КАРБИДОКРЕМНИЕВОЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА Российский патент 2021 года по МПК H01L29/06 H01L29/78 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к области техники полупроводниковых устройств, а конкретно - к карбидокремниевому переключающему устройству и способу его изготовления.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Карбид кремния обладает отличными эксплуатационными качествами, такими как широкая запрещенная зона, сильное электрическое поле пробоя, высокая дрейфовая скорость насыщения и высокая теплопроводность, что делает этот материал идеальным для изготовления устройства, способного выдерживать большую мощность, высокую частоту, высокую температуру и излучение. Карбидокремниевый диод Шоттки обладает рядом преимуществ, например, высокой диэлектрической прочностью, высокой плотностью тока, высокой рабочей частотой и т.д., что, таким образом, обеспечивает очень широкую перспективу развития.

В настоящее время карбидокремниевые полевые МОП-транзисторы обладают низкой подвижностью носителей в канале из-за ограничения уровня окисления, тем самым приводя к чрезмерно большому отношению сопротивления канала к общему сопротивлению во включенном состоянии. Для получения лучшей проводимости в полевом МОП-транзисторе, как правило, используется короткий канал, что обычно снижает заданное напряжение устройства; в то же время, снижается блокирующая способность устройства и уменьшается запас устройства при изменении длины канала, что влияет на эффективность устройства. Кроме того, технологии окисления карбида кремния разрабатываются медленно из-за различных свойств материала, и сопротивление канала является основным фактором, который затрудняет функционирование устройства в течение длительного периода времени. Соответственно, существует необходимость разработки новой структуры карбидокремниевого полевого МОП-транзистора для уменьшения отношения сопротивления канала.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель настоящего изобретения: вышеописанные проблемы; в изобретении раскрывается карбидокремниевое переключающее устройство и способ его изготовления; устройство используется для уменьшения отношения сопротивления канала к сопротивлению устройства во включенном состоянии.

Техническое решение: для достижения цели настоящего изобретения реализуются следующие технические решения: карбидокремниевое переключающее устройство включает субстрат, при этом дрейфовый слой первого типа проводимости, легированная область кармана Р-типа второго типа проводимости, образованная способом ионного легирования, N+ область первого типа проводимости, образованная методом ионного легирования, и легированная Р+ область второго типа проводимости, образованная способом ионного легирования, располагаются над субстратом; Вторичная эпитаксиальная канальная область первого типа проводимости и вторичная эпитаксиальная N+ область последовательно располагаются над дрейфовым слоем первого типа проводимости; область латерального легирования кармана Р-типа второго типа проводимости образуется посредством латерального ионного легирования на поверхности устройства; оксидный изолирующий слой затвора располагается над областью латерального легирования кармана Р-типа; электрод затвора располагается над изолирующим слоем затвора; изолирующий диэлектрик располагается над электродом затвора; омический электрод стока располагается под субстратом и область омического контакта - на одной стороне области латерального легирования кармана Р-типа над устройством.

Способ изготовления карбидокремниевого переключающего устройства включает следующие шаги:

(1) эпитаксиальное наращивание дрейфового слоя первого типа проводимости на субстрате первого типа проводимости;

(2) образование легированной области кармана Р-типа второго типа проводимости на дрейфовом слое посредством ионного легирования;

(3) образование N+ области первого типа проводимости на легированной области кармана Р-типа посредством ионного легирования;

(4) образование легированной Р+ области второго типа проводимости на легированной области кармана Р-типа посредством ионного легирования, при этом Р+ область соединяется с N+ областью и легированной областью кармана Р-типа;

(5) образование вторичной эпитаксиальной канальной области первого типа проводимости и вторичной эпитаксиальной N+ области в последовательности эпитаксиального наращивания на поверхности устройства;

(6) образование карбидокремниевого прохода на вторичной эпитаксиальной канальной области и вторичной эпитаксиальной N+ области методом травления;

(7) образование области латерального легирования кармана Р-типа второго типа проводимости на поверхности устройства методом латерального ионного легирования;

(8) образование оксидного изолирующего слоя затвора на области латерального легирования кармана Р-типа посредством высокотемпературного окисления;

(9) изготовление электрода затвора на одной стороне поверхностности устройства методом наращивания;

(10) наращивание изолирующего диэлектрика на поверхности устройства;

(11) создание отверстия в изолирующем диэлектрике и изолирующем слое затвора методом травления; и

(12) изготовление омического электрода стока на боковой поверхности субстрата методом металлизации и образования области омического контакта на одной стороне области латерального легирования кармана Р-области на верхней поверхности устройства посредством высокотемпературного отжига.

Положительные эффекты: настоящее изобретение может значительно уменьшить отношение сопротивления канала к сопротивлению устройства во включенном состоянии и обеспечить включение/выключение устройства с посредством двух способов. Канал на боковой стенке вторичной эпитаксиальной канальной области является очень коротким, и путь тока эпитаксиального дрейфового слоя может отключаться при условии генерирования достаточно высокого перепада напряжения в процессе отключения без учета эффекта смыкания канала при высоком напряжении. Соответственно, настоящее изобретение имеет большие преимущества в сравнении с предыдущим уровнем техники. В то же время, преимущества настоящего изобретения в сравнении со стандартным карбидокремниевым полевым транзистором с управляющим р-n переходом обеспечиваются при условии, что в устройстве используется широкий путь тока эпитаксиального дрейфового слоя и поддерживается положительное заданное напряжение.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 - схематическое изображение, на котором приводится эпитаксиальное наращивание;

Фиг. 2 - схематическое изображение, на котором приводится область кармана Р-типа;

Фиг. 3 - схематическое изображение, на котором приводится N+ область;

Фиг. 4 - схематическое изображение, на котором приводится Р+ область;

Фиг. 5 - схематическое изображение, на котором приводится вторичное эпитаксиальное наращивание;

Фиг. 6 - схематическое изображение, на котором приводится травление вторичного эпитаксиального слоя;

Фиг. 7 - схематическое изображение, на котором приводится латеральное легирование канальной области МОП;

Фиг. 8 - схематическое изображение, на котором приводится наращивание изолирующего слоя затвора;

Фиг. 9 - схематическое изображение, на котором приводится изготовление электрода затвора;

Фиг. 10 - схематическое изображение, на котором приводится наращивание изолирующего диэлектрика;

Фиг. 11 - схематическое изображение, на котором приводится травление изолирующего отверстия; и

Фиг. 12 - схематическое изображение, на котором приводится металлизация омического контакта.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Технические решения настоящего изобретения описываются далее со ссылкой на чертежи и варианты осуществления.

В изобретении раскрывается карбидокремниевое переключающее устройство и метод его изготовления, при этом метод включает следующие шаги.

(1) Как показано на фиг. 1, дрейфовый слой 2 первого типа проводимости эпитаксиально наращивается на субстрате 1 первого типа проводимости.

Субстрат 1 первого типа проводимости представляет собой карбидокремниевый или кремниевый кристалл, например, структуры кристаллов 4Н, 6Н и 3С, с концентрацией примеси более 1Е19 см^-3.

(2) Как показано на фиг. 2, легированная область кармана Р-типа 3 второго типа проводимости образуется на дрейфовом слое 2 посредством ионного легирования.

Дрейфовый слой 2 - тонкая карбидокремниевая пленка, например, структуры кристаллов 4Н, 6Н и 3С, с концентрацией примесей от 1Е14 до 1,5Е16 см^-3. Когда проводимость первого типа - легирование донорной примесью, в качестве легирующей примеси используется атом азота, а когда проводимость первого типа - легирование акцепторной примесью, в качестве легирующей примеси используется алюминий.

(3) Как показано на фиг. 3, N+ область 4 первого типа проводимости образуется на легированной области кармана Р-типа посредством ионного легирования.

(4) Как показано на фиг. 4, легированная Р+ область 10 второго типа проводимости образуется на легированной области кармана Р-типа 3 посредством ионного легирования, при этом Р+ область 10 соединяется с N+ областью 4 и легированной областью кармана Р-типа 3.

(5) Как показано на фиг. 5, вторичная эпитаксиальная канальная область 5 первого типа проводимости и вторичная эпитаксиальная N+ область 6 образуются в последовательности эпитаксиального наращивания на поверхности устройства;

Толщина вторичной эпитаксиальной канальной области 5 составляет менее 2 мкм. Верхняя структура устройства дважды подвергается обработке методом эпитаксиального наращивания вторичной эпитаксиальной канальной области 5 и вторичной эпитаксиальной N+ области 6, при этом концентрация примеси вторичной эпитаксиальной области 5 канала ниже, чем в области латерального легирования кармана Р-типа 7; концентрация примеси вторичной эпитаксиальной N+ области 6 намного выше, чем в области латерального легирования кармана Р-типа; концентрация примеси вторичной N+ области намного выше, чем в области латерального легирования кармана Р-типа 7; концентрация примеси N+ области намного выше, чем в области латерального легирования кармана Р-типа 7, концентрация примеси вторичной эпитаксиальной области 5 намного выше, чем в дрейфовом слое 2. Благодаря такой структуре длина канала на боковой стенке вторичной эпитаксиальной канальной области 5 зависит от толщины эпитаксиального наращивания.

(6) Как показано на фиг. 6, карбидокремниевый проход образуется методом травления.

(7) Как показано на фиг. 7, область латерального легирования кармана Р-типа 7 второго типа проводимости образуется на поверхности устройства методом латерального ионного легирования.

Латеральное ионное легирование используется в области латерального легирования кармана Р-типа 7, а угол сходимости между направлением легирования и поверхностью кристаллической пластины варьируется от 85 до 0 градусов. Посредством данного метода можно образовать канал на боковой стенке и обеспечить достаточную ширину легированной области второго типа на боковой стенке.

(8) Как показано на фиг. 8, оксидный изолирующий слой затвора 8 образуется на области латерального легирования кармана Р-типа 7 посредством высокотемпературного окисления. Толщина наращивания изолирующего слоя затвора варьируется от 0,005 до 1 мкм.

(9) Как показано на фиг. 9, электрод затвора 9 выполняется на изолирующем слое затвора 8 посредством наращивания.

(10) Как показано на фиг. 10, изолирующий диэлектрик 11 наращивается на поверхности устройства.

(11) Как показано на фиг. 11, изолирующее отверстие создается посредством травления.

(12) Как показано на фиг. 12, омический электрод стока 13 выполняется на боковой поверхности субстрата 1 методом металлизации и область омического контакта 12 образуется на одной стороне области латерального легирования кармана Р-области 7 на верхней поверхности устройства посредством высокотемпературного отжига.

Когда электрод затвора 9 применяется с прямым напряжением, проводящий канал обратно пропорционально образуется на поверхности боковой стенки полупроводника в части вторичной эпитаксиальной канальной области 5, взаимодействуя с областью латерального легирования кармана Р-типа 7, и переключающее устройство включается. Когда напряжение, применяемое к электроду затвора 9, постепенно снижается, сопротивление канала стремительно увеличивается, что в дальнейшем приводит к более высокому перепаду напряжения в канале при прохождении тока. Так как N+ область, Р+ область 10 и легированная область кармана Р-типа 3 соединены между собой, потенциалы трех областей являются одинаковыми; генерируемый перепад напряжения приведет к тому, что потенциал эпитаксиального дрейфового слоя 2 будет выше, чем в легированной области кармана Р-типа 3, таким образом, увеличивая ширину обедненной области легированной области кармана Р-типа в эпитаксиальном дрейфовом слое 2. Вместе с постепенным снижением напряжения обедненная область легированной области кармана Р-типа в эпитаксиальном дрейфовом слое 2 будет становиться все больше и больше, что в конечном итоге приведет к полному отключению пути тока в эпитаксиальном дрейфовом слое.

Включение/выключение устройства осуществляется посредством двух вышеописанных способов. Канал на боковой стенке вторичной эпитаксиальной канальной области 5 может быть очень коротким и путь тока эпитаксиального дрейфового слоя 2 может отключаться при условии генерирования достаточно высокого перепада напряжения в процессе отключения без учета эффекта смыкания канала при высоком напряжении. Соответственно, настоящее изобретение имеет большие преимущества в сравнении с предыдущим уровнем техники. В то же время, может использоваться широкий путь тока эпитаксиального дрейфового слоя 2 и поддерживаться положительное заданное напряжение, что обуславливает преимущества настоящего изобретения в сравнении со стандартным карбидокремниевым полевым транзистором с управляющим р-n переходом. При нормальной работе устройство находится в выключенном состоянии.

В изобретении раскрывается карбидокремниевое переключающее устройство и метод его изготовления; устройство используется для уменьшения отношения сопротивления канала к сопротивлению устройства во включенном состоянии. Согласно настоящему изобретению верхняя структура устройства дважды подвергается обработке методом эпитаксиального наращивания, при этом концентрация примеси вторичной эпитаксиальной канальной области ниже, чем в области латерального легирования кармана Р-типа; концентрация примеси вторичной эпитаксиальной N+ области намного выше, чем в области латерального легирования кармана Р-типа; концентрация примеси N+ области намного выше, чем в области латерального легирования кармана Р-типа. Благодаря такой структуре длина канала на боковой стенке вторичной эпитаксиальной канальной области зависит от толщины эпитаксиального наращивания. Включение/выключение устройства по настоящему изобретению осуществляется посредством двух способов. Канал на боковой стенке вторичной эпитаксиальной канальной области является очень коротким, и путь тока эпитаксиального дрейфового слоя может отключаться при условии генерирования достаточно высокого перепада напряжения в процессе отключения без учета эффекта смыкания канала при высоком напряжении; соответственно, настоящее изобретение имеет большие преимущества в сравнении с предыдущим уровнем техники; в то же время используется широкий путь тока эпитаксиального дрейфового слоя и поддерживается положительное заданное напряжение, что обуславливает преимущества настоящего изобретения в сравнении со стандартным карбидокремниевым полевым транзистором с управляющим р-n переходом. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Карбидокремниевое переключающее устройство, включающее субстрат, отличающееся тем, что дрейфовый слой первого типа проводимости, легированная область кармана Р-типа второго типа проводимости, образованная способом ионного легирования, N+ область первого типа проводимости, образованная способом ионного легирования, и легированная Р+ область второго типа проводимости, образованная способом ионного легирования, располагаются над субстратом;

вторичная эпитаксиальная канальная область первого типа проводимости и вторичная эпитаксиальная N+ область последовательно располагаются над дрейфовым слоем первого типа проводимости; область латерального легирования кармана Р-типа второго типа проводимости образуется способом латерального ионного легирования на поверхности устройства;

оксидный изолирующий слой затвора располагается над областью латерального легирования кармана Р-типа; электрод затвора располагается над изолирующим слоем затвора; изолирующий диэлектрик располагается над электродом затвора; и

омический электрод стока располагается под субстратом и область омического контакта - на одной стороне области латерального легирования кармана Р-типа над устройством.

2. Переключающее устройство по п. 1, отличающееся тем, что глубина легирования легированной области кармана Р-типа второго типа проводимости меньше, чем глубина дрейфового слоя первого типа проводимости, а исходная глубина N+ области первого типа проводимости и исходная глубина легированной Р+ области второго типа проводимости меньше, чем глубина легированной Р+ области второго типа проводимости.

3. Переключающее устройство по п. 1, отличающееся тем, что концентрация примеси вторичной эпитаксиальной N+ области выше, чем в области латерального легирования кармана Р-типа, а концентрация примеси N+ области выше, чем в области латерального легирования кармана Р-типа.

4. Переключающее устройство по п. 1, отличающееся тем, что концентрация примеси области латерального легирования кармана Р-типа выше, чем во вторичной эпитаксиальной канальной области.

5. Переключающее устройство по п. 1, отличающееся тем, что концентрация примеси вторичной эпитаксиальной канальной области выше, чем в дрейфовом слое.

6. Переключающее устройство по п. 1, отличающееся тем, что толщина вторичной эпитаксиальной канальной области составляет менее 2 мкм.

7. Переключающее устройство по п. 1, отличающееся тем, что толщина наращивания изолирующего слоя затвора варьируется от 0,005 до 1 мкм.

8. Способ изготовления карбидокремниевого переключающего устройства, включающий следующие шаги:

(1) эпитаксиальное наращивание дрейфового слоя первого типа проводимости на субстрате первого типа проводимости;

(2) образование легированной области кармана Р-типа второго типа проводимости на дрейфовом слое посредством ионного легирования;

(3) образование N+ области первого типа проводимости на легированной области кармана Р-типа посредством ионного легирования;

(4) образование легированной Р+ области второго типа проводимости на легированной области кармана Р-типа посредством ионного легирования, при этом Р+ область соединяется с N+ областью и легированной областью кармана Р-типа;

(5) образование вторичной эпитаксиальной канальной области первого типа проводимости и вторичной эпитаксиальной N+ области в последовательности эпитаксиального наращивания на поверхности устройства;

(6) образование карбидокремниевого прохода на вторичной эпитаксиальной канальной области и вторичной эпитаксиальной N+ области способом травления;

(7) образование области латерального легирования кармана Р-типа второго типа проводимости на поверхности устройства способом латерального ионного легирования;

(8) образование оксидного изолирующего слоя затвора на области латерального легирования кармана Р-типа посредством высокотемпературного окисления;

(9) изготовление электрода затвора на одной стороне поверхностности устройства способом наращивания;

(10) наращивание изолирующего диэлектрика на поверхности устройства;

(11) создание отверстия в изолирующем диэлектрике и изолирующем слое затвора способом травления; и

(12) изготовление омического электрода стока на боковой поверхности субстрата способом металлизации и образования области омического контакта на одной стороне области латерального легирования кармана Р-области на верхней поверхности устройства посредством высокотемпературного отжига.

9. Способ изготовления карбидокремниевого переключающего устройства по п. 8, отличающийся тем, что угол сходимости между направлением легирования и поверхностью устройства в шаге (7) варьируется от 85 до 0 градусов.