CN102148256B - 一种栅增强功率半导体场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种栅增强功率半导体场效应晶体管。包括漏区(201)、漂移区(202)、介质层(203)、分裂栅(204)、栅电极(205)、n+层(206)、源电极(207)、沟道区(208)，介质层(203)的K值是按一定规律分布的，即K值按照从源极到漏极方向越来越小。本发明通过用K值按照一定规律分布的介质层代替原来的侧氧结构，在不牺牲器件耐压的前提下，降低漏-源导通电阻。本发明与常规MOSFET工艺兼容，具有很强的可实施性，更易满足功率电子系统的应用要求。

Description

一种栅增强功率半导体场效应晶体管

技术领域

本发明涉及一种纵向金属氧化物半导体场效应晶体管(Vertical MOSFET)，具体地来说涉及一种改进的栅增强功率MOSFET。

背景技术

在功率电子领域中，功率MOSFET被广泛应用在开关器件结构中。为了让开关器件的功能得到良好的发挥，功率MOSFET需要满足两个要求：1、当器件处于导通状态，能拥有非常低的导通电阻，最小化器件本身的功率损耗；2、当器件处于关断状态，能拥有足够高的反向击穿电压。Yung C.Liang提出一种在低压范围内替代超结(Super Junction)的新型器件，称为斜形侧氧调制(Gradient 0xide-Bypassed，缩写为GOB)结构器件(Yu Chen，Yung C.Liang and G.S.Samudra：IEEE Transactions on Power Electronics 22(4)2007)。GOB结构将在超结中很难实现的杂质浓度匹配问题，转换为容易控制的氧化层厚度上。

GOB的观念是在器件的垂直方向上，利用侧氧调制结构对器件漂移区的电场进行横向调制，令漂移区中的电场能够得到近似一致分布，因此击穿电压得到了较大的提高，并且漂移区的掺杂浓度可以增大，并且近似于超结中漂移区浓度，从而降低器件导通状态下的导通电阻。但GOB结构的侧氧结构所占面积较大，且在器件开启状态下对器件的电流导通没有贡献，直接限制了器件性能的发挥。

另外，有一种具有分裂栅的栅增强功率(power Gate Enhanced with Split gate SGE)器件(Ying Wang，Hai-fan Hu，Wen-Li Jiao，IEEE Electron Device Letters.2010，31(11)：1281-1283)被提出，相比于GOB，这种结构更有效的提高了硅片使用率，漂移区具有更高的n型掺杂浓度，在相同击穿电压下，有效的降低了导通电阻。

但是，GOB和SGE都使用了侧氧结构，一方面，斜侧氧的形成存在一定的工艺难度；另一方面，侧氧结构所占面积较大。为了在保证击穿电压的前提下，进一步降低导通电阻，且改善上述问题，本发明提出了一种改进的栅增强功率MOSFET。

图1给出了一种已有的SGE UMOS晶体管的结构，包括漏区(101)、漂移区(102)、氧化层(103)、分裂栅(104)、栅电极(105)、n+层(106)、源电极(107)、沟道区(108)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在不牺牲器件耐压的前提下，降低漏-源导通电阻；与常规MOSFET工艺兼容，具有很强的可实施性；更易满足功率电子系统的应用要求的栅增强功率半导体场效应晶体管。

本发明的目的是这样实现的；

包括漏区201、漂移区202、介质层203、分裂栅204、栅电极205、n+层206、源电极207、沟道区208，介质层203的K值是按一定规律分布的，即K值按照从源极到漏极方向越来越小。

所述按一定规律分布的分布规律为：漂移区长度为L、L_y表示漂移区深度为y的地方、0≤L_y≤L，与之对应地方的介质层的K值为ε_y表示为：

${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{A}{L_y}$

上式中，A为定值；L_y＝L，对应处的ε_y＝ε_L；ε_y＝2ε_L；

ε_y＝4ε_L；

ε_y＝8ε_L；L_y→0，ε_y→∞。

Ly小到一定程度，ε_y的值很大，所以这只能作为参考，实际上当Ly小到一定程度，L₀→L_y的区域比较小，对应区域介质层的K值取到一定程度大就可以了。

参考上述K值分布，分裂栅204对漂移区202不同深度的调制能力不一样，K值越大，调制能力越强，但是与之对应的纵向压降也越小，通过优化可以使得漂移区202内部的电场强度近似分布一致，这样能够保证耐压，且高K介质的使用本身也提高了栅电极205控制能力及分裂栅204的调制能力，容易降低导通电阻。

本发明所述的改进的栅增强功率MOSFET，可通过优化设计漂移区202的掺杂浓度及结构尺寸，介质层203的结构尺寸和K值分布情况。反向关断时，分裂栅204对漂移区202的调制，因介质层203的K值的分布情况，使得漂移区202内部场强分布近似一致。通过边界条件，相邻漂移区的介质层处场强分布纵向上线性变大，对于均匀的介质层，其承担的横向压降也越来越大，需要匹配于纵向压降。正向导通时，因介质层K值的分布情况，栅控能力和分裂栅的调制能力都提高了，容易降低导通电阻。因此能在保证击穿电压的基础上，提高漂移区浓度，降低特征导通电阻，且相比图1中结构，本发明的单胞尺寸更小，改善了图1中侧氧结构所占面积较大的情况。

附图说明

图1是一种已有的SGE-UMOS晶体管结构示意图；

图2是本发明的改进的栅增强功率MOSFET结构示意图；

图3是本发明实施例1的结构示意图；

图4是本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

参照图2，本发明的改进的栅增强功率MOSFET。包括漏区201、漂移区202、介质层203、分裂栅204、栅电极205、n+层206、源电极207、沟道区208。介质层203的K值是按一定规律分布的，理想情况下介质层203对应漂移区段中K值是连续变化的。根据器件具体导通特性、击穿特性的要求，确定漂移区202的掺杂浓度及结构尺寸，介质层203的结构尺寸和K值分布情况。

为对比图1结构，并表示K值分布情况的趋势，下列举两个实施例。

首先，给出图1结构相关主要参数。参照图1结构，漂移区102宽度0.8μm，其掺杂浓度为5.5×10¹⁶cm^-3，氧化层103底部厚度0.9μm。击穿电压为119V时，对应的优值FOM(BV²/R_ON)＝49.7MW/cm²(Ying Wang，Hai-fan Hu，Wen-Li Jiao，IEEE Electron DeviceLetters.2010，31(11)：1281-1283)。

实施例中将介质层203分成几个均匀K值段，此因，相比理想情况，各段K值需要折中取值，分段越多越接近理想情况。

实施例一：

参照图3。图3中，将介质层203分成203a、203b、203c共3段。这其中把栅介质部分也算作了一段。介质层203厚度为0.5μm，各段介质的K值不同，203a段的K值为2.2，段长为3.5μm；203b段的K值为5.06，段长为1.5μm；203c段的K值为21。漂移区202宽度与图1中一致，为0.8μm，其掺杂浓度为4.0×10¹⁶cm^-3。击穿电压同图1结构为119V下，对应的FOM＝63.8MW/cm²。

实施例二：

参照图4。图4中，将介质层203分成203-1、203-2、203-3、203-4共4段，同样把栅介质部分也算作了一段，比图3中多出一段。除了介质层(203)的K值分布和漂移区202的掺杂浓度外，其余参数和图3中一样。K值分布：203-1段的K值为2.9，段长为2.75μm；203-2段的K值为5.8，段长为1.25μm；203-3段的K值为11.6，段长为1.0μm；203-4段的K值为23.2。漂移区(202)的掺杂浓度为6.0×10¹⁶cm^-3。击穿电压同为119V下，对应的FOM＝84.8MW/cm²。

上述为本发明特举之实施例，并非用以限定本发明。本发明提供的改进的栅增强功率MOSFET结构同样适用于低高压二极管、VDMOS、IGBT、LDMOS、LIGBT等功率半导体器件以及它们的变体。在不脱离本发明的实质和范围内，可做些许的调整和优化，本发明的保护范围以权利要求为准。

Claims (3)

1.一种栅增强功率半导体场效应晶体管，包括漏区(201)，位于漏区(201)之上的漂移区(202)和介质层(203)、且介质层(203)位于漂移区(202)的两侧，嵌于介质层(203)中的分裂栅(204)，位于介质层(203)之上的栅电极(205)，位于漂移区(202)之上的沟道区(208)，位于沟道区(208)上方的n+层(206)，位于n+层(206)之上且部分嵌入n+层(206)中与沟道区(208)相连的源电极(207)；其特征是：所述介质层(203)的K值是按一定规律分布的，即K值按照从源极到漏极方向越来越小。

2.根据权利要求1所述的一种栅增强功率半导体场效应晶体管，其特征是所述按一定规律分布的分布规律为：将介质层（203）分成第一至第三（203a、203b、203c）共3段，各段介质的K值不同，第一段（203a）的K值为2.2，段长为3.5μm；第二段（203b）的K值为5.06，段长为1.5μm；第三段（203c）的K值为21。

3.根据权利要求1所述的一种栅增强功率半导体场效应晶体管，其特征是所述按一定规律分布的分布规律为：将介质层（203）分成第一至第四（203-1、203-2、203-3、203-4）共4段，K值分布：第一段（203-1）的K值为2.9，段长为2.75μm；第二段（203-2）的K值为5.8，段长为1.25μm；第三段（203-3）的K值为11.6，段长为1.0μm；第四段（203-4）的K值为23.2。

Images