CN105870193B - 一种坚固的功率半导体场效应晶体管结构 - Google Patents

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Abstract

一种坚固的功率半导体场效应晶体管结构,本发明涉及功率半导体器件的结构，为提供一种具有高密度的栅极控制的隧穿结的坚固的功率FET结构，其改进点在于：在所述第一导电类型的漂移区顶部上设有多个均匀排列的第一导电类型的轻掺杂JFET区，所述的多个第一导电类型的轻掺杂JFET区被第二导电类型的重掺杂源区侧向包围，本发明的有益效果在于，降低比导通电阻。

Description

一种坚固的功率半导体场效应晶体管结构
技术领域
本发明涉及功率半导体器件的结构，且确切地说，涉及坚固的功率场效应晶体管（FET）。更确切地说，本发明涉及一种用于PCT/CN2016/076952中所公开的坚固的功率FET结构的新颖源区图案。
背景技术
在上述PCT/CN2016/076952中已经公开坚固的功率FET结构。如图1和2中所示，在PCT/CN2016/076952中，所公开的FET器件100具有栅极控制的pn结。n-漂移113/p+源区111结在关断状态下阻断电流，且n-JFET112/p+源区111结在导通状态下通过隧穿传导电流。由于在所述结构中不存在寄生双极结晶体管，因此器件100绝对不受二次击穿影响。此特征使得器件100相较于功率MOSFET能够具有更高的坚固性。除坚固性外，功率半导体器件还必须具有低导通损耗，且器件100的导通损耗能以比导通电阻表征。器件100的比导通电阻很大程度上取决于n-JFET 112与p+源区111之间的隧穿结的密度，其密度越高，比导通电阻越低。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供具有高密度的栅极控制的隧穿结的坚固的功率FET结构。因此，将降低比导通电阻。
一种功率场效应晶体管（FET）结构，其包括：
一种功率场效应晶体管结构，所述的晶体管结构为最底部处设有漏极电极，在所述漏极顶部上设有第一导电类型的重掺杂漏区，在所述重掺杂漏区的顶部上设有第一导电类型的轻掺杂漂移区，在所述第一导电类型的漂移区顶部上设有第二导电类型的重掺杂源区和第一导电类型的轻掺杂JFET区，在第二导电类型的重掺杂源区和第一导电类型的轻掺杂JFET区顶部设有栅极电介质，所述的栅极电介质上方设有栅极电极，所述的栅极电极顶部设有层间电介质，层间电介质覆盖在栅极电极上方，并与第二导电类型的重掺杂源区上表面相接触，所述的层间电介质顶部设有源级电极，源极电极与第二导电类型的重掺杂源区接触且通过层间电介质与栅极分离，在所述第一导电类型的漂移区顶部上设有多个均匀排列的第一导电类型的轻掺杂JFET区，所述的两个以上第一导电类型的轻掺杂JFET区被第二导电类型的重掺杂源区侧向包围。
进一步的，其中所述第一导电类型的轻掺杂JFET区被第二导电类型的重掺杂源区侧向包围的外围是多边形。
进一步的，其中所述多边形是矩形。
进一步的，其中所述矩形是正方形。
进一步的，其中所述第一导电类型的轻掺杂JFET区被第二导电类型的重掺杂源区侧向包围的外围是正六边形。
进一步的，其中所述第一导电类型的轻掺杂JFET区被第二导电类型的重掺杂源区侧向包围的外围是圆形。
本发明的有益效果在于，降低比导通电阻。
附图说明
图1是现有技术功率FET器件100的截面视图。
图2是器件100的俯视图。
图3是实施于功率FET器件300中的本发明的俯视图。
图4是器件300在B-B'方向上的截面视图。
图5是器件300在C-C'方向上的截面视图。
图6是实施于另一功率FET器件600中的本发明的俯视图。
图7是实施于又一功率FET器件700中的本发明的俯视图。
图8是实施于又一功率FET器件800中的本发明的俯视图。
具体实施方式
本发明提供用于坚固的功率FET结构的源区图案。
本发明将使用n沟道器件进行说明，但是在以下说明中将理解，本发明同样适用于p沟道器件。在本发明说明书中，重掺杂n型区标记为n+，且重掺杂p型区标记为p+，这些重掺杂区通常具有介于1×1019 cm-3与1×1021 cm-3之间的掺杂浓度。在本发明说明书中，轻掺杂n型区标记为n-，且轻掺杂p型区标记为p-，这些轻掺杂区通常具有介于1×1013 cm-3与1×1017 cm-3之间的掺杂浓度。
图3是实施于功率FET器件300中的本发明的俯视图。器件300在A-A'方向上的截面视图与器件100的截面视图几乎相同，并且器件300的基本操作机制与器件100的基本操作机制相同。通过向栅极电极施加正高压（例如，10V），n-JFET区的表面积累有电子，积累层与栅电介质下方的p+源区形成突变n+p+结，并且突变n+p+结使p+源区的价带中的电子能够隧穿到n+积累层的导带中。电子的隧穿使得电流能够在p+源区与n-JFET区之间传导。在零栅-源电压下，在p+源区与n-JFET/漂移区之间仅存在n-p+结，并且电流将被反向偏置的n-p+结阻挡。
图4是器件300在B-B'方向上的截面视图。如图所示，所述的晶体管结构为最底部处设有漏极电极323，在所述漏极电极323顶部上设有第一导电类型的重掺杂漏区314，在所述第一导电类型的重掺杂漏区314的顶部上设有第一导电类型的轻掺杂漂移区313，在所述第一导电类型的漂移区313顶部上设有第二导电类型的重掺杂源区p+311和第一导电类型的轻掺杂JFET区n-312，在第二导电类型的重掺杂源区p+311和第一导电类型的轻掺杂JFET区n-312顶部设有栅极电介质332，所述的栅极电介质332上方设有栅极电极322，所述的栅极电极322顶部设有层间电介质331，层间电介质331覆盖在栅极电极322上方，并与第二导电类型的重掺杂源区p+311上表面相接触，所述的层间电介质322顶部设有源级电极321，源极电极321与第二导电类型的重掺杂源区p+311接触且通过层间电介质与栅极分离，在器件300中周期性地排列多个n-JFET区，即第一导电类型的轻掺杂JFET区n-312，这些第一导电类型的轻掺杂漂移区n-312具有矩形形状，如之前在图3中所示，这些第一导电类型的轻掺杂漂移区n-312由p+源区，即第二导电类型的重掺杂源区p+311侧向地包围，在两个邻近第一导电类型的轻掺杂JFET区n-312之间，第二导电类型的重掺杂源区p+311具有指状图案（长方形），这些指状物（长方形）并非直接连接到源极321，而是通过第二导电类型的重掺杂源区p+311的较宽部分实现连接，指状物可以具有仅受光刻技术限制的最小线宽，这相较于器件100在器件300中形成了更高密度的栅极控制的隧穿结。相反，在器件100中，p+源区111直接接触到源极121，并且由于需要在p+源区111上制作接触孔，因此p+源区111的宽度无法是最小线宽。因此，器件300将具有比器件100的比导通电阻更小的比导通电阻。
图5是器件300在C-C'方向上的截面视图。如图所示，器件300的第二导电类型的重掺杂源区p+311的指状物通过第二导电类型的重掺杂源区p+311的较宽部分连接到源极321。因此，在器件300中，多个第二导电类型的重掺杂源区p+311共享至源极321的相同的接触区域，这使得器件300比器件100更紧凑，导通电阻越低。在器件300中，由于源极指状物的宽度减小，第二导电类型的重掺杂源区p+311的寄生电阻会大于器件100中的寄生电阻，但这并不是非常关键的问题。由于第二导电类型的重掺杂源区p+311是重掺杂的，因此第二导电类型的重掺杂源区p+311的寄生电阻并不是总导通电阻的重要组成部分。此外，在器件300中，由于接触区域减小，第二导电类型的重掺杂源区p+311与源极321之间的接触电阻会大于器件100中的接触电阻，但这并不是非常关键的问题。在功率半导体器件中，接触电阻通常并不是总导通电阻的重要组成部分。
图6是实施于另一功率FET器件600中的本发明的俯视图。器件600具有与器件300的操作机制相同的操作机制。在器件600中，第一导电类型的轻掺杂漂移区n-612的外围是正方形，并且第一导电类型的轻掺杂JFET区n-612的周期性分布是二维的。
图7是实施于又一功率FET器件700中的本发明的俯视图。器件700具有与器件600的操作机制相同的操作机制。唯一的区别在于在器件700中第一导电类型的轻掺杂JFET区n-712的外围是正六边形。
如之前在图3、6和7中所示，实际上n-JFET区的外围可以是能够充分填充二维空间的任何多边形形状。例如，外围还可以是任意的四边形或三角形。然而，含有锐角的多边形形状通常不适合于制造，因为锐角需要光刻的额外精确性。
图8是实施于又一功率FET器件800中的本发明的俯视图，器件800具有与器件600和器件700的操作机制相同的操作机制。唯一的区别在于在器件800中第一导电类型的轻掺杂JFET区n-812的外围是圆形，俯视时其外围是圆形。与多边形形状相比，圆形形状对光刻技术的要求可以更宽松。

Claims (6)

1.一种坚固的功率半导体场效应晶体管结构，所述的晶体管结构为最底部处设有漏极电极，在所述漏极电极顶部上设有第一导电类型的重掺杂漏区，在所述第一导电类型的重掺杂漏区的顶部上设有第一导电类型的轻掺杂漂移区，在所述第一导电类型的漂移区顶部上设有第二导电类型的重掺杂源区和第一导电类型的轻掺杂JFET区，在第二导电类型的重掺杂源区和第一导电类型的轻掺杂JFET区顶部设有栅极电介质，所述的栅极电介质上方设有栅极电极，所述的栅极电极顶部设有层间电介质，层间电介质覆盖在栅极电极上方，并与第二导电类型的重掺杂源区上表面相接触，所述的层间电介质顶部设有源级电极，源极电极与第二导电类型的重掺杂源区接触且通过层间电介质与栅极分离，其特征在于：在所述第一导电类型的漂移区顶部上设有多个均匀排列的第一导电类型的轻掺杂JFET区，所述的多个第一导电类型的轻掺杂JFET区被第二导电类型的重掺杂源区侧向包围。
2.根据权利要求1所述的功率半导体场效应晶体管结构，其特征在于，其中所述第一导电类型的轻掺杂JFET区被第二导电类型的重掺杂源区侧向包围的外围是多边形。
3.根据权利要求2所述的功率半导体场效应晶体管结构，其特征在于，其中所述多边形是矩形。
4.根据权利要求3所述的功率半导体场效应晶体管结构，其特征在于，其中所述矩形是正方形。
5.根据权利要求2所述的功率半导体场效应晶体管结构，其特征在于，其中所述第一导电类型的轻掺杂JFET区被第二导电类型的重掺杂源区侧向包围的外围是正六边形。
6.根据权利要求1所述的功率半导体场效应晶体管结构，其特征在于，其中所述第一导电类型的轻掺杂JFET区被第二导电类型的重掺杂源区侧向包围的外围是圆形。
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