碳化硅肖特基器件技术研究

赵 欢，王国树

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032；2.西藏军区77505部队，拉萨850000）

碳化硅肖特基器件技术研究

赵 欢1，王国树2

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032；2.西藏军区77505部队，拉萨850000）

针对碳化硅肖特基二极管的关键技术，促进国内碳化硅肖特基二极管有理论研究走向实际产品并向应用发展，力求解决碳化硅肖特基二极管设计及制造过程中的技术问题，深入分析氧化技术，刻蚀技术，掺杂技术，金属化技术等关键技术，研制出碳化硅肖特基二极管器件，并且器件技术指标良好。器件已应用在开关模式电源的有源功率因数校正和电机驱动器等电源转换方面，达到了漏电流小，通态电阻低，高温工作稳定性良好等要求。

碳化硅；二极管；肖特基；大功率；半导体；电子器件

1 引 言

SiC材料宽的禁带、高的临界击穿电场、高的热导率以及饱和漂移速度高等特点，使其在高温、高压、高频、大功率和抗辐射等方面有非常广泛的应用前景。基于此，对碳化硅电力电子器件的研究与开发因此而蓬勃开展，逐渐深入，进展越来越快。对电力电子器件而言，碳化硅的材料优势并不仅仅在于提高器件的耐压能力，碳化硅电力电子器件能真正进入市场与硅器件竞争，更重要的一面还在其能大幅度降低功率消耗的潜力。这是碳化硅作为制造电力电子器件的一种新材料而使电力电子技术的节能优势更加充分发挥的切入点。碳化硅与硅在电力电子技术领域竞争的另一优势是能够兼顾器件的功率和频率，以及耐高温。这些正好都是电力电子技术的进一步发展对器件提出的基本要求，而硅和砷化镓在这些方面都有很大的局限性。

肖特基二极管是利用金属与半导体之间接触势垒进行工作的一种多数载流子器件［1］。

自采用JTE技术获得了国内第一个MPS二极管以来［2］，SiC器件在高温特性研究和应用方面都取得了很大进展，这之后Shanbhag报导了击穿电压达600V的商业4H-SiC肖特基势垒二极管的工作温度可低至-196℃［3］，Casady报导了能工作于25℃-500℃的掺杂6H-SiC温度传感器［4］。目前世界上已经进入实用化的碳化硅产品为碳化硅肖特基二极管，SiC材料制成的肖特基二极管有很多优点：泄漏电流小、通态电阻低、高温工作稳定性好和抗辐照性能好。

由于碳化硅肖特基二极管的上述优点，被广泛应用于开关模式电源（SMPS）的有源功率因数校正（CCM PFC）和太阳能逆变器与电机驱动器等其他AC／DC和 DC／DC电源转换中。在高温半导体器件方面，利用SiC材料制作的SiCJFET和SiC器件可以在无任何领却散热系统下的600℃高温下正常工作，在航空航天、高温辐射环境、石油勘探等方面发挥重要作用。

2 器件结构设计和工艺流程

对于碳化硅肖特基二极管来说，主要研究内容为器件的结构设计和具体的工艺制程研究，在结构设计方面采用SiC-SBD结构。这种SiC-SBD要求其有较高的反向击穿电压VB、很小的反向漏电流IR和适当的正向压降VF。当设计很高的反向击穿电压VB时，能够获得更小的反向漏电流IR。但是反向漏电流的下降同时要以正向压降VF的上升为代价，针对大电流应用环境的SiC-SBD来说，VF增加就意味着器件的内部损耗变大，散热方案变得复杂。而要使得VF回归到合适的数值就要增大管芯的有效势垒区面积，由此制造成本方面将失去优势。因此，在SBD器件参数之间存在着许多矛盾，这就要求我们在材料参数、结构及版图设计等环节多加考虑，找到最佳平衡点。设计的SBD剖面结构示意图如图1所示。

图1 SiC-SBD剖面结构示意图

样管研制阶段采用了平面制程工艺，通过将多次单项工艺实验获取的经验结论与样管制造流程工艺步骤的设计思路不断优化整合，特别是考虑在常压、高温条件下SiC材料不熔化，但在超过1800℃的高温时，SiC会升华并分解。由于SiC材料高硬度和高化学稳定性的特点，其图形加工均需采用基于等离子体技术的干法刻蚀工艺。如反应离子刻蚀（RIE）、等离子体增强刻蚀（PE）、感应耦合等离子体刻蚀（ICP）、电子回旋共振反应离子刻蚀（Ecm皿）以及不同刻蚀方法的组合等。刻蚀气体大多采用氟基气体（如SF6、NF3、PF6、BF3、CF4）以及与氧气或氩气的混合气体［5-8］，形成如图2所示的工艺流程图。

3 注入仿真

利用TRIM碳化硅材料工艺方法和预测结果的关系进行模拟或虚拟拉偏实验。离子注入是制作SiC SBD的一步相当重要的工艺，P+保护环和背面N+层都是采用多次选择性离子注入形成的。设计的P+区深度为0.6μm。由于注入能量对注入深度的限制，在注入形成P+区时，在样片表面淀积一层100nm的SiO2作为隧道效应的缓冲层，并且出于减少注入损伤的考虑，P+采用多次离子注入形成。

图2 工艺流程图

如图3所示，从图中可以看到，表面加上一层100nm的SiO2之后，使得表面浓度提升，有利于P+区的欧姆接触。但是从此分布图上看，P+区内的杂质浓度分布不够均匀，存在近表面和体内的两个峰值，这与设计的理想箱型分布还有较大的差距，因此将离子注入的次数增加到四次，能量和剂量也相应作出调整。

图3 P+区两次离子注入TRIM仿真图

四次Al离子注入TRIM仿真图如图4所示，从图中可以看出在距离表面200nm到450nm的P+区范围内，Al离子掺杂浓度范围为2.3×1019-5× 1019cm-3，得到了一个分布均匀的箱型区。在注入完以后通过清洗表面的SiO2就可以在SiC表面实现浓度均匀的Al离子高掺杂分布区。

四次N离子注入TRIM仿真图如图5所示。从TRIM仿真图可以看出，距离表面200nm到450nm的源区范围内，N离子掺杂浓度范围为3.2×1019-5×1019cm-3，得到了一个分布很均匀的箱型区。

4 结束语

通过对碳化硅肖特基二极管结构进行设计，随后利用模拟软件TRIM进行碳化硅材料工艺方法模拟，特别对离子注入进行了多次仿真实验，将离子注入的次数增加到四次，能量和剂量也相应作出调整。最终制备出碳化硅肖特基器件，器件功能和性能指标良好。

图4 P+区四次离子注入TRIM仿真图

图5 N+区四次离子注入TRIM仿真图

［1］ ［美］巴利加.功率半导体器件基础［M］.韩郑生，等译.北京：电子工业出版社，2013. Baliga，B.J.Fundamentals of Power Semiconductor Devices［M］.Springer Science Business Media，2008.

［2］ Yuming Zhang，Yimen Zhang，P Alexandrov，et al.Fabrication of 4H—SiCMerged PN—Sehottky Diodes［J］.ChineseJournal of Semiconductor，2001，22（3）：265-270.

［3］ Shanbhag M，Chow T.P Cryogenic operation of 4H-SiC Schottky Rectifiers［A］.Proceedings of the 14th International Symposium on 2002［C］，129-132.

［4］ Casady Jeffery B，William C.Dill，R，Johnson Wayne.A hybrid 6H-SiC temperature sensor operational from 25℃to 500℃［J］.IEEE Transactions on Components，1996，19：416-422.

［5］ Kim DW，Lee H Y，Kyoung S J，et al.Magnetically enhanced inductively coupled plasma etching of 6H-SiC［J］.IEEE Tram.Plas.Sci.，2004，32（3）：1362-1366.

［6］ Leerungnarat P，Lee K P，Pearton S J，et al.Comprison of F2 plasma chemistries for deep etching of SiC［J］.JElectron Mater，200l，30（3）：202-206.

［7］ Plank N.O.V.，Van der Drift E.W.J.M.The etching of silicon carbide ininductively coupled sF6／02 plasma［J］.J.Phy8.D：Appl.Phys.，2003，36：482-487.

［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

赵欢（1989-），男，辽宁省沈阳市人，助理工程师，主研方向：集成电路制造。

2016-05-17