CN109616523A - 一种4H-SiC MOSFET功率器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种4H‑SiC MOSFET功率器件及其制造方法，该功率器件包括：源极(1)、SiO2层间介质(2)、栅极(3)、栅氧化层(4)、P+接触区(5)、N+源区(6)、P阱(7)、额外注入的P型区(8)、N型外延层(9)、N‑外延层(10)、缓冲层(11)、N+衬底(12)和漏极(13)。本发明提出的4H‑SiC MOSFET功率器件采用分离栅结构，该结构可以有效减小输入电容、栅漏电容，提高器件开关性能，在JFET区引入P型掺杂，可以有效降低栅氧化层电场强度，提高器件的可靠性，另一方面采用电流扩展层结构可以兼顾器件的电流能力。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体技术领域，尤其涉及一种4H-SiC MOSFET功率器件及其制造方法。
背景技术
SiC材料是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，由于其具有较高的临界击穿电场强度、较高的载流子饱和漂移速度、较高的热导率等优势而成为制作大功率、高温、高频、抗辐照器件的理想材料。
SiC功率器件经过二十多年的长足发展取得了傲人的成果，如600V、1200V、1700V、3300V、10kV SiC MOSFET器件均已研制成功，并且600V、1200V、1700V SiC MOSFET器件实现商业化。但是SiC材料的功率器件依然存在较多问题。以SiC MOSFET为例，SiC的介电常数约为10，临界击穿电场约为3MV/cm，SiO2的介电常数约为3.9，由高斯定理kSiCESiC＝kSiO2ESiO2知道SiO2层需要承受的电场强度约为7.7MV/cm，如此高的电场强度容易使得栅氧化层提前击穿，导致器件失效。栅氧化层可靠性是限制SiC功率MOSFET发展的重要因素，一般要求设计器件时将栅氧化层电场强度控制在3MV/cm以内，另一方面，在高频应用领域，器件的开关损耗是重要的性能参数，其中栅源电容、栅漏电容是影响开关特性的关键因素。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的是针对现有SiC MOSFET结构不足，提供一种能够减小输入电容、栅漏电容、降低栅氧化层电场强度同时保证器件电流能力的4H-SiC MOSFET结构，该结构采用分离栅和电流扩展层结构，并在JFET区引入P型掺杂，在有效减小栅源电容、栅漏电容、栅氧化层电场强度的同时兼顾器件的电流能力。
(二)技术方案
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种4H-SiC MOSFET功率器件，自上而下依次包括源极、层间介质、栅极、栅氧化层、N型外延层、N-外延层、缓冲层、N+衬底和漏极；
其中，所述漏极形成于所述N+衬底背面，所述缓冲层形成于所述N+衬底正面，所述N-外延层形成于所述缓冲层之上，所述N型外延层包括P阱、额外注入的P型区、P+接触区和N+源区，所述额外注入的P型区形成于所述栅氧化层下方的JFET区中的部分区域；所述P阱形成于所述N型外延层的左右两侧上部；所述P+接触区形成于所述P阱内远离JFET区的两侧；所述N+源区形成于所述P阱内靠近JFET区的两侧且紧临所述P+接触区；
所述栅氧化层形成于靠近JFET区的部分N+源区和整个JFET区之上；
所述栅极形成于部分栅氧化层之上；
所述层间介质形成于所述栅极和所述源极之间；
所述源极形成于所述P+接触区和远离JFET区的部分N+源区之上。
在一些实施例中，所述缓冲层的掺杂浓度为1e18cm-3，厚度为80nm-120nm。
在一些实施例中，所述N型外延层的掺杂浓度为1e16cm-3-3e16cm-3水平，厚度在1.2um-1.5um之间。
在一些实施例中，所述额外注入的P型区的注入离子是Al离子，结深为0.3μm-0.5μm，峰值浓度为5e18cm-3。
在一些实施例中，所述P阱的注入离子是Al离子，结深为0.8μm-1μm，掺杂浓度为3e18cm-3水平。
在一些实施例中，所述N+源区的注入离子是N离子，结深为0.3μm-0.5μm，掺杂浓度为2e20cm-3水平。
在一些实施例中，所述P+接触区的注入离子是Al离子，结深为0.3μm-0.5μm，掺杂浓度为3e19cm-3水平。
在一些实施例中，所述栅氧化层的厚度为50nm-60nm。
在一些实施例中，所述层间介质为SiO2，其厚度为1μm-1.5μm。
在一些实施例中，所述栅极的材质为多晶硅，所述源极和所述漏极的材质为Ni。
另一方面，本发明还提供一种4H-SiC MOSFET功率器件的制造方法，包括：
在N+衬底的背面采用金属溅射的方式形成漏极；
在所述N+衬底的正面采用化学气相沉积的方式依次形成缓冲层、N-外延层和N型外延层；
在N型外延层的中间区域进行Al离子高温注入并经过激活退火形成额外注入的P型区；
在所述N型外延层的左右两侧上部进行Al离子高温注入并经过激活退火形成P阱；
在所述P阱内远离JFET区的两侧进行Al离子高温注入并经过激活退火形成P+接触区；
在所述P阱内靠近JFET区的两侧且紧临所述P+接触区进行N离子高温注入并经过激活退火形成N+源区；
在靠近JFET区的部分N+源区和整个JFET区之上采用热氧氧化的方式形成栅氧化层；
在所述栅氧化层之上采用多晶硅淀积的方式形成栅极，优选地，所述栅极经过注入掺杂和退火激活的方法改善导电性能；
在所述栅极上采用化学气相沉积的方式形成层间介质；
在所述P+接触区和远离JFET区的部分N+源区之上采用金属溅射的方式形成源极，所述层间介质位于所述栅极和所述源极之间。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
1、与传统4H-SiC MOSFET结构对比，本发明采用了分离栅结构，该结构减小了栅源重叠面积和栅漏重叠面积，因此该结构可以有效减小栅源电容、栅漏电容，提高器件的开关特性。
2、与传统4H-SiC MOSFET结构对比，本发明在JFET区引入额外注入的P型区，该结构有效可以有效降低栅氧化层电场强度，从而提高器件的可靠性。
3、与传统4H-SiC MOSFET结构对比，本发明采用电流扩展层结构，该结构可以降低器件积累区、JFET区的比导通电阻，从而提高器件的电流能力。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种4H-SiC MOSFET功率器件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示为本发明实施例提出的1200V 4H-SiC MOSFET功率器件结构示意图，其具有垂直导电结构，该功率器件包括源极1、SiO2层间介质2、栅极3、栅氧化层4、P+接触区5、N+源区6、P阱7、额外注入的P型区8、N型外延层9、N-外延层10、缓冲层11、N+衬底12和漏极13。其中：
漏极13采用金属Ni溅射的方式形成于衬底12的背面，并在900℃-1000℃下退火4-6分钟，形成欧姆接触。在该实施例中，退火温度为900℃，退火时间为5分钟。
N+衬底12的掺杂浓度为1e19cm-3。
缓冲层11采用化学气相沉积的方式形成于衬底12正面，其掺杂浓度为1e18cm-3，厚度为80nm-120nm。在该实施例中，厚度为100nm。
N-外延层10采用化学气相沉积的方式形成于缓冲层11之上，并在生长过程中进行原位掺杂，其掺杂水平和厚度根据具体设计指标而定。在该实施例中，掺杂浓度为6e15cm-3。
N型外延层9采用化学气相沉积的方式形成于N-外延层10之上，其掺杂浓度为1e16cm-3-3e16cm-3水平，厚度在1.2um-1.5um之间。在该实施例中，掺杂浓度为1e16cm-3水平，厚度为1.5um。
额外注入的P型区8采用高温离子注入的方式形成于JFET区中的部分区域，可由Al离子高温注入并经过1500℃-1700℃的激活退火形成高斯分布，其注入温度为400℃-600℃，结深为0.3μm-0.5μm，峰值浓度为5e18cm-3。在该实施例中，注入温度为500℃，退火温度为1600℃，结深为0.4μm。
P阱7采用高温离子注入的方式形成于N型外延层9的左右两侧上部，可由Al离子高温注入并经过1500℃-1700℃的激活退火形成箱型分布，其注入温度为400℃-600℃，结深为0.8μm-1μm，掺杂浓度为3e18cm-3水平。在该实施例中，注入温度为500℃，退火温度为1600℃，结深为1μm。
N+源区6采用高温离子注入的方式形成于P阱7内靠近JFET区的两侧且紧临P+接触区5，可由N离子高温注入并经过1500℃-1700℃的激活退火形成箱型分布，其注入温度为400℃-600℃，结深为0.3μm-0.5μm，掺杂浓度为2e20cm-3水平。在该实施例中，注入温度为500℃，退火温度为1600℃，结深为0.35μm。
P+接触区5采用高温离子注入的方式形成于P阱7内远离JFET区的两侧，可由Al离子高温注入并经过1500℃-1700℃的激活退火形成箱型分布，其注入温度为400℃-600℃，结深为0.3μm-0.5μm，掺杂浓度为3e19cm-3水平。在该实施例中，注入温度为500℃，退火温度为1600℃，结深为0.35μm。
栅氧化层4采用热氧氧化的方式形成于靠近JFET区的部分N+源区6和整个JFET区之上，可采用1200℃-1400℃的干氧氧化形成，并通过氮化处理提升栅氧化层质量，其厚度为50nm-60nm。在该实施例中，氧化温度为1300℃，其厚度为55nm。
栅极3采用多晶硅淀积的方式形成于栅氧化层4之上，并经过注入掺杂和退火激活的方法改善其导电性能。
SiO2层间介质2采用LPCVD或PECVD方法淀积的方式形成于栅极-和源极-之间，其厚度为1μm-1.5μm。在该实施例中，厚度为1.2μm。
源极1采用Ni金属溅射的方式形成于P+接触区5和远离JFET区的部分N+源区6之上，采用金属Ni溅射并在900℃-1000℃下退火4-6分钟，形成欧姆接触。在该实施例中，退火温度为900℃，退火时间为5分钟。
由上述内容可知，本发明提出的4H-SiC MOSFET功率器件采用分离栅结构，该结构减小了栅极与源极的重叠面积、栅极与漏极的重叠面积，从而可以减小栅源电容和栅漏电容，提高器件的开关特性。
另一方面，由于采用了分离栅结构，在JFET区上方栅氧化层处电场集中效应比较显著，在JFET区引入额外注入的P型掺杂可以有效降低栅氧化层电场强度，同时有效缓解所述位置的电场集中效应，提高器件的可靠性。
由于额外注入的P型区会在其周围形成耗尽区，该耗尽区会抑制器件的电流能力，为此采用较高浓度的电流扩展层，降低积累区、JFET区的特征电阻，从而保证器件的电流能力。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种4H-SiC MOSFET功率器件，其特征在于，自上而下依次包括源极、层间介质、栅极、栅氧化层、N型外延层、N-外延层、缓冲层、N+衬底和漏极；
其中，所述漏极形成于所述N+衬底背面，所述缓冲层形成于所述N+衬底正面，所述N-外延层形成于所述缓冲层之上，所述N型外延层包括P阱、额外注入的P型区、P+接触区和N+源区，所述额外注入的P型区形成于所述栅氧化层下方的JFET区中的部分区域；所述P阱形成于所述N型外延层的左右两侧上部；所述P+接触区形成于所述P阱内远离JFET区的两侧；所述N+源区形成于所述P阱内靠近JFET区的两侧且紧临所述P+接触区；
所述栅氧化层形成于靠近JFET区的部分N+源区和整个JFET区之上；
所述栅极形成于部分栅氧化层之上；
所述层间介质形成于所述栅极和所述源极之间；
所述源极形成于所述P+接触区和远离JFET区的部分N+源区之上。
2.根据权利要求1所述的4H-SiC MOSFET功率器件，其中，所述缓冲层的掺杂浓度为1e18cm-3，厚度为80nm-120nm。
3.根据权利要求1所述的4H-SiC MOSFET功率器件，其中，所述N型外延层的掺杂浓度为1e16cm-3-3e16cm-3水平，厚度在1.2um-1.5um之间。
4.根据权利要求1所述的4H-SiC MOSFET功率器件，其中，所述额外注入的P型区的注入离子是Al离子，结深为0.3μm-0.5μm，峰值浓度为5e18cm-3。
5.根据权利要求1所述的4H-SiC MOSFET功率器件，其中，所述P阱的注入离子是Al离子，结深为0.8μm-1μm，掺杂浓度为3e18cm-3水平。
6.根据权利要求1所述的4H-SiC MOSFET功率器件，其中，所述N+源区的注入离子是N离子，结深为0.3μm-0.5μm，掺杂浓度为2e20cm-3水平。
7.根据权利要求1所述的4H-SiC MOSFET功率器件，其中，所述P+接触区的注入离子是Al离子，结深为0.3μm-0.5μm，掺杂浓度为3e19cm-3水平。
8.根据权利要求1所述的4H-SiC MOSFET功率器件，其中，所述栅氧化层的厚度为50nm-60nm。
9.根据权利要求1所述的4H-SiC MOSFET功率器件，其中，所述层间介质为SiO2，其厚度为1μm-1.5μm，优选地，所述栅极的材质为多晶硅，所述源极和所述漏极的材质为Ni。
10.一种权利要求1-9中任一项所述4H-SiC MOSFET功率器件的制造方法，其特征在于，包括：
在N+衬底的背面采用金属溅射的方式形成漏极；
在所述N+衬底的正面采用化学气相沉积的方式依次形成缓冲层、N-外延层和N型外延层；
在N型外延层的中间区域进行Al离子高温注入并经过激活退火形成额外注入的P型区；
在所述N型外延层的左右两侧上部进行Al离子高温注入并经过激活退火形成P阱；
在所述P阱内远离JFET区的两侧进行Al离子高温注入并经过激活退火形成P+接触区；
在所述P阱内靠近JFET区的两侧且紧临所述P+接触区进行N离子高温注入并经过激活退火形成N+源区；
在靠近JFET区的部分N+源区和整个JFET区之上采用热氧氧化的方式形成栅氧化层；
在所述栅氧化层之上采用多晶硅淀积的方式形成栅极，优选地，所述栅极经过注入掺杂和退火激活的方法改善导电性能；
在所述栅极上采用化学气相沉积的方式形成层间介质；
在所述P+接触区和远离JFET区的部分N+源区之上采用金属溅射的方式形成源极，所述层间介质位于所述栅极和所述源极之间。
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