CN108231898A - 一种低导通电阻的碳化硅功率半导体器件 - Google Patents
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Abstract
一种低导通电阻的碳化硅功率半导体器件，所述低导通电阻的碳化硅功率半导体器件为轴对称结构，包括：N型衬底，在N型衬底的上设有N型漂移区，在N型漂移区中对称设置一对P型基区，在P型基区中设有P+型体接触区和N+型源区，在N型漂移区的表面设有栅氧层，在栅氧层的表面设有多晶硅栅。其特征在于：在P型基区体内设有由N‑型区构成的阵列，上表面与栅氧层相分离，所述N‑型区在器件栅宽方向上N‑型区与P型基区间隔分布，且N‑型区到栅氧层的距离、厚度和掺杂浓度使得N‑型区在自然状态下恰好完全夹断。这种结构的优点在于维持器件击穿电压的同时，有效降低器件导通电阻，提升器件开态电流能力，降低开态能量损耗。
Description
技术领域
本发明主要涉及高压功率半导体器件领域，具体来说，是一种低导通电阻的碳化硅功率半导体器件，适用于航天、航空、石油勘探、核能、雷达与通信等高温、高频、大功率、强辐射等极端环境并存的应用领域。
背景技术
碳化硅是近十几年来迅速发展起来的宽禁带半导体材料之一。与广泛应用的半导体材料硅、锗以及砷化镓相比，碳化硅具有宽禁带、高击穿电场、高载流子饱和漂移速率、高热导率及高功率密度等优点，是制备高温、大功率、高频器件的理想材料。目前美、欧、日等发达国家已经基本解决了碳化硅单晶生长和同质外延薄膜等问题，在大功率半导体器件领域占据主导地位。据报道，2014年1月中国首次实现碳化硅大功率器件的批量生产，在以美、欧、日为主导的半导体领域形成突破。
图1所示的是常规的碳化硅功率半导体器件，包括：N型衬底，在N型衬底的一侧连接有漏极金属，在N型衬底的另一侧设有N型漂移区，在N型漂移区中对称设置一对P型基区，N+型源区和P+型体接触区，在N型漂移区的表面设有栅氧层，在栅氧层的表面设有多晶硅栅，在多晶硅栅的上方设有钝化层，在N+型源区和P+型体接触区连接有源极金属。当有足够大的正电压施加在多晶硅栅上时，P型基区与栅氧化层的界面会产生一个反型沟道，电子可以通过沟道从N+型有源区注入到N型漂移区。但是由于常规的碳化硅功率半导体器件的导电沟道紧贴在栅氧化层下方，栅氧化层表面的缺陷会对载流子输运产生影响，因此常规的碳化硅功率半导体器件导通电阻较高。
发明内容
本发明就是针对上述问题，提出了一种低导通电阻的碳化硅功率半导体器件，该结构在保持击穿电压不变的基础上，有效降低器件的导通电阻、提升了器件的通态I-V特性、降低了件在导通状态下的能量损耗。
本发明采用如下技术方案：一种低导通电阻的碳化硅功率半导体器件，所述低导通电阻的碳化硅功率半导体器件为轴对称结构，包括：N型衬底，在N型衬底的一侧连接有漏极金属，在N型衬底的另一侧设有N型漂移区，在N型漂移区中对称设置一对P型基区，在各P型基区中分别设有P+型体接触区和N+型源区，在N型漂移区的表面设有栅氧层，在栅氧层的表面设有多晶硅栅，在多晶硅栅上设有钝化层且所述钝化层包裹多晶硅栅的两侧，在N型源区和P型体接触区连接有源极金属，其特征在于：在各P型基区体内分别设有由N-型区构成的阵列且所述阵列被P型基区包裹在其内部，上表面与栅氧层相分离，所述N-型区始于N+型源区沿沟道方向水平延伸至N型漂移区，在器件栅宽方向上N-型区与P型基区间隔分布，且自然状态下N-型区在P型基区的辅助耗尽下恰好完全夹断。所述N-型区上表面与栅氧层之间的距离约为0.2-0.3μm。所述N-型区厚度为150-250nm。所述N-型区的掺杂浓度为1e16-4e17cm-3。所述N-型区的宽度与栅宽的比例为0.1-0.5∶1。所述的被P型基区包裹在其内部的N-型区阵列可以不止一层，自然状态下各层N-型区阵列在P型基区的辅助耗尽下均恰好完全夹断。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)、本发明器件采用在P型基区中设置N-型区的结构，通过增加有效导通路径，从而有效降低器件导通电阻和阈值电压，获得更高的开态电流能力。
当栅极电压为零时，N-型区与P型基区完全耗尽，功率半导体管在常态下关闭。当有设定的正电压施加在栅极上时，除了在P型基区与栅氧化层之间的界面会产生的反型沟道，由于N-型区与P型基区之间的耗尽层在正栅压下减小，原本恰好完全夹断的N-型区与P型基区上下接触面也会感应出有效导电沟道，且N-型区位于P型基区体内，N-型区与P型基区纵向接触面上也会感应出有效导电沟道，N+源区的电子会同时通过多条沟道到达功率半导体管的N-型漂移区，从而有效的降低了器件的导通电阻，使本发明器件在开态下电流能力获得极大的提升。如图5所示，与常规功率半导体器件相比，本发明的功率半导体器件在开态下有更高的电流能力。
(2)本发明器件采用在P型基区中设置N-型区的结构，N-型区位于器件体内且被P型基区所包裹，从而使得N-型区感应出的有效导电沟道与栅氧层相分离，消除了栅氧层缺陷对载流子传输的影响，因此其有效载流子迁移率比与栅氧层相接触的表面沟道高的多，从而进一步降低了功率半导体管导通电阻。如图6所示，与常规功率半导体器件相比，本发明的功率半导体器件阈值电压更小，导通电阻更小。
(3)本发明器件在栅宽方向上N-型区与P型基区间隔分布，这样的分段式结构使得P型基区体内上下电位一致，从而可以有效避免阈值电压漂移和寄生三极管开启，获得比较稳定的工作状态。
(4)本发明器件在P型基区中设置的N-型区不在主PN结上，不易发生雪崩击穿，因而对器件的击穿电压的影响比较小。如图7所示，与常规功率半导体器件相比，本发明器件的击穿电压几乎保持不变。
(5)本发明器件在P型基区中可设置多层N-型区，如图9所示，因此器件在开态下可以获得更多的导电沟道，从而进一步提高器件的电流能力。
附图说明
图1是常规碳化硅功率半导体器件结构立体图。
图2是本发明碳化硅功率半导体器件结构立体图。
图3是本发明碳化硅功率半导体器件结构侧剖立体图。
图4是本发明碳化硅功率半导体器件俯视剖面图。
图5是本发明器件与常规碳化硅功率半导体器件在栅压为8V时的I-V曲线比较图。可以看出本发明器件使开态下的电流能力的得到了明显的提高。
图6是本发明器件与常规碳化硅功率半导体器件的阈值电压比较图。可以看出本发明器件使阈值电压得到了明显的降低。
图7是本发明器件与常规碳化硅功率半导体器件的击穿电压比较图。可以看出本发明器件击穿电压几乎不变。
图8是本发明碳化硅功率半导体器件工艺实现图。
图9是本发明碳化硅功率半导体器件的P型基区中设置多层N-型区阵列的结构图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作详细说明。
参照图2，一种低导通电阻的碳化硅功率半导体器件，所述低导通电阻的碳化硅功率半导体器件为轴对称结构，包括：N型衬底1，在N型衬底1的一侧连接有漏极金属10，在N型衬底1的另一侧设有N型漂移区2，在N型漂移区2中对称设置一对P型基区3，在各P型基区3中分别设有P+型体接触区4和N+型源区5，在N型漂移区2的表面设有栅氧层7，在栅氧层7的表面设有多晶硅栅8，在多晶硅栅8上设有钝化层6且所述钝化层6包裹多晶硅栅8的两侧，在N型源区5和P型体接触区6连接有源极金属9，其特征在于：在各P型基区3体内分别设有由N-型区11构成的阵列且所述阵列被P型基区3包裹在其内部，上表面与栅氧层7相分离，所述N-型区11始于N+型源区5沿沟道方向水平延伸至N型漂移区2，在器件栅宽方向上N-型区11与P型基区3间隔分布，且自然状态下N-型区11在P型基区3的辅助耗尽下恰好完全夹断。所述N-型区11上表面与栅氧层7之间的距离约为0.2-0.3μm。所述N-型区11厚度为150-250nm。所述N-型区11的掺杂浓度为1e16-4e17cm-3。所述N-型区11的宽度与栅宽的比例为0.1-0.5∶1。所述的被P型基区3包裹在其内部的N-型区11阵列可以不止一层，自然状态下各层N-型区11阵列在P型基区3的辅助耗尽下均恰好完全夹断。
本发明采用如下方法来制备(参照图8)：
第一步，在N型衬底1的表面生长一层N型外延层漂移区2.1。
第二步，通过铝离子注入在N型外延层漂移区2.1中形成P型基区3.1。
第三步，在N型外延层漂移区2.1表面生长一层N-型外延层11。
第四步，在N-型外延层11表面生长一层P型外延层3.2。
第五步，通过铝离子注入形成P+型体接触区4。
第六步，通过氮离子注入形成N+型源区5。
第七步，通过氮离子注入形成N型漂移区2.2，构成整个浓度一致的整个N型漂移区。
第八步，生长栅氧化层7。
第九步，淀积多晶硅，刻蚀出多晶硅栅8。
第十步，刻蚀电极接触区后淀积金属，再刻蚀金属引出电极，最后进行钝化处理。
Claims (6)
1.一种低导通电阻的碳化硅功率半导体器件，所述低导通电阻的碳化硅功率半导体器件为轴对称结构，包括：N型衬底(1)，在N型衬底(1)的一侧连接有漏极金属(10)，在N型衬底(1)的另一侧设有N型漂移区(2)，在N型漂移区(2)中对称设置一对P型基区(3)，在各P型基区(3)中分别设有P+型体接触区(4)和N+型源区(5)，在N型漂移区(2)的表面设有栅氧层(7)，在栅氧层(7)的表面设有多晶硅栅(8)，在多晶硅栅(8)上设有钝化层(6)且所述钝化层(6)包裹多晶硅栅(8)的两侧，在N型源区(5)和P型体接触区(6)连接有源极金属(9)，其特征在于：在各P型基区(3)体内分别设有由N-型区(11)构成的阵列且所述阵列被P型基区(3)包裹在其内部，上表面与栅氧层(7)相分离，所述N-型区(11)始于N+型源区(5)沿沟道方向水平延伸至N型漂移区(2)，在器件栅宽方向上N-型区(11)与P型基区(3)间隔分布，且自然状态下N-型区(11)在P型基区(3)的辅助耗尽下恰好完全夹断。
2.根据权利要求1所述的低导通电阻的碳化硅功率半导体器件，其特征在于，所述N-型区(11)上表面与栅氧层(7)之间的距离约为0.2-0.3μm。
3.根据权利要求1所述的低导通电阻的碳化硅功率半导体器件，其特征在于，所述N-型区(11)厚度为150-250nm。
4.根据权利要求1所述的低导通电阻的碳化硅功率半导体器件，其特征在于，所述N-型区(11)的掺杂浓度为le16-4e17cm-3。
5.根据权利要求1所述的低导通电阻的碳化硅功率半导体器件，其特征在于，所述N-型区(11)的宽度与栅宽的比例为0.1-0.5∶1。
6.根据权利要求1所述的低导通电阻的碳化硅功率半导体器件，其特征在于，所述的被P型基区(3)包裹在其内部的N-型区(11)阵列可以不止一层，但自然状态下各层N-型区(11)阵列在P型基区(3)的辅助耗尽下均恰好完全夹断。
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