CN107086243A - 具有宽带隙材料与硅材料复合的u‑mosfet - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种具有宽带隙材料与硅材料复合的U‑MOSFET，该U‑MOSFET器件主要特点是将宽带隙材料与硅材料相结合，通过异质外延技术或键合技术实现在宽带隙材料上生长硅材料，采用硅成熟工艺形成器件的沟道区。利用宽带隙材料的高临界击穿电场特性，将器件槽栅拐角处栅氧的强电场引入宽带隙材料中，抬高了器件的纵向电场峰，U‑MOSFET可承担更高的击穿电压，突破了传统硅基U‑MOSFET受单一硅材料临界击穿电场的限制，同时宽带隙材料的高热导率特性有利于器件散热，提高了器件可靠性，此功率U‑MOSFET可应用于高压领域。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件领域，具体涉及一种U-MOSFET的结构。
背景技术
功率半导体器件是电力电子技术发展的基础，目前已成为微电子技术研究的热点。随着VLSI制造技术的迅速发展，MOSFET的尺寸一直在不断缩小。器件尺寸的缩小使器件的结深和栅氧厚度正接近实际极限。由于U-MOSFET从工艺的角度有效地降低了器件的导通电阻，并能处理较大的导通电流，槽栅MOS被认为是器件可靠性加固的理想结构，近年来受到了高度重视。目前，U-MOSFET在低压MOSFET产品市场中被广泛接受，但U-MOSFET在耐压方面，相对于横向器件还是有一定的差距，因此在保证器件可靠性的基础上提高器件的击穿电压是U-MOSFET器件技术发展的方向。
发明内容
为了提高器件的击穿电压，本发明提出了一种具有宽带隙材料与硅材料复合的新型U-MOSFET。
本发明的技术方案如下：
具有宽带隙材料与硅材料复合的U-MOSFET，其特征在于，包括：
宽带隙半导体材料的N+型衬底；
在所述N+型衬底上表面形成宽带隙半导体材料的N型漂移区，N型漂移区的厚度和浓度根据不同的耐压等级设定；
在所述N型漂移区上表面形成的P型硅外延层；
分别在所述P型硅外延层的左、右两端区域形成的两处P型基区；每一处P型基区中形成N+型源区；在所述P型硅外延层位于两处N+型源区之间的区域刻槽至N型漂移区中，满足刻槽深度大于P型基区与N型漂移区之间PN结的深度，刻槽延伸到宽带隙半导体漂移区中，刻槽的深度根据不同的耐压等级设定，在刻槽内壁淀积有栅氧化层；
栅极，设置于栅氧化层的内壁；栅极的上表面覆盖有钝化层；
源极，设置于两处P型基区上表面分别与两处N+型源区对应，两处源极共接；
漏极，位于所述N+型衬底下表面；
宽带隙材料整体的厚度和掺杂浓度由器件的耐压要求确定，N型漂移区的掺杂浓度低于N+型衬底的掺杂浓度。
在以上方案的基础上，本发明还进一步作了如下优化：
两处源极通过覆盖于钝化层上表面的同材料金属(即与源极材料相同的金属)连成一体。
宽带隙半导体材料采用碳化硅或氮化镓。
P型硅外延层是通过异质外延技术或键合技术在N型漂移区上表面形成的。
N型漂移区的掺杂浓度与N+型衬底相比，差值为3‐5个数量级。
耐压要求为950V时，N型漂移区的厚度为10微米左右，耐压为570V，N型漂移区的厚度为5微米左右。
栅极为多晶硅栅极，源极为金属化源极，漏极为金属化漏极。
一种制作上述具有宽带隙材料与硅材料复合的U-MOSFET的方法，包括以下步骤：
(1)在N+型衬底上表面外延一层宽带隙材料形成N型漂移区；
(2)在N+型衬底下表面形成金属化漏极；
(3)在N型漂移区上表面通过异质外延技术或键合技术生长P型硅外延层；
(4)在P型硅外延层的中部区域进行N+型离子注入；
(5)在N+型离子注入区域的中部刻槽并延伸入N型漂移区中，形成P型基区及N+型源区，要求刻槽深度大于P型基区与N型漂移区之间PN结的深度；
(6)采用局部氧化技术在刻槽内壁形成栅氧化层；
(7)在槽中淀积金属形成栅极；
(8)在器件表面淀积钝化层；
(9)刻蚀接触孔，淀积金属形成覆盖整个P型基区及钝化层上表面的源极一体结构。
本发明技术方案的有益效果如下：
本发明将宽带隙材料和硅材料相结合，U-MOSFET采用宽带隙衬底材料，在宽带隙材料上通过异质外延技术或键合技术形成硅外延层，刻槽填氧淀积栅金属。利用宽带隙材料的高临界击穿电场特性，将器件槽栅拐角处栅氧的强电场引入宽带隙材料中，抬高了器件的纵向电场峰，U-MOSFET可承担更高的击穿电压，突破了传统硅基U-MOSFET受单一硅材料临界击穿电场的限制，同时宽带隙材料的高热导率特性有利于器件散热，提高了器件的可靠性。此功率U-MOSFET可应用于高压领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
其中，1-源极；2-钝化层；3-栅极；4-N+型源区；5-栅氧化层；6-P型基区；7-N型漂移区；8-N+型衬底；9-漏极。
具体实施方式
下面结合附图以N沟道U‐MOSFET为例介绍本发明。
如图1所示，本实施例包括：
宽带隙半导体材料的N+型衬底8；
在所述N+型衬底8上表面形成的宽带隙半导体材料的N型漂移区7；
在所述N型漂移区7上表面形成的P型硅外延层；
分别在所述P型硅外延层的左、右两端区域形成的两处P型基区6；每一处P型基区6中形成N+型源区4；在所述P型硅外延层位于两处N+型源区4之间的区域刻槽至N型漂移区7中，满足刻槽深度大于P型基区6与N型漂移区7之间PN结的深度，在刻槽内壁淀积有栅氧化层5；
栅极3，设置于栅氧化层5的内壁；栅极3的上表面覆盖有钝化层2；
源极1，设置于两处P型基区6上表面分别与两处N+型源区4对应，两处源极1共接；
漏极9，位于所述N+型衬底8下表面；
该器件具体可以通过以下步骤制备：
1)在N+型衬底8上表面外延一层宽带隙材料形成N型漂移区7；宽带隙半导体材料采用碳化硅或氮化镓，N型漂移区7的掺杂浓度比N+型衬底8的掺杂浓度小3‐5个数量级；
2)在N+型衬底8下表面形成金属化漏极；
3)在N型漂移区7上表面通过异质外延技术或键合技术生长P型硅外延层；
4)在P型硅外延层的中部区域进行N+型离子注入；
5)在N+型离子注入区域的中部刻槽并延伸入N型漂移区7中，形成P型基区6及N+型源区4，要求刻槽深度大于P型基区6与N型漂移区7之间PN结的深度；
6)采用局部氧化技术在刻槽内壁形成栅氧化层5；
7)在槽中淀积金属形成栅极；
8)在器件表面淀积钝化层；
9)刻蚀接触孔，淀积金属形成覆盖整个P型基区6及钝化层上表面的源极一体结构。
经分析表明，该器件较之传统硅基U‐MOSFET的性能改善，在两种器件漂移区长度相同，漂移区掺杂浓度相同的情况下，该器件的击穿电压较传统硅基U‐MOSFET提高了4‐5倍。
本发明中的U-MOSFET也可以为P型沟道，其结构与N沟道U-MOSFET等同，也应视为属于本申请权利要求的保护范围，在此不再赘述。
Claims (9)
1.一种具有宽带隙材料与硅材料复合的U-MOSFET，其特征在于，包括：
宽带隙半导体材料的N+型衬底(8)；
在所述N+型衬底(8)上表面形成宽带隙半导体材料的N型漂移区(7)，N型漂移区的厚度和浓度根据不同的耐压等级设定；
在所述N型漂移区(7)上表面形成的P型硅外延层；
分别在所述P型硅外延层的左、右两端区域形成的两处P型基区(6)；每一处P型基区(6)中形成N+型源区(4)；在所述P型硅外延层位于两处N+型源区(4)之间的区域刻槽至N型漂移区(7)中，满足刻槽深度大于P型基区(6)与N型漂移区(7)之间PN结的深度，刻槽延伸到宽带隙半导体漂移区中，刻槽的深度根据不同的耐压等级设定，在刻槽内壁淀积有栅氧化层(5)；
栅极(3)，设置于栅氧化层(5)的内壁；栅极(3)的上表面覆盖有钝化层(2)；
源极(1)，设置于两处P型基区(6)上表面分别与两处N+型源区(4)对应，两处源极(1)共接；
漏极(9)，位于所述N+型衬底(8)下表面；
宽带隙材料整体的厚度和掺杂浓度由器件的耐压要求确定，N型漂移区(7)的掺杂浓度低于N+型衬底(8)的掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的具有宽带隙材料与硅材料复合的U-MOSFET，其特征在于：两处源极(1)通过覆盖于钝化层(2)上表面的同材料金属连成一体。
3.根据权利要求1所述的具有宽带隙材料与硅材料复合的U-MOSFET，其特征在于：所述宽带隙半导体材料采用碳化硅或氮化镓。
4.根据权利要求1所述的具有宽带隙材料与硅材料复合的U-MOSFET，其特征在于：所述P型硅外延层是通过异质外延技术或键合技术在N型漂移区(7)上表面形成的。
5.根据权利要求1所述的具有宽带隙材料与硅材料复合的U-MOSFET，其特征在于：N型漂移区(7)的掺杂浓度比N+型衬底(8)的掺杂浓度小3‐5个数量级。
6.根据权利要求1所述的具有宽带隙材料与硅材料复合的U-MOSFET，其特征在于：耐压要求为950V时，N型漂移区的厚度为10微米；耐压要求为570V时，N型漂移区的厚度为5微米。
7.根据权利要求1所述的具有宽带隙材料与硅材料复合的U-MOSFET，其特征在于：所述栅极(3)为多晶硅栅极，所述源极(1)为金属化源极，漏极(9)为金属化漏极。
8.一种制作权利要求1所述的具有宽带隙材料与硅材料复合的U-MOSFET的方法，包括以下步骤：
1)在N+型衬底(8)上表面外延一层宽带隙材料形成N型漂移区(7)；
2)在N+型衬底(8)下表面形成金属化漏极；
3)在N型漂移区(7)上表面通过异质外延技术或键合技术生长P型硅外延层；
4)在P型硅外延层的中部区域进行N+型离子注入；
5)在N+型离子注入区域的中部刻槽并延伸入N型漂移区(7)中，形成P型基区(6)及N+型源区(4)，要求刻槽深度大于P型基区(6)与N型漂移区(7)之间PN结的深度；
6)采用局部氧化技术在刻槽内壁形成栅氧化层(5)；
7)在槽中淀积金属形成栅极；
8)在器件表面淀积钝化层；
9)刻蚀接触孔，淀积金属形成覆盖整个P型基区(6)及钝化层上表面的源极一体结构。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述宽带隙半导体材料采用碳化硅或氮化镓。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170822 |
|
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