碳化硅肖特基器件技術研究

趙 歡，王國樹

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

碳化硅肖特基器件技術研究

趙 歡1，王國樹2

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

針對碳化硅肖特基二極管的關鍵技術，促進國內碳化硅肖特基二極管有理論研究走向實際產品并向應用發展，力求解決碳化硅肖特基二極管設計及制造過程中的技術問題，深入分析氧化技術，刻蝕技術，摻雜技術，金屬化技術等關鍵技術，研制出碳化硅肖特基二極管器件，并且器件技術指標良好。器件已應用在開關模式電源的有源功率因數校正和電機驅動器等電源轉換方面，達到了漏電流小，通態電阻低，高溫工作穩定性良好等要求。

碳化硅；二極管；肖特基；大功率；半導體；電子器件

1 引 言

SiC材料寬的禁帶、高的臨界擊穿電場、高的熱導率以及飽和漂移速度高等特點，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用前景。基于此，對碳化硅電力電子器件的研究與開發因此而蓬勃開展，逐漸深入，進展越來越快。對電力電子器件而言，碳化硅的材料優勢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入市場與硅器件競爭，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的節能優勢更加充分發揮的切入點。碳化硅與硅在電力電子技術領域競爭的另一優勢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的進一步發展對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體之間接觸勢壘進行工作的一種多數載流子器件［1］。

自采用JTE技術獲得了國內第一個MPS二極管以來［2］，SiC器件在高溫特性研究和應用方面都取得了很大進展，這之后Shanbhag報導了擊穿電壓達600V的商業4H-SiC肖特基勢壘二極管的工作溫度可低至-196℃［3］，Casady報導了能工作于25℃-500℃的摻雜6H-SiC溫度傳感器［4］。目前世界上已經進入實用化的碳化硅產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點：泄漏電流小、通態電阻低、高溫工作穩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點，被廣泛應用于開關模式電源（SMPS）的有源功率因數校正（CCM PFC）和太陽能逆變器與電機驅動器等其他AC／DC和 DC／DC電源轉換中。在高溫半導體器件方面，利用SiC材料制作的SiCJFET和SiC器件可以在無任何領卻散熱系統下的600℃高溫下正常工作，在航空航天、高溫輻射環境、石油勘探等方面發揮重要作用。

2 器件結構設計和工藝流程

對于碳化硅肖特基二極管來說，主要研究內容為器件的結構設計和具體的工藝制程研究，在結構設計方面采用SiC-SBD結構。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和適當的正向壓降VF。當設計很高的反向擊穿電壓VB時，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要以正向壓降VF的上升為代價，針對大電流應用環境的SiC-SBD來說，VF增加就意味著器件的內部損耗變大，散熱方案變得復雜。而要使得VF回歸到合適的數值就要增大管芯的有效勢壘區面積，由此制造成本方面將失去優勢。因此，在SBD器件參數之間存在著許多矛盾，這就要求我們在材料參數、結構及版圖設計等環節多加考慮，找到最佳平衡點。設計的SBD剖面結構示意圖如圖1所示。

圖1 SiC-SBD剖面結構示意圖

樣管研制階段采用了平面制程工藝，通過將多次單項工藝實驗獲取的經驗結論與樣管制造流程工藝步驟的設計思路不斷優化整合，特別是考慮在常壓、高溫條件下SiC材料不熔化，但在超過1800℃的高溫時，SiC會升華并分解。由于SiC材料高硬度和高化學穩定性的特點，其圖形加工均需采用基于等離子體技術的干法刻蝕工藝。如反應離子刻蝕（RIE）、等離子體增強刻蝕（PE）、感應耦合等離子體刻蝕（ICP）、電子回旋共振反應離子刻蝕（Ecm皿）以及不同刻蝕方法的組合等。刻蝕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測結果的關系進行模擬或虛擬拉偏實驗。離子注入是制作SiC SBD的一步相當重要的工藝，P+保護環和背面N+層都是采用多次選擇性離子注入形成的。設計的P+區深度為0.6μm。由于注入能量對注入深度的限制，在注入形成P+區時，在樣片表面淀積一層100nm的SiO2作為隧道效應的緩沖層，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+區的歐姆接觸。但是從此分布圖上看，P+區內的雜質濃度分布不夠均勻，存在近表面和體內的兩個峰值，這與設計的理想箱型分布還有較大的差距，因此將離子注入的次數增加到四次，能量和劑量也相應作出調整。

圖3 P+區兩次離子注入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+區范圍內，Al離子摻雜濃度范圍為2.3×1019-5× 1019cm-3，得到了一個分布均勻的箱型區。在注入完以后通過清洗表面的SiO2就可以在SiC表面實現濃度均勻的Al離子高摻雜分布區。

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的源區范圍內，N離子摻雜濃度范圍為3.2×1019-5×1019cm-3，得到了一個分布很均勻的箱型區。

4 結束語

通過對碳化硅肖特基二極管結構進行設計，隨后利用模擬軟件TRIM進行碳化硅材料工藝方法模擬，特別對離子注入進行了多次仿真實驗，將離子注入的次數增加到四次，能量和劑量也相應作出調整。最終制備出碳化硅肖特基器件，器件功能和性能指標良好。

圖4 P+區四次離子注入TRIM仿真圖

圖5 N+區四次離子注入TRIM仿真圖

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

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［8］ Leenmgnawarat P，Cho H，Pearton SJ，etal.Effectof light irradiati on sic dry etch rates［J］.JElectron Mater，2000， 29（3）：342-346.

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，遼寧省沈陽市人，助理工程師，主研方向：集成電路制造。

2016-05-17