一种沟槽型碳化硅绝缘栅场效应晶体管及其制作方法技术

本发明专利技术属于功率半导体器件技术领域，涉及一种沟槽型SiC MOSFET及其制作方法。本发明专利技术通过倾斜离子注入在沟槽一角形成L型重掺杂JFET区，因为比漂移区更高的浓度，具有更高的载流子密度，从而减小了器件的比导通电阻和导通压降。本发明专利技术采用分离鳍状栅结构，分离栅减少了栅极和漏极的交叠，对栅漏电容起到了屏蔽作用，有效降低了器件的栅漏电容和栅漏电荷，而鳍状控制栅结构减小了栅电极和源极的交叠面积，从而减小栅源电容，栅电容和栅电荷的减小提高了器件的开关速度，降低了器件的动态损耗。此外，由于L型N型注入区11的引入以及特殊的栅极结构，在漏极电压更低的情况下JFET区被夹断，有利于降低器件的饱和电流，从而能有效提高器件的短路耐受能力。提高器件的短路耐受能力。提高器件的短路耐受能力。

【技术实现步骤摘要】
一种沟槽型碳化硅绝缘栅场效应晶体管及其制作方法


[0001]本专利技术属于功率半导体器件
，具体涉及一种沟槽型碳化硅(SiC)绝缘栅场效应晶体管(MOSFET)及其制作方法。

技术介绍

[0002]电能的出现促进了现代社会科学技术的飞速发展，如何更加高效地处理电能一直以来都是全世界科学研究的热门课题。电能的高效利用高度依赖电力电子系统，而各种电力电子系统的核心电子元件是半导体功率器件。半导体功率器件被广泛应用在各类家电、以电力为主的各类工业设备等领域。进入21世纪后，全球气候变暖问题受到越来越多的人的关注，节能减排、提高能源利用效率显得愈发重要。在清洁可再生能源所占比例越来越大的今天，全社会对能源转换效率有了更高的期待，对能源控制核心的功率半导体器件的性能提出了更高的要求。
[0003]传统的功率半导体器件主要是硅基器件，器件类型包括晶闸管、肖特基势垒二极管(JBS)、功率双极结型晶体管(BJT)、功率MOSFET以及功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)。目前，硅基功率半导体器件已经占据了功率半导体器件的主导市场。但是，传统的硅基功率器件在性能上已经趋近于硅材料的理论极限，很难再通过结构设计和优化使器件性能得到大幅度的提升。
[0004]基于SiC功率半导体器件和SiC半导体技术的发展，更加高效的电能应用需求得到进一步满足。作为第三代半导体材料的典型代表，SiC具有非常出色的物理、化学和电学性能，相较于硅材料具有更大的禁带宽度、更高的电子饱和速度、更高的热导率以及10倍于硅材料的临界击穿电场。这些优异的材料特性使得SiC功率半导体器件在降低电力系统功耗、提高效率等方面具有极大的优势。此外，SiC材料也是目前晶体生长技术和器件制造技术最为成熟的宽禁带半导体材料之一，有助于实现SiC基功率器件的工业化生产，提高SiC基功率器件的市场占有率。
[0005]SiC MOSFET由于其优秀的材料特性，有望在全功率应用范围内取代硅功率IGBT。但是平面栅结构由于沟道密度较低，极大地限制了SiC MOSFET的通态电流密度。所以具有更高沟道密度的沟槽型MOSFET结构受到了广泛关注，但是沟槽底部栅氧化层峰值电场过高的问题给器件的可靠性带来了挑战。图1展示了一种沟槽型CoolMOS
TM
结构，该结构在增大沟道密度和保证栅氧化层可靠性方面实现了更好地折中。但是该结构由于较强的JFET效应，器件的比导通电阻较大，具有更大的导通压降。此外，该结构较大的栅漏电容带来了较大的开关损耗。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种沟槽型碳化硅绝缘栅场效应晶体管及其制作方法，以减小器件的导通压降，降低器件的开关损耗，提高器件的短路耐受能力。本专利技术提供了一种非对称沟槽栅SiC MOSFET结构，完整的元胞结构示
意图如图2所示，相邻两个元胞之间呈平移关系而不是以一侧呈对称关系，如图3所示。本专利技术的沟槽栅结构分为第一鳍状栅电极3
‑
1、与源极短接的第二鳍状栅电极3
‑
2以及分离栅3
‑
3电极三部分，该沟槽栅结构能有效减小器件的栅电容和栅电荷，从而提高器件的开关速度，降低器件的动态损耗。此外，本专利技术在沟槽一侧形成了L型N型注入区11，N型注入区11由于较高的掺杂浓度，具有较高的载流子浓度，因此器件的比导通电阻和导通压降都得到了提升。而且本专利技术的沟槽型SiC MOSFET结构由于L型N型注入区11的引入以及特殊的栅极结构，在漏极电压更低的情况下JFET区被夹断，有利于降低器件的饱和电流，从而能有效提高器件的短路耐受能力。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种沟槽型碳化硅绝缘栅场效应晶体管，其元胞结构包括：从下至上依次层叠设置的背部漏极金属10、N+衬底9、N
‑
漂移区8和源极金属1，所述N
‑
漂移区8的顶层两侧分别具有第一P+屏蔽层6
‑
1和第二P+屏蔽层6
‑
2，所述第一P+屏蔽层6
‑
1和第二P+屏蔽层6
‑
2的结深相同，所述第一P+屏蔽层6
‑
1和所述第二P+屏蔽层6
‑
2之间的N
‑
漂移区8的顶层中具有沟槽，所述沟槽中具有栅极结构，所述第一P+屏蔽层6
‑
1和所述栅极结构之间的N
‑
漂移区8的顶层中具有P型沟道区5，所述P型沟道区5的顶层中具有N+源极4；
[0008]所述栅极结构包括第一鳍状栅电极3
‑
1、第二鳍状栅电极3
‑
2和分离栅电极3
‑
3，所述第一鳍状栅电极3
‑
1和所述第二鳍状栅电极3
‑
2间隔设置，且并行位于所述分离栅电极3
‑
3上，所述第一鳍状栅电极3
‑
1和所述第二鳍状栅电极3
‑
2的顶部与所述沟槽的顶部齐平；所述分离栅电极3
‑
3与所述沟槽的底部和侧壁之间具有第一氧化层7
‑
1，所述第一鳍状栅电极3
‑
1和所述第二鳍状栅电极3
‑
2与所述沟槽的侧壁及分离栅电极3
‑
3之间具有第二氧化层7
‑
2，所述第一鳍状栅电极3
‑
1和所述第二鳍状栅电极3
‑
2之间具有第三氧化层7
‑
3，所述第三氧化层7
‑
3最窄处的宽度大于第一氧化层7
‑
1和第二氧化层7
‑
2的厚度，第一氧化层7
‑
1的厚度不小于第二氧化层7
‑
2的厚度；所述沟槽靠近所述第二P+屏蔽层6
‑
2的一侧的侧面和部分底部被所述第二P+屏蔽层6
‑
2包裹；
[0009]所述P型沟道区5的下表面高于所述第一鳍状栅电极3
‑
1的下表面，所述沟槽靠近所述P型沟道区5的一侧的部分侧面和部分底部被L型N型注入区11包裹，所述N型注入区11的上表面与所述P型沟道区5的下表面接触，所述N型注入区11的侧面与所述第二P+屏蔽层6
‑
2的侧面接触；所述源极金属1和所述沟槽之间具有介质层2。
[0010]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
[0011]进一步的，位于所述沟槽侧面的所述N型注入区11的宽度与位于所述沟槽底部的所述N型注入区11的厚度相等。
[0012]进一步的，所述N型注入区11的结深小于或等于所述第二P+屏蔽层6
‑
2的结深。
[0013]为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种沟槽型碳化硅绝缘栅场效应晶体管，其元胞结构包括：从下至上依次层叠设置的背部漏极金属10、N+衬底9、N
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种沟槽型碳化硅绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，其元胞结构包括：从下至上依次层叠设置的背部漏极金属(10)、N+衬底(9)、N
‑
漂移区(8)和源极金属(1)，所述N
‑
漂移区(8)的顶层两侧分别具有第一P+屏蔽层(6
‑
1)和第二P+屏蔽层(6
‑
2)，所述第一P+屏蔽层(6
‑
1)和第二P+屏蔽层(6
‑
2)的结深相同，所述第一P+屏蔽层(6
‑
1)和所述第二P+屏蔽层(6
‑
2)之间的N
‑
漂移区(8)的顶层中具有沟槽，所述沟槽中具有栅极结构，所述第一P+屏蔽层(6
‑
1)和所述栅极结构之间的N
‑
漂移区(8)的顶层中具有P型沟道区(5)，所述P型沟道区(5)的顶层中具有N+源极(4)；所述栅极结构包括第一鳍状栅电极(3
‑
1)、第二鳍状栅电极(3
‑
2)和分离栅电极(3
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3)，所述第一鳍状栅电极(3
‑
1)和所述第二鳍状栅电极(3
‑
2)间隔设置，且并行位于所述分离栅电极(3
‑
3)上，所述第一鳍状栅电极(3
‑
1)和所述第二鳍状栅电极(3
‑
2)的顶部与所述沟槽的顶部齐平；所述分离栅电极(3
‑
3)与所述沟槽的底部和侧壁之间具有第一氧化层(7
‑
1)，所述第一鳍状栅电极(3
‑
1)和所述第二鳍状栅电极(3
‑
2)与所述沟槽的侧壁及分离栅电极(3
‑
3)之间具有第二氧化层(7
‑
2)，所述第一鳍状栅电极(3
‑
1)和所述第二鳍状栅电极(3
‑
2)之间具有第三氧化层(7
‑
3)，所述第三氧化层(7
‑
3)最窄处的宽度大于第一氧化层(7
‑
1)和第二氧化层(7
‑
2)的厚度，第一氧化层(7
‑
1)的厚度不小于第二氧化层(7
‑
2)的厚度；所述沟槽靠近所述第二P+屏蔽层(6
‑
2)的一侧的侧面和部分底部被所述第二P+屏蔽层(6
‑
2)包裹；所述P型沟道区(5)的下表面高于所述第一鳍状栅电极(3
‑
1)的下表面，所述沟槽靠近所述P型沟道区(5)的一侧的部分侧面和部分底部被L型N型注入区(11)包裹，所述N型注入区(11)的上表面与所述P型沟道区(5)的下表面接触，所述N型注入区(11)的侧面与所述第二P+屏蔽层(6
‑
2)的侧面接触；所述源极金属1和所述沟槽之间具有介质层(2)。2.根据权利要求1所述的一种沟槽型碳化硅绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，位于所述沟槽侧面的所述N型注入区(11)的宽度与位于所述沟槽底部的所述N型注入区(11)的厚度相等。3.根据权利要求1所述的一种沟槽型碳化硅绝缘栅场效应晶体管，其特征在于，所述N型注入区(11)的结深小于或等于所述第二P+屏蔽层(6
‑
2)的结深。4.一种沟槽型碳化硅绝缘栅场效应晶体管，其元胞结构包括：从下至上依次层叠设置的背部漏极金属(10)、N+衬底(9)、N
‑
漂移区(8)和源极金属(1)，所述N
‑
漂移区(8)的顶层两侧分别具有第一P+屏蔽层(6
‑
1)和第二P+屏蔽层(6
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2)，所述第一P+屏蔽层(6
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1)和第二P+屏蔽层(6
‑
2)的结深相同，所述第一P+屏蔽层(6
‑
1)和所述第二P+屏蔽层(6
‑
2)之间的N
‑
漂移区(8)的顶层中具有沟槽，所述沟槽中具有栅极结构，所述第一P+屏蔽层(6
‑
1)和所述栅极结构之间的N
‑
漂移区(8)的顶层中具有P型沟道区(5)，所述P型沟道区(5)的顶层中具有N+源极(4)；所述栅极结构包括第一鳍状栅电极(3
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1)、第二鳍状栅电极(3
‑
2)和分离栅电极(3
‑
3)，所述第一鳍状栅电极(3
‑
1)和所述第二鳍状栅电极(3
‑
2)间隔设置，且并行位于所述分离栅电极(3
‑
3)上，所述第一鳍状栅电极(3
‑
1)和所述第二鳍状栅电极(3
‑
2)的顶部与所述沟槽的顶部齐平；所述分离栅电极(3
‑
3)与所述沟槽的底部和侧壁之间具有第一氧化层(7
‑
1)，所述第一鳍状栅电极(3
‑
1)和所述第二鳍状栅电极(3
‑
2)与所述沟槽的侧壁及分离栅电极(3
‑
3)之间具有第二氧化层(7
‑
2)，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金平，陈伟，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：