# 《碳化硅集成器件及其制造方法》总结
**专利号**：EP 4376089A1
**申请日**：2023年11月14日
**公布日**：2024年5月29日
**申请人**：意法半导体股份有限公司（STMicroelectronics S.r.l.）
**发明人**：莱昂纳多·弗拉加帕内（Leonardo Fragapane）
## 一、技术领域
本发明涉及碳化硅集成器件及集成器件的制造方法，尤其与碳化硅功率器件的边缘终端结构设计相关。
## 二、背景技术
1. **碳化硅特性与应用前景** - 碳化硅（SiC）具有高带隙、高临界电场和高导热性等优异电性能，在高功率、高电压、快速开关和高工作温度应用中极具潜力。
2. **边缘终端结构问题** - 集成功率器件边缘终端结构中，击穿电压最大值受电位线拥挤效应限制。已提出多种边缘终端结构解决方案，如在硅或碳化硅衬底中形成环形区域，但存在电场分布控制不佳、电场峰值导致应力和可靠性问题等。
- 例如，简单的单环区域方案无法精确控制电场；多环区域方案虽能改善电场控制，但相邻环区域过渡处的台阶会引起电场峰值，对表面氧化物造成应力，且受光刻技术限制难以进一步减小台阶宽度。此外，从硅到碳化硅的边缘终止技术直接转换因材料特性、加工技术和电行为差异而存在问题。
## 三、发明内容
### （一）集成器件结构 1. **半导体结构层**：包含碳化硅，具有第一导电类型（如N型）。
2. **功率器件**：集成于结构层中，如SiC MOSFET，其外围功能区域具有第二导电类型（如P型），与结构层形成PN结。
3. **边缘终止结构** - 呈环形环绕功率器件，具有第二导电类型。
- 包含多个环形结构（如内、中、外环结构），环形结构成对相邻排列。至少一个环形结构（如内、中环结构）有过渡区域，与相邻外环结构相连。过渡区域包含连接区域（具有第二导电类型）和电荷控制区域（具有第一导电类型），二者交替排列。连接区域连接相邻环形结构，电荷控制区域可降低过渡区域平均电荷密度，减少相邻环形结构界面处电场峰值，降低材料应力，提高器件可靠性。电荷控制区域形状可为柱状或块状等，可分布在过渡区域不同位置。
### （二）制造方法 1. 形成功率器件后，通过多次光刻和掺杂注入步骤形成边缘终止结构。
2. 每次注入使用相应掩模，掩模开口宽度随注入深度变浅而增大，且包含保护电荷控制区域的块。
3. 注入步骤可按从内到外或从外到内顺序进行，各注入步骤使用不同能量和浓度，以形成具有不同深度和电荷密度的环形结构及过渡区域。
## 四、附图说明
1. **图1 - 7**：展示了集成器件示例，包括功率器件、边缘终止结构等各部分结构及关系，如不同环形结构深度、过渡区域组成等。
2. **图8 - 9**：呈现了边缘终止结构的其他可能实施例，如环结构数量、过渡区域设置的变化。
3. **图10 - 12**：显示了电荷控制区域为块状且分布的示例。
4. **图13a - 13b**：对比了有无过渡区域时电场和击穿电压情况，表明本发明可降低电场峰值且不影响击穿电压。
5. **图14 - 22**：展示了制造过程中各步骤的半导体结构状态，如掩模形成、掺杂注入等操作后的结构变化。
## 五、具体实施方式
1. 以图1 - 7所示集成器件为例，先在结构层中形成功率器件，然后依次使用第一、二、三掩模进行掺杂注入。
2. 第一掩模覆盖结构层，露出对应内环结构部分区域（含连接区域），注入形成内环结构深部。
3. 第二掩模覆盖功能区和结构层，露出对应内环和中间环结构部分区域，注入形成内环结构浅部和中间环结构深部，与前一步骤注入区域连续或稍有重叠。
4. 第三掩模覆盖范围更广，露出对应内、中、外环结构部分区域，注入形成内、中环结构剩余部分和外环结构，完成边缘终止结构。其中，电荷控制区域在各注入步骤中受掩模保护未被掺杂，保持与结构层相同的掺杂类型和浓度。
5. 最后进行终端处理步骤，包括在边缘终止结构上形成场板氧化物和金属结构，得到最终的集成器件。
6. 在制造过程中，可根据设计需求调整掺杂浓度沿深度方向的变化，并且掩模和注入步骤顺序可反转，从最外层环结构开始向最内层注入。
## 六、权利要求
1. 集成器件包括半导体结构层（含碳化硅，第一导电类型）、集成在结构层中的功率器件和环形边缘终止结构（第二导电类型）。边缘终止结构含多个环形结构，成对相邻排列，至少一个环形结构含过渡区域与相邻环形结构相连，过渡区域含连接区域（第二导电类型）与相邻环形结构连接并与电荷控制区域（第一导电类型）交替排列。
2. 环形结构可包括内、外和至少一个中间环结构，内、中间环结构含过渡区域与相邻外环结构相连，过渡区域含连接区域和电荷控制区域。内、中间环结构含连续环形区域，过渡区域围绕其延伸，连接区域连接相邻环形结构。外环结构可含过渡区域与结构层相连，含连接区域与结构层相邻并与电荷控制区域交替排列，或含连续环形区域及围绕其的过渡区域。
3. 电荷控制区域由结构层相应部分定义，可为柱状或块状等形状，可从结构层正面延伸至相应环形结构深度，或部分电荷控制区域可距正面一定距离且在垂直方向尺寸小于环形结构深度，可按一定图案（如棋盘格）分布在过渡区域。
4. 功率器件含外围功能区域（第二导电类型），边缘终止结构与其相邻。
5. 制造方法包括在含碳化硅的半导体结构层中形成功率器件，然后形成边缘终止结构。形成边缘终止结构包括形成多个环形结构，在至少一个环形结构中形成过渡区域，在过渡区域形成连接区域（第二导电类型）与相邻环形结构连接并与电荷控制区域（第一导电类型）交替排列。形成连接区域和电荷控制区域包括向结构层注入掺杂物质并保护电荷控制区域免受注入，可通过依次执行多次不同深度的掺杂注入实现，每次注入使用相应掩模，掩模配置为暴露结构层更宽部分且含对应电荷控制区域的块。
## 七、创新点与优势
1. 本发明的边缘终止结构通过独特的环形结构和过渡区域设计，有效降低了相邻环形结构界面处的电场峰值，减少了材料应力，提高了器件可靠性，克服了现有技术在电场控制和可靠性方面的问题。
2. 制造方法与结构设计相适应，通过合理的掩模和注入步骤，能够精确形成所需的边缘终止结构，并且在工艺上具有一定灵活性，可根据实际需求调整工艺参数（如掺杂浓度、注入顺序等）。
### 八、与现有技术对比
1. **电场分布控制** - 现有技术如简单的环形区域形成方法（单掩模和单掺杂注入）无法准确控制电场分布，通常在环形区域边界会出现电场峰值。而本发明通过多个环形结构及过渡区域的设计，特别是电荷控制区域对电荷密度的调节作用，使电场分布更均匀，电场峰值显著降低。例如，从图13a的对比中可以清晰看到，本发明边缘终止结构在相邻环区域界面处的电场峰值更低且分布更分散。
2. **可靠性** - 已知的一些边缘终止结构（如深度渐变的环形区域结构）虽能改善电场控制，但由于相邻环区域过渡处的台阶导致电场峰值，会对表面氧化物产生应力，影响器件可靠性，使器件易出现过早老化等问题。本发明通过优化的结构设计，减少了电场峰值对材料的应力，从而保障了器件的可靠性，延长了器件使用寿命。
3. **工艺适应性**
- 传统技术在从硅到碳化硅的应用转换中面临诸多困难，因为两种材料的特性差异导致加工技术和电行为不同。本发明的制造方法考虑了碳化硅的特性，通过特定的掩模和注入步骤，能够在碳化硅材料上有效实现边缘终止结构，工艺兼容性更好，更易于集成到碳化硅功率器件的制造流程中。
### 九、潜在应用领域
1. **电力电子系统** - 在电力转换和管理应用中，如电源供应器、逆变器等，本发明的碳化硅集成器件可提高功率转换效率，降低能量损耗，同时因其高可靠性能够在复杂的电力环境下稳定工作，延长系统的维护周期。
2. **电动汽车**
- 电动汽车的电机驱动系统、电池管理系统等对功率器件的性能和可靠性要求较高。碳化硅集成器件的高功率、高电压特性以及本发明改进的边缘终止结构带来的稳定性，有助于提升电动汽车的动力性能，减少系统体积和重量，提高续航里程。3. **工业自动化**
- 工业电机驱动、工业电源等领域需要高性能的功率器件来应对高负载、频繁开关等工况。本发明的器件能够满足这些需求，提高工业设备的运行效率，降低维护成本，提升工业自动化系统的整体性能。
### 十、未来研究方向
1. **进一步优化边缘终止结构** - 探索更复杂的环形结构组合或新型的过渡区域设计，以进一步提高电场控制精度，降低电场峰值，同时不增加制造工艺的复杂性。例如，研究非同心环形结构或具有渐变特性的过渡区域对电场分布的影响。
2. **提升与其他器件的集成度** - 研究如何将本发明的碳化硅集成器件与其他半导体器件（如传感器、控制器等）更紧密地集成在一起，形成多功能芯片或系统级封装，以满足更复杂的应用需求，提高系统性能并减小整体尺寸。
3. **改进制造工艺** - 开发更先进的光刻技术或掺杂工艺，以实现更小尺寸的环形结构和更精确的掺杂分布，进一步提高器件性能。同时，探索降低制造工艺成本的方法，使碳化硅集成器件在更多领域得到广泛应用。
4. **研究在极端环境下的性能** - 针对高温、高辐射等极端环境，研究本发明器件的性能变化及可靠性，通过材料改进或结构优化，确保器件在这些恶劣条件下仍能正常工作，拓展其应用范围，如航空航天、核能等领域。
所以哪怕是SiC，未来也有被集成化的趋势~
