CN113488540A - 一种具有垂直场板保护的SiC基槽栅MOSFET结构 - Google Patents
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Abstract
具有垂直场板保护的SiC基槽栅MOSFET结构属于功率半导体开关器件。这种结构在普通槽栅MOSFET基础上，增加了深槽群。深槽与栅槽同轴且形状相似，深槽外边‑栅槽内边间距均匀相等，且控制在1‑3微米之间。深槽比栅槽深2‑10微米，深槽内填充的多晶与源电极相连，在器件阻断态起垂直偏置场板作用，可以有效降低栅槽角隅处的电场强度，改善栅可靠性。外延层分两层，第一层外延层的掺杂浓度和厚度与阻断电压有关，对于1200V的耐压要求掺杂浓度在1‑2×1016cm‑3范围内，厚度在8‑10微米范围内，第二层外延层的掺杂浓度控制在1‑5×1016cm‑3范围，厚度与深槽深度相同。第一层外延层和第二层外延层的总厚度为15‑17微米。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体为一种具有垂直场板保护的SiC基槽栅MOSFET器件结构。
背景技术
当今电子设备的发展趋势是高效、节能、小型化，这就要求作为电能转化与处理的核心——功率半导体开关器件，具有更高的阻断能力、更低的导通损耗、更快的开关速度、更好的热稳定性。硅基功率半导体器件，经过几十年的发展，器件特性已经接近材料极限，这极大地限制了电子设备进一步优化的提升空间。以碳化硅为代表的第三代半导体材料，因其禁带宽度宽(3.0eV以上)、临界击穿电场大、稳定工作温度高等优点，成为高温、高频、大功率及抗辐射等极端应用领域极具发展潜力的半导体材料。而SiC功率MOSFET具有输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、耐高压等诸多优点，已被广泛应用于开关稳压电源、高频以及功率放大器等方面，是推动“新能源革命”的“绿色先锋”，在高速铁路、混合动力汽车、智能高压直流输电等的高功率应用场合更是被寄予厚望。
槽栅MOSFET与平面栅MOSFET相比，因没有寄生JFET区、且随着工艺技术的进步，非常容易集成高密度元胞，因此具有更低的通态电阻，是中低压大功率MOS场效应管发展的主流结构。但与硅基器件相比，SiC器件具有更高的临界击穿电场，这就导致槽栅MOSFET阻断态，槽底角隅处氧化层内的电场非常高，接近二氧化硅临界击穿电场，对栅可靠性影响巨大，为此，优化结构，改善栅槽角隅处电场分布，是器件设计者非常关注的问题。
1998年，J.Tan等人报导的增强型4H-SiC UMOSFET结构，采用P埋层来降低槽底部栅氧化层电场以及用CSL层来降低JFET区电阻；2012年，Rohm公司报导了4H-SiC双槽MOSFET，该结构首次提出了双槽的设计理念，利用一个专门的金属槽注入P埋层来屏蔽指向栅槽氧化层的电场线，提高器件的可靠，但其双槽深度相同；2017年，Infineon公司报导了一种4H-SiC非对称槽栅MOSFET，该结构采用单沟道非对称的设计理念，有效地利用了
面高沟道迁移率的特点，降低了沟道电阻。高能离子注入形成的深P+在对栅氧化层进行良好保护的同时还能够有效较低饱和电流，提高器件短路能力。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的MOSFET结构，使用这种结构，在不增加器件制备难度的基础上，可以改善栅可靠性。
本发明主要通过深槽群的设计，利用垂直偏置场板对电场的改善作用，降低栅槽角隅处的电场强度。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明与普通槽栅结构最大的区别是增加了深槽群，见附图1。自下而上依次为漏极金属化电极层，N+碳化硅衬底层1，在器件制备过程中，它具有约400微米的厚度和约1019cm-3的掺杂浓度；与衬底层邻接的是第一层碳化硅外延层2，它的厚度与掺杂浓度随器件的耐压不同而变化，例如对1700V的SiC MOSFET，厚度约为15至20微米，掺杂浓度为5×1015cm-3。邻接外延层2的是具有深槽群10和槽栅MOS结构的第二层碳化硅外延层3，该外延层的掺杂浓度控制在1-5×1016cm-3范围，厚度为4到12微米。贯穿第二碳化硅外延层的深槽，通过热氧化和化学气相沉积工艺，形成一层厚度为0.2至1微米的二氧化硅介质层，再通过常规工艺进行掺杂多晶填充。第二层碳化硅外延层表面是槽栅MOS结构，它由栅槽网络6、P型碳化硅体区4、N+碳化硅源区7和背栅短路区8组成。深槽10与栅槽6同轴相似，深槽外边-栅槽内边间距11均匀相等，且控制在1-3微米之间。深槽比栅槽深2-10微米，深槽内掺杂多晶与源电极相连，构成垂直场板。栅槽网络结构包括厚度为500-800埃的绝缘栅介质层5、浅槽多晶硅6，按常规槽栅工艺制备。浅槽多晶网络，在栅焊盘处通过栅极金属引出电极。
本发明采用栅槽网络包围深槽群方案，不仅适用于条形元胞，也适用于长方形、圆形、椭圆形等多种形状的元胞结构。
本发明提出的具有垂直场板保护的SiC基槽栅MOSFET结构，其特点在于栅槽网络附近均布局了深槽群，当器件工作在阻断态时，与源极相连的深槽多晶，起场板作用，可以改善电场分布，降低器件栅槽角隅处的电场强度，降低器件开关过程对栅氧的冲击，提高了MOS器件栅可靠性，改善了器件长期稳定性。
附图说明
图1为本发明的三维截面结构示意图。
图中：1——碳化硅N+衬底；2——第一层碳化硅外延层N1；3——第二层碳化硅外延层N2；4——P型碳化硅体区；5——栅槽二氧化硅介质层；6——栅槽掺杂多晶硅；7——碳化硅N+源区；8——碳化硅P+背栅短路区；9——深槽二氧化硅介质层；10——深槽掺杂多晶硅；11——栅槽与深槽间距。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步对本发明进行描述。
实施例
本实施例是一款具有垂直场板保护的1200V碳化硅基槽栅MOSFET，结构见图1。在其结构中，除了体现本发明特征的深槽群10外，其他与常规槽栅MOSFET器件结构相同：自下而上依次为漏极金属化电极层，N+碳化硅衬底层1，在器件制备过程中，它具有约400微米的厚度和约1019cm-3的掺杂浓度；与衬底层邻接的是第一层碳化硅外延层2，它的厚度厚度约为8微米或者10微米，掺杂浓度为1×1016cm-3。邻接外延层2的是具有深槽群10和槽栅MOS结构的第二层碳化硅外延层3，该外延层的掺杂浓度选为5×1016cm-3，厚度为7微米。深槽形貌与元胞相同为六角形，六角形边长3微米。深槽槽深为7微米，先通过热氧化生成500埃氧化层，之后再通过化学气相沉积工艺，形成一层总厚度为1微米的二氧化硅介质层。掺杂多晶填充按常规工艺制备。碳化硅表面槽栅MOS结构，由栅槽网络6、P型碳化硅体区4、N+碳化硅源区7和背栅短路区8组成。栅槽6与深槽10同轴并且形状相似也为六角形，深槽外边-栅槽内边间距11均匀相等，为1.5微米。深槽内掺杂多晶与源电极相连，构成垂直场板。栅槽网络氧化层5的厚度为500埃到800埃、填充的掺杂多晶按6，按常规槽栅工艺制备。浅槽多晶网络，在栅焊盘处通过栅极金属引出电极。
本实施例的实现方法与常规槽栅MOSFET制备技术基本相同，包括衬底外延(1次两层)、深槽光刻与刻蚀、牺牲氧化、牺牲氧化层去除、深槽氧化、深槽二氧化硅沉积、深槽多晶淀积，栅槽光刻与刻蚀、牺牲氧化、牺牲氧化层去除、栅氧化、多晶填充与回刻、P型体区注入与扩散、N型源区注入与扩散、隔离氧沉积、引线孔光刻与刻蚀、溅射源极金属、金属反刻、沉积钝化层、刻压焊盘背面金属溅射、合金等。
按照该工艺制备的样品，在漏极加压900V，栅极加压15V的条件下，开关冲击2000次，器件正常，阈值电压和栅漏电流无明显退化。
本例的工作原理是：
栅槽网络附近均布局了深槽群，当器件工作在阻断态时，与源极相连的深槽多晶，起场板作用，可以改善电场分布，降低器件栅槽角隅处的电场强度，降低器件开关过程对栅氧的冲击，提高了MOS器件栅可靠性，改善了器件长期稳定性。
Claims (1)
1.具有垂直场板保护的SiC基槽栅MOSFET结构，其特征在于：
自下而上依次为漏极金属化电极层，N+碳化硅衬底层，第一层碳化硅外延层，邻接外延层是具有深槽群和槽栅MOS结构的第二层碳化硅外延层；槽栅MOS由栅槽网络、P型碳化硅体区、N+碳化硅源区和背栅短路区组成；所述深槽群与栅槽网络同轴，且栅槽网络包围深槽群；所述深槽外边-栅槽内边间距均匀相等，且控制在1-3微米之间；所述深槽比栅槽深2-10微米，深槽通过热氧化和化学气相沉积，形成厚度为0.2微米至1微米的二氧化硅介质层；所述深槽在形成二氧化硅介质层后，掺杂多晶硅，掺杂多晶与源电极相连，形成垂直场板；所述外延层分两层，第一层外延层的掺杂浓度和厚度与阻断电压有关，对于1200V的耐压要求掺杂浓度在1-2×1016cm-3范围内，厚度在8-10微米范围内，第二层外延层的掺杂浓度控制在1-5×1016cm-3范围，厚度与深槽深度相同；第一层外延层和第二层外延层的总厚度为15-17微米。
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