CN107623043B - 一种含内置浮空区的低导通电阻碳化硅mosfet器件与制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件与制备方法，器件包括源极、第一导电类型源区接触、第二导电类型基区、重掺杂第二导电类型基区、多晶硅、栅极、槽栅介质、第二导电类型栅氧保护区、第二导电类型浮空区、第一导电类型漂移区、第一导电类型衬底和漏极。本发明所述第二导电类型栅氧保护区下移，引入的空间电荷区对电子的阻碍减小，因此器件的导通电阻减小；第二导电类型浮空区在漂移区中引入新的电场峰，同时对器件栅氧电场起到屏蔽作用，因此提升器件击穿电压。

Description

一种含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件与制备 方法

技术领域

本发明属于微电子和电力电子的碳化硅功率器件领域，特别涉及一种含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件与制备方法。

背景技术

宽禁带半导体碳化硅因其禁带宽度大、高热导率、高击穿场强、高电子饱和速度以及强抗辐射性，使得碳化硅功率半导体器件能够应用于高温、高压、高频以及强辐射的工作环境下。在功率电子领域，功率MOSFET凭借其驱动电路简单、开关时间短等优点被广泛应用。

功率MOSFET器件中，横向功率MOSFET因存在寄生JFET区域，使得器件导通电阻较大，而在垂直结构的功率槽栅MOSFET器件中，其结构的设计消除了JFET区域，大大降低了器件的导通电阻。因此在考虑功率损耗等方面的要求时，垂直功率槽栅MOSFET器件有更大的优势。

但是在槽栅MOSFET中，栅氧直接暴露于漂移区中，其栅氧拐角处电场集中。SiC的介电常数是SiO₂介电常数的2.5倍，在关断状态，根据高斯定理，SiO₂层所承受的耐压应该是漂移区SiC的2.5倍，这使得栅氧拐角处在没有达到SiC临界击穿电场时栅氧已经被提前击穿，器件可靠性下降。

为解决栅氧提前击穿的情况，一种带P+型栅氧保护区的碳化硅MOSFET已经被提出，该结构利用P+栅氧保护区对栅氧进行保护，使得高电场由P+栅氧保护区与N型漂移区形成的P-N结承担，降低了栅氧电场。但是随着P+栅氧保护区的引入，其在漂移区中形成的耗尽区严重影响电子的向下传输，使得器件导通电阻变大。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件与制备方法，内置浮空区，且第二导电类型栅氧保护区下移，克服了带第二导电类型栅氧保护区的碳化硅MOSFET结构导通电阻较大的缺陷，同时，第二导电类型浮空区引入新电场峰，增加了器件的击穿电压。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件，包括：

第二导电类型多晶硅栅极；

设置在第二导电类型多晶硅栅极上方的第一导电类型多晶硅栅极；

包裹第二导电类型多晶硅栅极的槽栅介质；

设置在槽栅介质两侧的对称结构的源极；

设置在源极底部的第一导电类型源接触区、第二导电类型基区和重掺杂第二导电类型基区；

自上而下依次设置在槽栅介质下方的第一导电类型漂移区、第一导电类型衬底以及漏极；

其特征在于，

所述第一导电类型漂移区设置有第二导电类型栅氧保护区，所述第二导电类型栅氧保护区两侧设有第二导电类型浮空区。

所述第一导电类型源接触区与源极的下部、第二导电类型基区的上部以及重掺杂第二导电类型基区的侧面接触，所述重掺杂第二导电类型基区与源极的下部、第一导电类型源接触区的侧面以及第二导电类型基区的侧面接触；重掺杂第二导电类型基区的厚度等于第一导电类型源接触区和第二导电类型基区的厚度之和所述槽栅介质包裹第二导电类型多晶硅栅极的底部和侧面。

所述第二导电类型浮空区与第二导电类型栅氧保护区深度相同，为0.3μm-2.5μm，所述第二导电类型浮空区与第二导电类型栅氧保护区厚度相同，为0.1μm-0.5μm，所述第二导电类型浮空区与第二导电类型栅氧保护区掺杂浓度相同，为5×10¹⁷cm^-3-1×10¹⁹cm^-3。

深度，是指与槽栅介质的竖直间距。

所述槽栅介质为SiO₂，经热氧化工艺形成，第一导电类型多晶硅栅极和第二导电类型多晶硅栅极通过淀积充满整个沟槽结构。

所述第一导电类型衬底是厚度为100μm-500μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3碳化硅衬底片，所述第一导电类型漂移区厚度为10μm-30μm，掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3-1×10¹⁶cm^-3。

所述第二导电类型基区厚度为0.5μm-1μm，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3-3×10¹⁷cm^-3；所述重掺杂第二导电类型基区厚度为0.7μm-1.2μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3；所述第一导电类型源接触区厚度为0.2μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3。

进一步，所述第一导电类型多晶硅栅极经淀积形成，厚度为0.3μm-1.2μm，掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3-1×10¹⁷cm^-3。

进一步，所述第二导电类型多晶硅栅极经淀积形成，置于第一导电类型多晶硅栅极下方，厚度为0.1μm-0.5μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-3×10¹⁹cm^-3。

上述技术方案中，对于N型沟槽功率MOS器件，所述第一导电类型指N型，第二导电类型为P型；而对于P型沟槽功率MOS器件，所述第一导电类型指P型，第二导电类型为N型。

本发明还提供了所述含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件的制备方法，包括以下步骤：

1)通过离子注入第二导电类型杂质，在第一导电类型碳化硅漂移层形成第二导电类型碳化硅区；

2)在第一导电类型碳化硅漂移层分别外延第一导电类型及第二导电类型碳化硅层，第一导电类型掺杂浓度与漂移区一致；

3)所述第二导电类型碳化硅外延层分别注入第一导电类型及第二导电类型杂质，形成第二导电类型碳化硅区与第一导电类型碳化硅区，第一导电类型区深度小于第二导电类型外延层；

4)通过掩膜在所述第一导电类型碳化硅区刻蚀出深度大于外延层的窗口；

5)所述窗口内表面热氧化形成栅介质层；

6)所述窗口内淀积形成多晶硅；

7)制备电极。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

将第二导电类型栅氧保护区下移，引入的空间电荷区对电子的阻碍减小，因此器件的导通电阻减小；第二导电类型浮空区在漂移区中引入新的电场峰，同时对器件栅氧电场起到屏蔽作用，因此提升器件击穿电压。

附图说明

图1为一个传统的碳化硅功率MOSFET结构。

图2为本发明一种带浮空区的低导通电阻的碳化硅MOSFET器件结构示意图。

图3为本发明一种带浮空区的低导通电阻的碳化硅MOSFET器件结构示与传统结构输出曲线对比图。

图4为本发明一种带浮空区的低导通电阻的碳化硅MOSFET器件结构示与传统结构击穿曲线对比图。

图5为本发明一种带浮空区的低导通电阻的碳化硅MOSFET器件制备方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

传统的碳化硅功率MOSFET结构如图1所示，包括：

第二导电类型多晶硅栅极6；

设置在第二导电类型多晶硅栅极6上方的第一导电类型多晶硅栅极5；

包裹第二导电类型多晶硅栅极6底部和侧面的槽栅介质7；槽栅介质7为SiO₂，经热氧化工艺形成，第一导电类型多晶硅栅极5和第二导电类型多晶硅栅极6通过淀积充满整个沟槽结构；

设置在槽栅介质7两侧的对称结构的源极1；

设置在源极1底部的第一导电类型源接触区2、第二导电类型基区3和重掺杂第二导电类型基区4；第一导电类型源接触区2与源极1的下部、第二导电类型基区3的上部以及重掺杂第二导电类型基区4的侧面接触，所述重掺杂第二导电类型基区4与源极1的下部、第一导电类型源接触区2的侧面以及第二导电类型基区3的侧面接触；

自上而下依次设置在槽栅介质7下方的第一导电类型漂移区10、第一导电类型衬底11以及漏极12。

参照图2，本发明改进在于，在第一导电类型漂移区10设置有第二导电类型栅氧保护区9，所述第二导电类型栅氧保护区9两侧设有第二导电类型浮空区8。

本发明的参数要求如下：

1、第一导电类型源接触区2厚度为0.2μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3。

2、第二导电类型基区3厚度为0.5μm-1μm，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3-3×10¹⁷cm^-3。

3、重掺杂第二导电类型基区4厚度为0.7μm-1.2μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3。

4、第一导电类型多晶硅栅极5经淀积形成，厚度为0.3μm-1.2μm，掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3-1×10¹⁷cm^-3。

5、第二导电类型多晶硅栅极6经淀积形成，置于第一导电类型多晶硅栅极下方，厚度为0.1μm-0.5μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-3×10¹⁹cm^-3。

6、第二导电类型浮空区8与第二导电类型栅氧保护区9深度相同，为0.3μm-2.5μm，第二导电类型浮空区8与第二导电类型栅氧保护区9厚度相同，为0.1μm-0.5μm，第二导电类型浮空区8与第二导电类型栅氧保护区9掺杂浓度相同，为5×10¹⁷cm^-3-1×10¹⁹cm^-3。

7、第一导电类型漂移区10厚度为10μm-30μm，掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3-1×10¹⁶cm^-3。

8、第一导电类型衬底11是厚度为100μm-500μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3碳化硅衬底片。

根据以上结构，由于将第二导电类型栅氧保护区9下移，引入的空间电荷区对电子的阻碍减小，因此器件的导通电阻减小；第二导电类型浮空区8在第一导电类型漂移区10中引入新的电场峰，同时对器件栅氧电场起到屏蔽作用，因此提升器件击穿电压。

利用本发明改进的结构与传统结构进行对比仿真试验，参照图3，可以看出本发明一种低导通电阻、小栅电荷碳化硅MOSFET器件结构导通电流明显增大，器件导通电阻减小。

利用本发明改进的结构与传统结构进行对比仿真试验，参照图4，可以看出本发明一种低导通电阻、小栅电荷碳化硅MOSFET器件结构器件击穿电压无明显退化。

本发明的制备方法如图5所示，包括如下步骤：

1)通过离子注入第二导电类型杂质，在第一导电类型碳化硅漂移层即第一导电类型漂移区10形成第二导电类型碳化硅区，分别是第二导电类型浮空区8与第二导电类型栅氧保护区9；

2)在第一导电类型碳化硅漂移层分别外延第一导电类型及第二导电类型碳化硅层，第一导电类型掺杂浓度与漂移区一致，外延的第二导电类型碳化硅层作为第二导电类型基区3；

3)第二导电类型碳化硅外延层分别注入第一导电类型及第二导电类型杂质，形成第二导电类型碳化硅区与第一导电类型碳化硅区，即重掺杂第二导电类型基区4和第一导电类型源接触区2，第一导电类型区深度小于第二导电类型外延层；

4)通过掩膜在所述第一导电类型碳化硅区刻蚀出深度大于外延层的窗口；

5)窗口内表面热氧化形成栅介质层，即槽栅介质7；

6)窗口内淀积形成第二导电类型多晶硅栅极6；

7)制备电极。

Claims (10)

1.一种含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件，包括：

第二导电类型多晶硅栅极(6)；

设置在第二导电类型多晶硅栅极(6)上方的第一导电类型多晶硅栅极(5)；

包裹第二导电类型多晶硅栅极(6)的槽栅介质(7)；

设置在槽栅介质(7)两侧的对称结构的源极(1)；

第一导电类型源接触区(2)、第二导电类型基区(3)和重掺杂第二导电类型基区(4)，其中，所述第一导电类型源接触区(2)与源极(1)的下部、第二导电类型基区(3)的上部以及重掺杂第二导电类型基区(4)的侧面接触，所述重掺杂第二导电类型基区(4)与源极(1)的下部、第一导电类型源接触区(2)的侧面以及第二导电类型基区(3)的侧面接触；重掺杂第二导电类型基区(4)的厚度等于第一导电类型源接触区(2)和第二导电类型基区(3)的厚度之和；

自上而下依次设置在槽栅介质(7)下方的第一导电类型漂移区(10)、第一导电类型衬底(11)以及漏极(12)；

其特征在于，

所述第一导电类型漂移区(10)设置有第二导电类型栅氧保护区(9)，所述第二导电类型栅氧保护区(9)两侧设有第二导电类型浮空区(8)。

2.根据权利要求1所述含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述槽栅介质(7)包裹第二导电类型多晶硅栅极(6)的底部和侧面。

3.根据权利要求1所述含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述第二导电类型浮空区(8)与第二导电类型栅氧保护区(9)深度相同，为0.3μm-2.5μm，所述第二导电类型浮空区(8)与第二导电类型栅氧保护区(9)厚度相同，为0.1μm-0.5μm，所述第二导电类型浮空区(8)与第二导电类型栅氧保护区(9)掺杂浓度相同，为5×10¹⁷cm^-3-1×10¹⁹cm^-3。

4.根据权利要求1所述含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述槽栅介质(7)为SiO₂，经热氧化工艺形成，第一导电类型多晶硅栅极(5)和第二导电类型多晶硅栅极(6)通过淀积充满整个沟槽结构。

5.根据权利要求1所述含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述第一导电类型衬底(11)是厚度为100μm-500μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3碳化硅衬底片，所述第一导电类型漂移区(10)厚度为10μm-30μm，掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3-1×10¹⁶cm^-3。

6.根据权利要求1所述含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述重掺杂第二导电类型基区(4)厚度为0.7μm-1.2μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3。

7.根据权利要求1所述含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述第二导电类型基区(3)厚度为0.5μm-1μm，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3-3×10¹⁷cm^-3；所述第一导电类型源接触区(2)厚度为0.2μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-1×10²⁰cm^-3。

8.根据权利要求1所述含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述第一导电类型多晶硅栅极(5)经淀积形成，厚度为0.3μm-1.2μm，掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3-1×10¹⁷cm^-3；所述第二导电类型多晶硅栅极(6)经淀积形成，置于第一导电类型多晶硅栅极下方，厚度为0.1μm-0.5μm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3-3×10¹⁹cm^-3。

9.根据权利要求1所述含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件，其特征在于，对于N型沟槽功率MOS器件，所述第一导电类型指N型，第二导电类型为P型；而对于P型沟槽功率MOS器件，所述第一导电类型指P型，第二导电类型为N型。

10.权利要求1所述含内置浮空区的低导通电阻碳化硅MOSFET器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过离子注入第二导电类型杂质，在第一导电类型碳化硅漂移层形成第二导电类型碳化硅区；

2)在第一导电类型碳化硅漂移层分别外延第一导电类型及第二导电类型碳化硅层，第一导电类型掺杂浓度与漂移区一致；

3)所述第二导电类型碳化硅层分别注入第一导电类型及第二导电类型杂质，形成第二导电类型碳化硅区与第一导电类型碳化硅区，第一导电类型碳化硅区深度小于第二导电类型外延层；

4)通过掩膜在所述第一导电类型碳化硅区刻蚀出深度大于外延层的窗口；

5)所述窗口内表面热氧化形成栅介质层；

6)所述窗口内淀积形成多晶硅；

7)制备电极。