專利名稱：碳化硅半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過(guò)碳化硅制造的半導(dǎo)體器件以及制造這些器件的方法。本發(fā)明的一個(gè)具體應(yīng)用在使用碳化硅制造MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)中。本發(fā)明也涉及利用這樣的MOSFET的航空器配電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在MOSFET的制造中使用碳化硅(SiC)，提供了超過(guò)傳統(tǒng)的硅襯底的大量的益處。 例如，SiC有非常高的強(qiáng)度，不會(huì)在任何已知的壓力下融化并且在化學(xué)上是高度穩(wěn)定的。進(jìn)一步地，SiC允許生產(chǎn)的器件擁有比硅器件低的導(dǎo)通狀態(tài)電阻。因而SiC指引自己用在高功率的MOSFET中。與使用SiC制造MOSFET相關(guān)聯(lián)的一個(gè)問(wèn)題是還不太可能以足夠高的質(zhì)量制造 MOSFET的溝道區(qū)，以生產(chǎn)對(duì)實(shí)際使用充分可靠的可行的器件。在MOSFET中，溝道區(qū)位于 MOSFET的柵極處的氧化層下方，并且當(dāng)MOSFET接通的時(shí)候，溝道區(qū)允許電流通過(guò)器件。生產(chǎn)SiC MOSFET的在先嘗試經(jīng)受了界面處的碳吸除(getter)的問(wèn)題，由此碳雜質(zhì)在界面處形成，不利地影響了器件的電性能。US5, 744，826公開(kāi)了用于生產(chǎn)碳化硅半導(dǎo)體器件(例如，M0SFET)的過(guò)程，其中，通過(guò)熱氧化SiC層，柵極絕緣膜在SiC半導(dǎo)體層的表面上形成。

發(fā)明內(nèi)容
為了在溝道區(qū)提供所需的電性質(zhì)，在氧化物和在氧化物之下的SiC之間定義良好質(zhì)量的界面是重要的。本發(fā)明提供了制造半導(dǎo)體器件的方法，包括將包含硅的第一層施加到包含碳化硅的第二層，由此在第一層和第二層之間定義了界面，并氧化第一層的一些或全部。通過(guò)將包含硅的第一層施加到包含SiC的第二層，可獨(dú)立確保第一層和第二層的各表面的質(zhì)量，因此導(dǎo)致每個(gè)表面的高質(zhì)量，特別是層之間的界面。進(jìn)一步地，由于這個(gè)進(jìn)程沒(méi)有氧化任何SiC，因此也克服了在界面處與碳吸除相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。因而，通過(guò)本發(fā)明提供的界面是高質(zhì)量的。自然地，制備SiC層是需要高度謹(jǐn)慎的，因?yàn)樾枰咚降臐崈舳群推秸?。晶片結(jié)合(wafer bond)可用來(lái)使第一層和第二層附連到彼此。在晶片結(jié)合中，單晶硅的薄層從載體晶片轉(zhuǎn)移到另一個(gè)目標(biāo)晶片的表面(這種情況下是SiC層)上。轉(zhuǎn)移層具有高質(zhì)量，所以可被氧化以形成相應(yīng)地高質(zhì)量的氧化物。進(jìn)一步地，本發(fā)明提供了根據(jù)上述方法制造的半導(dǎo)體器件，包括接合到包含碳化硅的第二層的、包含SiO2的第一層，由此定義了第一層和第二層之間的界面。此外，本發(fā)明提供包含這樣的半導(dǎo)體器件的航空器配電系統(tǒng)。


以下是參照附圖僅以示例方式對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)描述，在附圖中圖1是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(例如，M0SFET)的簡(jiǎn)化示意圖；圖2是示出碳吸除問(wèn)題的截面圖；圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的層的布置；圖4A、4B、4C和4D示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的過(guò)程的階段；以及圖5示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的過(guò)程的進(jìn)一步的階段。
具體實(shí)施例方式圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管1(例如，M0SFET)的基本結(jié)構(gòu)，其包括各包含導(dǎo)電觸點(diǎn)的源極2、漏極4和柵極3。諸如氧化物(例如，二氧化硅)的電絕緣體的層9提供在源極2、漏極4、柵極3和襯底5之間。鄰近層9，當(dāng)通過(guò)施加電勢(shì)到柵極3接通MOSFET 時(shí)，導(dǎo)電溝道10在襯底5中形成，允許電流在源極2和漏極4之間流動(dòng)。在η溝道MOSFET 中，襯底5包括ρ型材料，而源極2包括η型材料的第一區(qū)7，同時(shí)漏極4包括η型材料的第二區(qū)8。為了接通η溝道M0SFET，施加正電位到柵極3，由此朝向非導(dǎo)電層9吸引負(fù)載流子， 而且如果施加的電勢(shì)超過(guò)用于接通器件的閾值，會(huì)形成本質(zhì)上η型材料的溝道10。由此在源極2和漏極4之間提供η型材料的連續(xù)傳導(dǎo)通路，允許電流在之間流動(dòng)。一旦移除柵極 3處的電勢(shì)，在襯底5內(nèi)的電荷載流子分布就回復(fù)到它的正常狀態(tài)，因而移除了導(dǎo)電溝道10 并關(guān)閉器件。本發(fā)明也適用于P溝道M0SFET，其中以與剛才所述相反的配置來(lái)布置ρ型材料和η型材料。一般地說(shuō)，本發(fā)明適用于任何類型的M0SFET，或者適用于需要半導(dǎo)體層和絕緣層之間的界面的其它半導(dǎo)體器件。圖2是示出與直接氧化SiC有關(guān)的問(wèn)題的截面圖。取決于反應(yīng)條件，SiC的氧化一般會(huì)在正在氧化的SiC層11頂部上產(chǎn)生SiA層12。其他非化學(xué)計(jì)量的硅氧化物可出現(xiàn)在SiO2層12中。碳簇(carbon cluster) 13在介于SiC層11和SiO2層12之間的界面處形成，對(duì)布置的電性質(zhì)有害。圖3是實(shí)施本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的一部分的截面圖，包括部署在SiC的第二層15 上的、SiA的第一層16。在界面17處沒(méi)有出現(xiàn)碳簇，因?yàn)槠骷歉鶕?jù)本發(fā)明的方法制造的。圖4A、4B、4C和4D是示出實(shí)施本發(fā)明方法的階段的截面圖。如圖4A中所示，起點(diǎn)為SiC層15。在圖4B中，Si的層18晶片結(jié)合到SiC的層15上。在圖4C中，氧化了晶片結(jié)合的Si的層18。氧氣從Si層18的外表面20向里與它進(jìn)行反應(yīng)，其中形成至少部分氧化的Si的層18。可控制層18的氧化程度，例如通過(guò)在已知的氧化速率下執(zhí)行氧化預(yù)定的時(shí)間。備選地或額外地，氧化可在足以氧化硅但不足以氧化碳化硅的溫度處執(zhí)行。這確保了 SiC層15的氧化不會(huì)發(fā)生。氧化可持續(xù)直到全部氧化Si層。備選地，通過(guò)在Si層完全氧化之前終止氧化，可在碳化硅和Si的氧化的層之間剩下未氧化的Si的層。這提供了確保在過(guò)程期間不氧化SiC的層的另一個(gè)途徑。圖4D示出了在氧化過(guò)程完成后層的布置，其中在SiC的層15上提供SW2的層16。如圖5中所示，隨著氧化進(jìn)程的完成，在區(qū)域沈、27中蝕刻掉SW2層16以暴露在 SiC層15中的重?fù)诫sη型SiC的第一區(qū)域和第二區(qū)域23、25和摻雜ρ型SiC的第一區(qū)域和第二區(qū)域22、24。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，區(qū)域22到25都未在圖4Α到4D中示出。SiC層15的其余部分包含適當(dāng)摻雜η型SiC，以及具體地，可由單晶SiC組成。在區(qū)域沈和27中提供源極觸點(diǎn)(未示出)，同時(shí)在器件背面上提供漏極觸點(diǎn)23。在SiC層15和漏極觸點(diǎn)23之間提
4供了重?fù)诫sη型SiC的層22。在SiO2的層16上提供了柵極極21。觸點(diǎn)可由任何良好的電導(dǎo)體(例如，鎳)制成。實(shí)施本發(fā)明的SiC MOSFET特別適合用于航空器配電系統(tǒng)中。近些年航空器線路安全問(wèn)題已受到廣泛的關(guān)注?！白撁盁煛焙碗娀∈录几@相關(guān)，以及做出努力來(lái)提高這樣系統(tǒng)的安全。航空器電力系統(tǒng)暴露在大范圍的干擾下，這可引起這樣的事件。這些包括電流和電壓瞬態(tài)和短路條件，例如，由設(shè)備故障和雷擊引起。機(jī)電斷路器傳統(tǒng)上已用于保護(hù)這樣的故障；然而，很多故障都低于設(shè)計(jì)來(lái)保護(hù)電力系統(tǒng)的時(shí)間保護(hù)曲線閾值。SSPC (固態(tài)功率控制器)可代替機(jī)電控制器和提供改進(jìn)的性能，包含極快速響應(yīng)， 在安全極限內(nèi)限制故障電流以及長(zhǎng)的多操作使用期限。它們更進(jìn)一步允許靈活的結(jié)構(gòu)和控制方案，讓限流和終端的功能都完全可控。SSPC也是低成本和要求最少維護(hù)的。一般地，MOSFET具有非常低的導(dǎo)通狀態(tài)電阻，允許低壓降并因此在操作期間的功率耗散(做為熱)小。然而，為了能經(jīng)受短路或者指定時(shí)間的故障電流，可能不得不并行放置多個(gè)MOSFET以使得器件能夠經(jīng)受相關(guān)聯(lián)的能量損失。在動(dòng)作中有兩個(gè)基本約束(1) 穩(wěn)態(tài)冷卻需求，即，通過(guò)正常操作定義尺寸，質(zhì)量和傳熱，以及(2)并行器件數(shù)量由故障條件定義；在這種情況下，高功率耗散水平起作用的時(shí)間將不會(huì)長(zhǎng)到足以加熱器件(即，機(jī)箱 (case))的外部觸點(diǎn)，由于從半導(dǎo)體器件本身到機(jī)箱的熱擴(kuò)散和起作用的短時(shí)間。換句話說(shuō)，如果系統(tǒng)中提供不足的SSPC，故障條件期間可發(fā)生過(guò)熱。減少并行的MOSFET數(shù)量并因而在尺寸和質(zhì)量上給出提高，在正常操作中是可接受的；然而，這可能不允許安全地包含故障條件。由本發(fā)明提供的用SiC制造的MOSFET器件因?yàn)樗鼈儽认鄳?yīng)的硅器件有小得多的導(dǎo)通狀態(tài)電阻，由此為這個(gè)問(wèn)題提供了解決方案。從而可提供提高了的故障電流的敏感性， 而且減少I2R加熱。碳化硅也是一個(gè)好得多的熱導(dǎo)體并比Si擁有更高的熔點(diǎn)/升華溫度， 因此能更熱地運(yùn)行從而降低強(qiáng)散熱槽的布置的需求。同時(shí)，碳化硅的材料優(yōu)勢(shì)允許取得高得多的功率密度。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括將包含硅的第一層施加到包含碳化硅的第二層，由此在所述第一層和所述第二層之間定義了界面，以及氧化所述第一層的一些或全部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一層晶片結(jié)合到所述第二層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述第二層由單晶的SiC組成。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求的任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一層由單晶的Si組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4的任一項(xiàng)所述的方法，其中，氧化所述第一層的一些或全部的所述步驟在將所述第一層施加到所述第二層之后執(zhí)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到4的任一項(xiàng)所述的方法，其中，氧化所述第一層的一些或全部的所述步驟在將所述第一層施加到所述第二層之前或者同時(shí)執(zhí)行。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1到6的任一項(xiàng)所述的方法制造的半導(dǎo)體器件，包括接合到包含碳化硅的第二層的、包含Si02的第一層，由此在所述第一層和所述第二層之間定義了界
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其包括M0SFET。
9.一種包含根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的半導(dǎo)體器件的航空器配電系統(tǒng)。
10.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，大體上如參照附圖在本文中描述的那樣。
11.一種半導(dǎo)體器件，大體上如參照附圖在本文中描述的那樣。
12.—種航空器配電系統(tǒng)，大體上如參照附圖在本文中描述的那樣。
全文摘要
本發(fā)明名稱為“碳化硅半導(dǎo)體器件”。一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括將包含硅的第一層(16)施加到包含碳化硅的第二層(15)，由此定義了在第一層和第二層之間的界面，并氧化第一層(16)的一些或全部。
文檔編號(hào)H01L29/10GK102412300SQ20111028350
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者A·施普利, J·科文頓, M·詹寧斯, P·莫比 申請(qǐng)人:通用電氣航空系統(tǒng)有限公司