CN106206323B - 碳化硅金属氧化物半导体场效应管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳化硅金属氧化物半导体场效应管及其制作方法。本发明通过离子注入在第三P阱区形成温度传感器P+离子注入区及温度传感器N+离子注入区，温度传感器P+离子注入区及温度传感器N+离子注入区形成PN结二极管。通过在碳化硅VDMOS器件P阱中集成PN结温度传感器，实现了碳化硅器件内部温度的即时检测，并且可以应用于高温时的温度检测，消除了传感器对于碳化硅VDMOS反向耐压的影响，最小化了版图开销，和现有的VDMOS制作工艺有良好的兼容性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种碳化硅金属氧化物半导体场效应管及其制作方法。
背景技术
碳化硅(Silicon Carbide)材料凭借临界击穿电场高、热导率高、热载流子饱和漂移速度高、抗辐照能力强等特点，极大地扩展了功率器件的能量处理能力，满足了下一代电力电子装备对功率器件更大功率、更小体积和更恶劣工作条件的要求，正逐步应用于各种电子系统领域。
碳化硅VDMOS常应用于大功率器件中，工作在高压大电流的工作条件下，在反复开启和关断时会产生大量的热量。如果没能及时的调控，热量的积累会使器件的工作性能退化，影响器件的可靠性。及时的探测并调控器件的工作温度，对于制作高可靠性的大功率器件有着很重要的现实意义。现有的碳化硅VDMOS器件的工作温度的检测，是通过外围的电路或者传感器来探测的。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：利用外围电路检测碳化硅VDMOS器件的工作温度增加了电路的开销，同时不具有及时性；利用传感器检测碳化硅VDMOS器件的工作温度是针对封装后的温度的检测，不能很好地反应封装内碳化硅VDMOS器件的温度。
发明内容
本发明提供的碳化硅金属氧化物半导体场效应管及其制作方法，能够及时地检测封装内的碳化硅VDMOS器件的温度，同时减小了电路的开销。
第一方面，本发明提供一种碳化硅金属氧化物半导体场效应管制作方法，所述方法包括：
在碳化硅外延片上通过离子注入形成P阱区，所述P阱区包括第一P阱区、第二P阱区及第三P阱区；
在所述第一P阱区离子注入形成P+欧姆接触区，在所述第三P阱区离子注入形成温度传感器P+离子注入区；
在所述第一P阱区离子注入形成N+源区，在所述第三P阱区离子注入形成温度传感器N+离子注入区；
在所述第二P阱区上方生长一层场氧化层；
生长一层栅介质，并在所述栅介质上生长一层多晶硅栅；
对所述第一P阱区及所述第三P阱区的上方位置处的多晶硅栅及栅介质进行刻蚀处理；
沉积一层介质层，并对所述P+欧姆接触区、N+源区上方的介质层，所述场氧化层上方的介质层，所述温度传感器N+离子注入区上方的介质层，所述温度传感器P+离子注入区上方的介质层开孔处理，分别形成第一孔、第二孔、第三孔及第四孔；
在所述第一孔、第二孔、第三孔及第四孔内分别形成源电极、栅电极、温度传感器阴极及温度传感器阳极；
在所述碳化硅外延片的背面形成漏电极。
可选地，所述碳化硅外延片包括碳化硅N+衬底，及位于所述碳化硅N+衬底上的碳化硅N-外延层。
可选地，所述温度传感器N+离子注入区和N+源区同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e19cm-3，深度为0.3μm。
可选地，所述第一P阱区、第二P阱区、第三P阱区同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e18cm-3，深度为0.6～0.7μm。
可选地，所述温度传感器的P+离子注入区及所述P+欧姆接触区同时由多次离子注入形成，峰值浓度1e19cm-3，深度为0.3μm。
第二方面，本发明提供一种碳化硅金属氧化物半导体场效应管，所述场效应管包括：碳化硅N+衬底，位于所述碳化硅N+衬底下方的漏极金属，位于所述碳化硅N+衬底上方的碳化硅N-外延层；所述碳化硅N-外延层上左侧具有第一P阱区，中部具有第二P阱区，右侧具有第三P阱区，所述第一P阱区中具有相互独立的N+源区和P+欧姆接触区，所述第二P阱区上表面具有场氧化层，所述第三P阱区中具有相互独立的温度传感器N+离子注入区和P+离子注入区；所述N+源区上表面具有栅介质，所述栅介质上具有第一多晶硅栅，所述场氧化层上表面具有栅介质，所述栅介质上具有第二多晶硅栅；所述N+源区和P+欧姆接触区上表面具有源极金属，所述温度传感器N+离子注入区上表面具有温度传感器阴极金属，所述温度传感器的P+离子注入区上表面具有温度传感器阳极金属，所述第二多晶硅栅上表面具有栅电极金属；所述源极金属、栅电极金属、温度传感器阴极金属与所述第一多晶硅栅、第二多晶硅栅之间设置有层间介质，所述温度传感器阳极金属、温度传感器阴极金属与所述温度传感器N+离子注入区、温度传感器的P+离子注入区之间设置有层间介质。
可选地，所述碳化硅外延片包括碳化硅N+衬底，及位于所述碳化硅N+衬底上的碳化硅N-外延层。
可选地，所述温度传感器N+离子注入区和N+源区同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e19cm-3，深度为0.3μm。
可选地，所述第一P阱区、第二P阱区、第三P阱区同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e18cm-3，深度为0.6～0.7μm。
可选地，所述温度传感器的P+离子注入区及所述P+欧姆接触区同时由多次离子注入形成，峰值浓度1e19cm-3，深度为0.3μm。
本发明实施例提供的碳化硅金属氧化物半导体场效应管及其制作方法，通过离子注入在第三P阱区形成温度传感器P+离子注入区及温度传感器N+离子注入区，温度传感器P+离子注入区及温度传感器N+离子注入区形成PN结二极管。通过在碳化硅VDMOS器件P阱中集成PN结温度传感器，实现了碳化硅器件内部温度的即时检测，并且可以应用于高温时的温度检测，消除了传感器对于碳化硅VDMOS反向耐压的影响，最小化了版图开销，和现有的VDMOS制作工艺有良好的兼容性。
附图说明
图1为现有的碳化硅VDMOS器件的结构示意图；
图2-1至图2-10为本发明一实施例提供的碳化硅金属氧化物半导体场效应管制造方法中的各流程结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的碳化硅金属氧化物半导体场效应管的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的碳化硅金属氧化物半导体场效应管中集成的温度传感器的仿真结果。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为传统碳化硅VDMOS器件的结构示意图，在图1中，1是金属源电极、2是层间介质、3是多晶硅栅、4是栅介质、5是碳化硅N-漂移区、6是碳化硅N+衬底、7是金属漏电极、8是第一P阱区、9是N+源区、10是P+欧姆接触区、11是场氧化层、12是栅电极金属、31是第一多晶硅栅、81是第二P阱区。碳化硅由于其优良的材料特性，能制作出工作温度高达300℃的温度传感器，因此可以将温度传感器集成到碳化硅VDMOS器件中，以实现碳化硅VDMOS器件温度的检测。
本发明提供一种碳化硅金属氧化物半导体场效应管制作方法，如图2所示，所述方法包括：
在碳化硅外延片上通过离子注入形成P阱区，所述P阱区包括第一P阱区、第二P阱区及第三P阱区；
在所述第一P阱区离子注入形成P+欧姆接触区，在所述第三P阱区离子注入形成温度传感器P+离子注入区；
在所述第一P阱区离子注入形成N+源区，在所述第三P阱区离子注入形成温度传感器N+离子注入区；
在所述第二P阱区上方生长一层场氧化层；
生长一层栅介质，并在所述栅介质上生长一层多晶硅栅；
对所述第一P阱区及所述第三P阱区的上方位置处的多晶硅栅及栅介质进行刻蚀处理；
沉积一层介质层，并对所述P+欧姆接触区、N+源区上方的介质层，所述场氧化层上方的介质层，所述温度传感器N+离子注入区上方的介质层，所述温度传感器P+离子注入区上方的介质层开孔处理，分别形成第一孔、第二孔、第三孔及第四孔；
在所述第一孔、第二孔、第三孔及第四孔内分别形成源电极、栅电极、温度传感器阴极及温度传感器阳极；
在所述碳化硅外延片的背面形成漏电极。
本发明实施例提供的碳化硅金属氧化物半导体场效应管制作方法，通过离子注入在第三P阱区形成温度传感器P+离子注入区及温度传感器N+离子注入区，温度传感器P+离子注入区及温度传感器N+离子注入区形成的PN结二极管。通过在碳化硅VDMOS器件P阱中集成PN结温度传感器，实现了碳化硅器件内部温度的即时检测，并且可以应用于高温时的温度检测，消除了传感器对于碳化硅VDMOS反向耐压的影响，最小化了版图开销，和现有的VDMOS制作工艺有良好的兼容性。
可选地，所述碳化硅外延片包括碳化硅N+衬底，及位于所述碳化硅N+衬底上的碳化硅N-外延层。
可选地，所述温度传感器N+离子注入区和N+源区同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e19cm-3，深度为0.3μm。
可选地，所述第一P阱区、第二P阱区、第三P阱区同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e18cm-3，深度为0.6～0.7μm。
可选地，所述温度传感器的P+离子注入区及所述P+欧姆接触区同时由多次离子注入形成，峰值浓度1e19cm-3，深度为0.3μm。
如图2-1至图2-10所示，是本发明一种碳化硅金属氧化物半导体场效应管制作方法的各步骤结构示意图。主要包括如下步骤：
如图2-1所示，在碳化硅外延片上通过离子注入形成P阱区。碳化硅外延片包括碳化硅N+衬底6，及位于所述碳化硅N+衬底6上的碳化硅N-外延层5。P阱区包括第一P阱区8、第二P阱区81及第三P阱区82。第一P阱区8、第二P阱区81、第三P阱区83同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e18cm-3，深度为0.6～0.7μm。
如图2-2所示，在所述第一P阱区8通过离子注入形成P+欧姆接触区10，在所述第三P阱区82通过离子注入形成温度传感器的P+离子注入区13。温度传感器的P+离子注入区13及所述P+欧姆接触区10同时由多次离子注入形成，峰值浓度1e19cm-3，深度为0.3μm。
如图2-3所示，在所述第一P阱区8离子注入形成N+源区9，在所述第三P阱区82离子注入形成温度传感器N+离子注入区12，温度传感器N+离子注入区12和N+源区9同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e19cm-3，深度为0.3μm。
如图2-4所示，在半导体表面生长一层场氧化层11并图形化。
如图2-5所示，在半导体表面生长一层栅介质4。
如图2-6所示，在栅介质上生长一层多晶硅3。
如图2-7所示，刻蚀多晶硅形成栅极形状。
如图2-8所示，在半导体表面淀积介质层2并开孔。
如图2-9所示，在正面溅射或淀积金属并退火形成正面欧姆合金，正面金属加厚，形成温度传感器阳极15、温度传感器阴极14、源电极1及栅电极16。
如图2-10所示，背面欧姆合金并金属加厚在背面溅射或淀积金属并退火形成欧姆合金，背面金属加厚形成漏电极7。
本发明实施例还提供一种碳化硅金属氧化物半导体场效应管，如图3所示，所述装置包括：碳化硅N+衬底6，位于所述碳化硅N+衬底6下方的漏极金属7，位于所述碳化硅N+衬底6上方的碳化硅N-外延层5；所述碳化硅N-外延层上左侧具有第一P阱区8，中部具有第二P阱区81，右侧具有第三P阱区82，所述第一P阱区8中具有相互独立的N+源区9和P+欧姆接触区10，所述第二P阱区81上表面具有场氧化层11，所述第三P阱区82中具有相互独立的温度传感器N+离子注入区12和P+离子注入区13；所述N+源区9上表面具有栅介质4，所述栅介质4上具有第一多晶硅栅3，所述场氧化层11上表面具有栅介质4，所述栅介质4上具有第二多晶硅栅31；所述N+源区9和P+欧姆接触区10上表面具有源极金属1，所述温度传感器N+离子注入区12上表面具有温度传感器阴极金属14，所述温度传感器的P+离子注入区13上表面具有温度传感器阳极金属15，所述第二多晶硅栅上表面具有栅电极金属16；所述源极金属1、栅电极金属16、温度传感器阴极金属14与所述第一多晶硅栅3、第二多晶硅栅31之间设置有层间介质2，所述温度传感器阳极金属15、温度传感器阴极金属14与所述温度传感器N+离子注入区12、温度传感器的P+离子注入区13之间设置有层间介质2。
本发明实施例提供的碳化硅金属氧化物半导体场效应管，通过离子注入在第三P阱区形成温度传感器P+离子注入区及温度传感器N+离子注入区，温度传感器P+离子注入区及温度传感器N+离子注入区形成的PN结二极管。通过在碳化硅VDMOS器件P阱中集成PN结温度传感器，实现了碳化硅器件内部温度的即时检测，并且可以应用于高温时的温度检测，消除了传感器对于碳化硅VDMOS反向耐压的影响，最小化了版图开销，和现有的VDMOS制作工艺有良好的兼容性。
可选地，所述碳化硅外延片包括碳化硅N+衬底6，及位于所述碳化硅N+衬底上的碳化硅N-外延层5。
可选地，所述温度传感器N+离子注入区12和N+源区9同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e19cm-3，深度为0.3μm。
可选地，所述第一P阱区8、第二P阱区81、第三P阱区82同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e18cm-3，深度为0.6～0.7μm。
可选地，所述温度传感器的P+离子注入区13及所述P+欧姆接触区10同时由多次离子注入形成，峰值浓度1e19cm-3，深度为0.3μm。
图4是本发明提供的碳化硅金属氧化物半导体场效应管中集成的温度传感器的仿真结果，横坐标为温度的倒数，纵坐标为在恒定偏压下的电流大小，仿真结果表明本发明中的温度传感器，电流和温度之间在20℃至300℃之间有良好的线性关系，能用检测碳化硅VDMOS的温度变化。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种碳化硅金属氧化物半导体场效应管制作方法，其特征在于，包括：
在碳化硅外延片上通过离子注入形成P阱区，所述P阱区包括第一P阱区、第二P阱区及第三P阱区；
在所述第一P阱区离子注入形成P+欧姆接触区，在所述第三P阱区离子注入形成温度传感器P+离子注入区；
在所述第一P阱区离子注入形成N+源区，在所述第三P阱区离子注入形成温度传感器N+离子注入区；
在所述第二P阱区上方生长一层场氧化层；
生长一层栅介质，并在所述栅介质上生长一层多晶硅栅；
对所述第一P阱区及所述第三P阱区的上方位置处的多晶硅栅及栅介质进行刻蚀处理；
沉积一层介质层，并对所述P+欧姆接触区、N+源区上方的介质层，所述场氧化层上方的介质层，所述温度传感器N+离子注入区上方的介质层，所述温度传感器P+离子注入区上方的介质层开孔处理，分别形成第一孔、第二孔、第三孔及第四孔；
在所述第一孔、第二孔、第三孔及第四孔内分别形成源电极、栅电极、温度传感器阴极及温度传感器阳极；
在所述碳化硅外延片的背面形成漏电极。
2.根据权利要求1所述的碳化硅金属氧化物半导体场效应管制作方法，其特征在于，所述碳化硅外延片包括碳化硅N+衬底，及位于所述碳化硅N+衬底上的碳化硅N-外延层。
3.根据权利要求2所述的碳化硅金属氧化物半导体场效应管制作方法，其特征在于，所述温度传感器N+离子注入区和N+源区同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e19cm-3，深度为0.3μm。
4.根据权利要求3所述的碳化硅金属氧化物半导体场效应管制作方法，其特征在于，所述第一P阱区、第二P阱区、第三P阱区同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e18cm-3，深度为0.6～0.7μm。
5.根据权利要求4所述的碳化硅金属氧化物半导体场效应管制作方法，其特征在于，所述温度传感器的P+离子注入区及所述P+欧姆接触区同时由多次离子注入形成，峰值浓度1e19cm-3，深度为0.3μm。
6.一种碳化硅金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，包括：碳化硅N+衬底，位于所述碳化硅N+衬底下方的漏极金属，位于所述碳化硅N+衬底上方的碳化硅N-外延层；所述碳化硅N-外延层上左侧具有第一P阱区，中部具有第二P阱区，右侧具有第三P阱区，所述第一P阱区中具有相互独立的N+源区和P+欧姆接触区，所述第二P阱区上表面具有场氧化层，所述第三P阱区中具有相互独立的温度传感器N+离子注入区和P+离子注入区；所述N+源区上表面具有栅介质，所述栅介质上具有第一多晶硅栅，所述场氧化层上表面具有栅介质，所述栅介质上具有第二多晶硅栅；所述N+源区和P+欧姆接触区上表面具有源极金属，所述温度传感器N+离子注入区上表面具有温度传感器阴极金属，所述温度传感器P+离子注入区上表面具有温度传感器阳极金属，所述第二多晶硅栅上表面具有栅电极金属；所述源极金属、栅电极金属、温度传感器阴极金属与所述第一多晶硅栅、第二多晶硅栅之间设置有层间介质，所述温度传感器阳极金属、温度传感器阴极金属与所述温度传感器N+离子注入区、温度传感器的P+离子注入区之间设置有层间介质。
7.根据权利要求6所述的碳化硅金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述温度传感器N+离子注入区和N+源区同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e19cm-3，深度为0.3μm。
8.根据权利要求7所述的碳化硅金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述第一P阱区、第二P阱区、第三P阱区同时由多次离子注入形成，峰值浓度为1e18cm-3，深度为0.6～0.7μm。
9.根据权利要求8所述的碳化硅金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述温度传感器的P+离子注入区及所述P+欧姆接触区同时由多次离子注入形成，峰值浓度1e19cm-3，深度为0.3μm。
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