本发明专利技术公开了一种低功耗4H‑SiC电压控制型功率半导体器件及其制备方法，属于高压电力电子技术领域。包括外延层与氧化层，其特征在于，外延层表面下有一层氮注入层和三价元素的扩散层，氮注入层的厚度为18‑20nm，三价元素为铝，铝在外延层中的扩散深度为10‑20nm，采用高温扩散工艺将三价元素植入到4H‑SiC外延层，利用干法刻蚀工艺减薄高温工艺所生长的氧化层，采用离子注入工艺将五价元素氮植入到外延层与氧化层的界面，利用干氧氧化工艺将氧化层生长至所需要的厚度。该方法能降低4H‑SiC电压控制型功率半导体器件的开关损耗，同时能稳定4H‑SiC电压控制型功率半导体器件的阈值电压。
【技术实现步骤摘要】
：本专利技术属于高压电力电子
，涉及电压控制型功率半导体器件，涉及减小4H-SiC/SiO2界面态密度、提高4H-SiC电压控制型功率半导体器件反型层迁移率、降低4H-SiC电压控制型功率半导体器件的导通和开关损耗、稳定4H-SiC电压控制型功率半导体器件阈值电压的方法。特别地，本专利技术是采用引入三价元素和五价元素的方法来改善4H-SiC电压控制型功率半导体器件反型层迁移率，具体的是一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件及其制备方法。
技术介绍
：长期以来，硅(Si)材料一直在半导体领域占据着主导地位，并应用于高温、高频电路当中。但随着技术的进步和应用领域的扩展，在一些要求苛刻的领域如航空航天、军工、石油勘探、核工业和通讯等，由于其超大功率、高温高频以及强辐射的环境条件，传统的硅(Si)和砷化镓(GaAs)半导体材料出于自身结构和特性等原因，越来越显得“力不从心”。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。目前，困扰基于4H-SiC电压控制型功率半导体器件发展的一个突出问题是器件的反型层迁移率很低、导通电阻很高、开关和导通损耗大。未经任何钝化处理的4H-SiC电压控制型功率半导体器件的迁移率低于10cm2/V s，不到4H-SiC
体迁移率的1％。目前绝大多数观点认为这是由于在4H-SiC电压控制型功率半导体器件的SiC/SiO2界面存在很高的缺陷密度造成的，在器件工作过程中，缺陷捕获了大量的自由载流子，降低了器件的电流密度，并且，这些被捕获的载流子作为库仑散射中心，进一步阻碍沟道载流子的运动，降低了器件的反型层迁移率，增加了器件的开关损耗。因而在4H-SiC电压控制型功率半导体器件的研究过程中，大量的努力和不同的实验方法被开发用来降低SiC/SiO2界面态密度，以期取得好的开关特性。在由Sarit Dhar等人于2010年在IEEE Transactions on Electron Devices上第57卷发表的《A Study on Pre-Oxidation Nitrogen Implantation for the Improvement of Channel Mobility in 4H-SiC MOSFETs》文章中，公开了通过在P型4H-SiC衬底上采用氮离子注入减小SiC/SiO2界面态密度、提高4H-SiC MOSFET反型层迁移率、降低损耗的方法，并且指出随着SiC/SiO2界面氮浓度的增加，界面态密度减小，反型层迁移率增加，其不足之处在于，器件的阈值电压不断减小、甚至出现负值的现象，这无法在实际应用中使用，不具备实际使用价值，所以本领域的技术人员根本不会使用该技术生产器件。在由Dai Okamoto等人于2014年在IEEE Transactions on Electron Devices上第35卷发表的《Improved Channel Mobility in 4H-SiC MOSFETs by Boron Passivation》(用硼钝化提高4H-SiC MOSFETs反型层迁移率)文章中，公开了先使用干氧氧化技术生成氧化层，然后在P型衬底上通过硼钝化工艺减小SiC/SiO2界面态密度、提高4H-SiC MOSFET迁移率的方法，其不足之处在于，整个氧化层为掺硼的SiO2，降低了SiO2的稳定性，增加了器件的泄漏电流，导致器件的损耗增加，因而不利于器件的实际应用。中国专利技术专利，公开号：CN105206513A，公开日：2015.12.30，公开了用氮和硼改善4H-SiC MOSFET反型层迁移率的方法，属于微电子
步骤如下：A、采用离子注入工艺将五价元素氮植入到4H-SiC外延层表面；B、采用湿氧氧化工艺形成栅氧化层；C、采用扩散工艺将三价元素硼植入到外延层与氧化层的界面；扩散工艺的温度为950℃，时间为1.5-2.5小时，确保硼掺杂剂在热动力的驱使下能穿透栅氧化层到达4H-SiC/SiO2界面；硼扩散工艺后，在惰性气体的保护下退火。其不足之处在于，该专利是将整个栅氧化层都掺了高浓度的硼，
而硼在一定程度上能改变氧化层的性质，降低氧化层的质量，增加器件的泄漏电流，增加器件阈值电压的不稳定性，这会阻碍该方法的推广使用；另外，在4H-SiC外延层表面注入氮，会降低器件的阈值电压，并有可能形成负值，根本无法使用，尽管通过氧化层来扩散硼抵消注入氮对阈值电压的影响，但是该扩散温度比较低，而且硼在4H-SiC中的扩散系数没有铝的高，因而此种方法形成的硼在4H-SiC外延层中的深度很小，不足5nm，浓度也非常低，不足1×1014cm-3，对抵消因氮注入而降低阈值电压的不利影响的效果微乎其微。
技术实现思路
：1.要解决的技术问题针对现有技术中4H-SiC电压控制型功率半导体器件的反型层迁移率低、开关损耗大的问题，提出一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件及其制备方法。该方法不但能够大幅提高4H-SiC电压控制型功率半导体器件反型层的迁移率、降低4H-SiC电压控制型功率半导体器件开关损耗和导通损耗，而且能够使4H-SiC电压控制型功率半导体器件的阈值电压也控制在合适的范围之内。2.技术方案一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件，包括外延层与氧化层，在外延层表面有五价元素氮的注入层和三价元素的扩散层。优选地，氮注入层的厚度为18-20nm。优选地，三价元素为铝，铝在外延层中的扩散深度为10-20nm，即三价元素所形成的扩散层的深度为10-20nm。优选地，三价元素铝在外延层(12)中的浓度呈高斯分布，峰值浓度范围为2×1017-1×1018cm-3。一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件的制备方法，其主要步骤如下：A、采用高温扩散工艺将三价元素植入到4H-SiC外延层表面，形成扩散层；B、利用干法刻蚀工艺减薄高温扩散工艺所生长的氧化层；C、利用减薄后的氧化层作为掩蔽层，采用离子注入工艺将五价元素氮植入到外延层与氧化层的界面，形成氮注入层；D、利用干氧氧化工艺将氧化层生长至所需要的厚度；E、在4H-SiC晶片上镀上金属层，并采用剥离工艺形成金属电极，随后用快速退火的方法形成性能良好的欧姆接触。优选地，步骤A是区别于常规扩散工艺的高温扩散，扩散温度在1500℃～1800℃之间，以此来保证铝在4H-SiC外延层中的分布深度为10-20nm，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种低功耗4H‑SiC电压控制型功率半导体器件，包括外延层(12)与氧化层(11)，其特征在于，外延层(12)表面下有一层氮注入层。
【技术特征摘要】
1.一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件，包括外延层(12)与氧化层(11)，其特征在于，外延层(12)表面下有一层氮注入层。2.根据权利要求1所述的一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件，其特征在于，在外延层(12)表面下有一层三价元素的扩散层。3.根据权利要求1所述的一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件，其特征在于，氮在外延层(12)表面下的注入深度为18-20nm。4.根据权利要求2所述的一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件，其特征在于，三价元素为铝，三价元素铝在外延层(12)中的扩散深度为10-20nm。5.根据权利要求3所述的一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件，其特征在于，三价元素铝在外延层(12)中的浓度呈高斯分布，峰值浓度范围为2×1017-1×1018cm-3。6.一种低功耗4H-SiC电压控制型功率半导体器件的制备方法，其特征在于：A、采用高温扩散工艺将三价元素植入到4H-SiC外延层(12)表面，形成扩散层；B、利用干法刻蚀工艺减薄高温扩散工艺所生长的氧化层(11)；C、利用减薄后的氧化层(11)作为掩蔽层，采用离子注入...
【专利技术属性】
技术研发人员：周郁明，刘航志，王兵，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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