开关频率是硅器件的20倍，可以大大减小电路中储能元件的体积，从而成倍地减小设备体积，减少贵重金属等材料的消耗；(3)理论上可以在600℃以上的高温环境下工作，并有抗辐射的优势，可以大大提高系统的可靠性，在能源转换领域具有巨大的技术优势和应用价值。

碳化硅(Silicon Carbide)是C元素和Si元素形成的化合物，目前已发现的碳化硅同质异型晶体结构有200多种，其中六方结构的4H型SiC(4H-SiC)具有高临界击穿电场、高电子迁移率的优势，是制造高压、高温、抗辐照功率半导体器件的优良半导体材料，也是目前综合性能最好、商品化程度最高、技术最成熟的第三代半导体材料，相比于传统的半导体材料，4H碳化硅(4H-SiC)具有以下几个优势：(1)化学性质稳定，可以通过热氧化生成优质的绝缘层；(2)电子饱和速度高，使得4H-SiC器件的导通损耗相当低；(3)热导率是Si的3倍，临界击穿电场是Si的10倍，不仅提高了器件的散热特性，而且使得4H-SiC器件的耐压容量、工作频率和电流密度都得到了较大提高。更为重要的是，在第三代宽禁带半导体材料中，4H-SiC是唯一能通过热氧化生长SiO2绝缘层的半导体材料，且形成的SiO2质量和在Si上形成的SiO2无任何差别，质地紧密且缺陷少，因而能和当今主流的Si工艺线相兼容。这些特性使4H-SiC材料用于制造诸如MOSFET、IGBT、MCT之类的功率半导体器件来说是Si的理想替代物，而这些功率半导体器件对于应用在高压、高频、高温环境下是非常适合的。

与传统硅功率器件制作工艺不同的是，碳化硅SiC功率器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上，必须在导通型单晶衬底上额外生长高质量的外延材料，并在外延层上制造各类器件。所以，碳化硅功率半导体产业链主要包含单晶材料、外延材料、器件、模块和应用这几个环节。其中，单晶材料是碳化硅功率半导体技术和产业的基础，主要技术指标有单晶直径、微管密度、单晶电阻率、表面粗糙度、翘曲度等；外延材料是实现器件制造的关键，主要技术指标有外延片直径、外延层厚度、外延层掺杂浓度和表面缺陷密度等；器件是整个产业链的核心，主要技术指标有阻断电压、单芯片导通电流/电阻、阻断状态的漏电流、工作温度等；模块是实现器件应用的桥梁，主要技术指标有模块容量、热阻、寄生参数和驱动保护等；应用是碳化硅功率半导体器件和产业发展的源动力，主要技术指标是开关频率、转换效率和功率密度等。

碳化硅功率半导体器件包括二极管和晶体管，其中二极管主要有结势垒肖特基功率二极管(JBS)、PIN功率二极管和混合PIN肖特基二极管(MPS)；晶体管主要有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极型晶体管(BJT)、结型场效应晶体管(JFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和门极可关断晶闸管(GTO)等。