CN109742135B - 一种碳化硅mosfet器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种碳化硅MOSFET器件及其制备方法。一方面由于在碳化硅MOSFET器件的结型场效应管区域的上方内嵌一个肖特基结，即在碳化硅MOSFET器件内嵌一个肖特基二极管，使得碳化硅MOSFET器件存在的开关损耗问题得到解决。另一方面该器件的制造过程中使用的工艺和条件均为Si CMOS工艺兼容的，并且工艺复杂度低，可操作性强，很好的协调了器件性能和工艺复杂度之间的矛盾。因此，综上所述，本申请可以有效的增大开关速度，减小了开关损耗，为碳化硅MOSFET的生产提供了很好的借鉴和参考。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造领域，具体涉及一种碳化硅MOSFET器件及其制备方法。
背景技术
据统计，世界上90％以上的用电量由功率器件控制。功率器件及其模块为实现多种电能形式的转换提供了高效的途径，在国防建设、交通运输、工业生产、医疗卫生等领域得到了广泛应用。自从1994年首次报导SiC功率MOSFET以来，在SiC功率MOSFET的发展过程中已取得很大的进步。功率半导体器件的历史，也就是功率半导体器件推陈出新的历史。每一代功率器件的推出，都使得能源更为高效地转换和使用。功率MOSFET具有控制电路简单、高开关速度的优越特性，应用广泛。传统功率器件及模块由硅基功率器件主导，主要以晶闸管、功率PIN器件、功率双极结型器件、功率MOSFET以及绝缘栅场效应晶体管等器件为主，在全功率范围内均得到了广泛的应用，以其悠久历史、十分成熟的设计技术和工艺技术占领了功率半导体器件的主导市场。然而，随着功率半导体技术发展的日渐成熟，硅基功率器件其特性已逐渐逼近其理论极限。研究人员在硅基功率器件狭窄的优化空间中努力寻求更佳参数的同时，也注意到了SiC、GaN等第三代宽带隙半导体材料在大功率、高频率、耐高温、抗辐射等领域中优异的材料特性。
碳化硅MOSFET器件是以宽禁带半导体材料碳化硅制造的下一代半导体器件。在所有的宽禁带半导体中，SiC是唯一可以热氧化来形成高质量界面氧化物的化合物半导体。SiC器件与Si器件相比，可以大幅度降低开关损耗，提高系统效率；无反向恢复、散热性能好。用SiC做衬底可轻易做到1000～2000V MOSFET，开关特性(结电容值，开关损耗，开关波形等)则与100多伏的Si MOSFET相似，导通电阻更可降低至毫欧量级。碳化硅材料诸多吸引人的特性，如10倍于硅材料的临界击穿电场强度、高的热导率、大的禁带宽度以及高电子饱和漂移速度等，使SiC材料成为了国际上功率半导体器件的研究热点，并在高功率应用场合，如高速铁路、混合动力汽车、智能高压直流输电等，碳化硅器件均被赋予了很高的期望。同时碳化硅功率器件对功率损耗的降低效果显著，使得碳化硅功率器件被誉为带动“新能源革命”的“绿色能源”器件。
然而,因MOS沟道的不理想导致MOS沟道迁移率过低，极大地限制了碳化硅MOSFET通态电流密度。因此，具有更高沟道密度、从而具有更大通态电流密度的碳化硅UMOSFET受到的广泛关注和研究。尽管碳化硅UMOSFET具有更低通态电阻以及更紧凑的元胞布局，由于底部栅氧化层电场过高的问题，给碳化硅UMOSFET长久使用带来可靠性问题，造成器件鲁棒性差。
在功率电子电路中，碳化硅MOSFET器件主要作为开关器件应用。在这种场合下，特征导通电阻和反向击穿电压是最重要的考量因素。通常需要与一个二极管反并联使用，避免触发体二极管。一旦触发将导致高的开关损耗，可能会导致双极恶化。然而，外部反并联的二极管会引入额外的电容，将导致更高的开关损耗。现有技术中，为抑制体二极管双极导通，使用Si的肖特基二极管与碳化硅MOSFET串联。然而该方法引起生产成本的上升以及金属连线后可靠性的降低，使得碳化硅MOSFET器件在实际应用中的推广受到了很大的阻碍。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是碳化硅MOSFET器件在功率电子电路的应用中需要反并联二极管的问题。
根据第一方面，一种实施例中提供一种碳化硅MOSFET器件，包括漏极(10)、衬底(60)、漂移区(70)、P型阱区(40)、结型场效应管区(80)、P+基区(41)、N+源区(42)、源极(30)、肖特基区(50)、栅极(20)和栅氧介质(21)；
自下而上依次设置有所述漏极(10)、所述衬底(60)和所述漂移区(70)；
在所述漂移区(70)上设置有所述P型阱区(40)和所述结型场效应管区(80)；
在所述P型阱区(40)上设置有所述P+基区(41)和所述N+源区(42)；
在所述P+基区(41)和所述N+源区(42)上设置有所述源极(30)；
所述栅极(20)设置在所述P型阱区(40)和所述结型场效应管区(80)之间；所述栅极(20)通过所述栅氧介质(21)与所述P型阱区(40)和所述结型场效应管区(80)隔离；
所述肖特基区(50)设置在所述结型场效应管区(80)上。
根据第二方面，一种实施例中提供一种碳化硅MOSFET器件的制备方法，用于制造第一方面所述的碳化硅MOSFET器件，包括：
选取碳化硅片作为所述碳化硅MOSFET器件的衬底(60)，在衬底(60)上生长120μm厚的漂移区(70)；
在漂移区(70)上沉积P型阱区(40)和结型场效应管区(80)；
在P型阱区(40)远结型场效应管区(80)侧，分别通过Al离子注入形成P+基区(41)和N+源区(42)；
在结型场效应管区(80)区域的上方形成厚度为50nm栅氧化层(51)；
在结型场效应管区(80)的所述缺口区域和所述P型阱区(40)的上边生长栅氧介质(21)，其栅氧介质(21)的厚度小于0.2μm；
在P+基区(41)和N+源区(42)上PVD沉积欧姆接触金属以形成源极(30)；在栅氧化层(51)上PVD沉积肖特基接触金属以形成肖特基区(50)；在栅氧介质(21)上PVD沉积欧姆接触金属以形成栅极(20)；并通过光刻刻蚀定义金属电极区域。
依据上述实施例的碳化硅MOSFET器件及其制备方法，由于在碳化硅MOSFET器件的结型场效应管区域的上方内嵌一个肖特基结，即在碳化硅MOSFET器件内嵌一个肖特基二极管，使得碳化硅MOSFET器件存在的开关损耗问题得到解决。
附图说明
图1为一种实施例中碳化硅MOSFET器件的结构示意图；
图2为一种实施例中碳化硅MOSFET器件的制备方法的流程图；
图3(a)～(d)依次示出了本申请碳化硅MOSFET器件的制备工艺流程步骤，其中：
(a)衬底上制备漂移区；
(b)在漂移区上沉积P型阱区和结型场效应管区；
(c)在P型阱区制备P+基区和N+源区；
(d)沉积源极栅极和肖特基接触金属。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
Schottky结：肖特基结，是一种简单的金属与半导体的交界面，与PN结相似，具有整流特性。
欧姆结：即欧姆接触，一种简单的金属与半导体的交界面，是指接触不产生明显的附加阻抗和不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。
MIS结：金属-绝缘体-半导体的接触结构(Metal-insulator-semiconductorjunction)，金属与半导体间通过绝缘体进行接触。
MOSFET：金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor)。
SBD：肖特基二极管(Schottky barrier diode)。
SiC：碳化硅，一种宽禁带半导体化合物，是第三代半导体的代表，非常适合大功率的制作。
Miller电容：跨接在放大器(放大工作的器件或者电路)的输出端与输入端之间的电容。
JEFT区域：结型场效应管区域。
HEMTs：高电子迁移率晶体管。
CMOS：互补半导体金属氧化物半导体。
GaN：氮化镓，一种宽禁带半导体化合物，是第三代半导体的代表，非常适合大功率以及微波器件的制作。
复合阳极：半导体器件阳极的金属与半导体的交界面采用两种或两种以上方式接触。
PVD：全称Physical Vapor Deposition，物理气相沉积，是半导体工艺中最常用的金属沉积的方式。
LPCVD：全称Low Pressure Chemical Vapor Deposition，低压化学气相沉积，是半导体工艺中高质量介质膜沉积的主要方式之一。
MOCVD：全称Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀，在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术，主要用于GaN/SiC等化合物半导体的生长。
PEVCD：全称Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积，是半导体工艺中高质量介质膜沉积的主要方式之一，主要用于后段工艺护层的沉积。
RIE：全称是Reactive Ion Etching，反应离子刻蚀，一种微电子干法腐蚀工艺。
ICP：全称Inductively Coupled Plasma，等离子体电感耦合，一种微电子干法腐蚀工艺。
黄光：将硅片等晶片进行涂胶、软哄、曝光、显影、硬烤，使其光刻出一定图形，这种工艺叫黄光。
在本发明实施例中，在碳化硅MOSFET器件的JEET区域的上方内嵌一个肖特基结，即在碳化硅MOSFET器件内嵌一个肖特基二极管。使得碳化硅MOSFET器件在应用中无需在反并联外接二极管。
实施例一：
如图1所示，为一种实施例中碳化硅MOSFET器件的结构示意图，其碳化硅MOSFET器件包括漏极10、衬底60、漂移区70、P型阱区40、结型场效应管区80、P+基区41、N+源区42、源极30、肖特基区50、栅极20、栅氧化层51和栅氧介质21。从下往上依次层叠设置有漏极10、衬底60和外延区70。在漂移区70上设置有P型阱区40和结型场效应管区80，P型阱区40和结型场效应管区80接触。在P型阱区40上设置有P+基区41和N+源区42。在P+基区41和述N+源区42上设置有源极30。栅极20通过栅氧介质21隔离设置在P型阱区40和结型场效应管区80之间。肖特基区50设置在结型场效应管区80上。肖特基区50通过栅氧化层51与结型场效应管区80隔离。栅氧化层51与栅氧介质21无接触。其中，栅氧化层的厚度为50nm，漂移区70的厚度为120μm，P型阱区40的厚度为1μm，结型场效应管区80的厚度为1.5μm，结型场效应管区80的长度为1.7μm。
进一步，栅极20设置于P型阱区40的上面和结型场效应管区80的侧面。栅氧介质21和结型场效应管区80的接触面与P型阱区40和结型场效应管区80的接触面不共面，位于结型场效应管区80一侧，且两个接触面所在两个平面间的距离为0.2μm。栅极20与结型场效应管区80之间的栅氧介质21厚度小于0.2μm。
本申请公开的嵌入肖特基二极管(SBD)的碳化硅MOSFET器件，P型阱区区域和结型场效应管区区域生长在120μm厚的掺杂浓度为6×1014cm-3的n型漂移区上。JFET区域的宽度为3μm，深度为1.2μm(从MOSBD顶部开始)，掺杂浓度为2×1016cm-3。这将平衡肖特基接触上的开态电阻RON和最大电场之间的关系，使得减小反向截止状态下的泄漏电流，提升器件的整体性能。可以有效的解决当前碳化硅MOSFET器件中普遍存在的开关损耗问题。在结型场效应管区区域上方内嵌一个肖特基接触，沟道靠近台面底部，这将有利于减小Miller电容(Crss)，从而增大开关速度，减小了开关损耗。由于有更小的反向恢复电荷，所以器件的面积可以减小，且可以钝化体二极管，也暗示了有更小的反向恢复电荷。
如图2所示，为一实施例中碳化硅MOSFET器件的制备方法的流程图，本申请还公开了一种碳化硅MOSFET器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，选取碳化硅片作为所述碳化硅MOSFET器件的衬底60，在衬底60上生长120μm厚的漂移区70。如图3(a)所示,衬底上制备漂移区，在衬底60上生长120μm厚的漂移区70，掺杂浓度为6×1014cm-3。
步骤二，在漂移区70上沉积P型阱区40和结型场效应管区80，如图3(b)所示，在漂移区上沉积P型阱区40和结型场效应管区80，P型阱区40的厚度为1μm；结型场效应管区80的厚度为1.5μm。结型场效应管区80的长度为1.7μm。结型场效应管区80高于P型阱区40，其值为0.5μm。结型场效应管区80高于P型阱区40的区域的长度为1.5μm，形成的缺口在结型场效应管区80的近P型阱区40侧。
步骤三，在P型阱区40远结型场效应管区80侧，分别通过Al离子注入形成P+基区41和N+源区42。
如图3(c)所示，在P型阱区制备P+基区和N+源区，P型阱区40的中的P+基区41和N+源区42的深度为0.4μm。
步骤四，在结型场效应管区80区域的上方形成厚度为50nm栅氧化层51，
步骤五，在结型场效应管区80的所述缺口区域和所述P型阱区40的上边生长栅氧介质21，其栅氧介质21的厚度小于0.2μm。
步骤六，在P+基区41和N+源区42上PVD沉积欧姆接触金属以形成源极30；在栅氧化层51上PVD沉积肖特基接触金属以形成肖特基区50；在栅氧介质21上PVD沉积欧姆接触金属以形成栅极20。并通过光刻刻蚀定义金属电极区域。如图3(d)所示，沉积源极栅极和肖特基接触金属，PVD淀积欧姆接触金属和肖特基接触金属，以及源金属，并通过光刻刻蚀定义金属电极区域。
通过上述步骤，一个完整的内建SBD的碳化硅MOSFET器件结构制作完成，后面可根据需要进行多层布线。通过上面的过程描述，可以看出，整个器件的制造过程中使用的工艺和条件均为Si CMOS工艺兼容的，并且工艺复杂度低，可操作性强，很好的协调了器件性能和工艺复杂度之间的矛盾。因此，综上所述，本申请可以有效的增大开关速度，减小了开关损耗，为碳化硅MOSFET的生产提供了很好的借鉴和参考。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (8)
1.一种碳化硅MOSFET器件，其特征在于，包括漏极（10）、衬底（60）、漂移区（70）、P型阱区（40）、结型场效应管区（80）、P+基区（41）、N+源区（42）、源极（30）、肖特基区（50）、栅极（20）和栅氧介质（21）；
自下而上依次设置有所述漏极（10）、所述衬底（60）和所述漂移区（70）；
在所述漂移区（70）上设置有所述P型阱区（40）和所述结型场效应管区（80）；
在所述P型阱区（40）上设置有所述P+基区（41）和所述N+源区（42）；
在所述P+基区（41）和所述N+源区（42）上设置有所述源极（30）；
所述栅极（20）设置在所述P型阱区（40）和所述结型场效应管区（80）之间；所述栅极（20）通过所述栅氧介质（21）与所述P型阱区（40）和所述结型场效应管区（80）隔离；
所述肖特基区（50）设置在所述结型场效应管区（80）上；所述碳化硅MOSFET器件还包括栅氧化层（51）；所述肖特基区（50）通过所述栅氧化层（51）与所述结型场效应管区（80）隔离；所述栅氧化层（51）与所述栅氧介质（21）无接触；所述栅氧化层（51）的厚度为50nm。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，在所述漂移区（70）的厚度为120μm。
3.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述P型阱区（40）和所述结型场效应管区（80）接触；其中，所述P型阱区（40）的厚度为1μm，所述结型场效应管区（80）的厚度为1.5μm。
4.如权利要求3所述的器件，其特征在于，所述结型场效应管区（80）的长度为1.7μm。
5.如权利要求3所述的器件，其特征在于，所述栅极（20）设置于所述P型阱区（40）的上面和所述结型场效应管区（80）的侧面；
所述栅氧介质（21）和所述结型场效应管区（80）的接触面与所述P型阱区（40）和所述结型场效应管区（80）的接触面不共面，位于所述结型场效应管区（80）一侧，且两个接触面所在两个平面间的距离为0.2μm。
6.如权利要求5所述的器件，其特征在于，所述栅极（20）与所述结型场效应管区（80）之间的所述栅氧介质（21）厚度小于0.2μm。
7.一种碳化硅MOSFET器件的制备方法，用于制造如权利要求1至6中任一项所述的碳化硅MOSFET器件，其特征在于，包括：
选取碳化硅片作为所述碳化硅MOSFET器件的衬底（60），在衬底（60）上生长120μm厚的漂移区（70）；
在漂移区（70）上沉积P型阱区（40）和结型场效应管区（80）；
在P型阱区（40）远结型场效应管区（80）侧，分别通过Al离子注入形成P+基区（41）和N+源区（42）；
在结型场效应管区（80）区域的上方形成厚度为50nm栅氧化层（51）；
在结型场效应管区（80）的缺口区域和所述P型阱区（40）的上边生长栅氧介质（21），其栅氧介质（21）的厚度小于0.2μm；
在P+基区（41）和N+源区（42）上PVD沉积欧姆接触金属以形成源极（30）；在栅氧化层（51）上PVD沉积肖特基接触金属以形成肖特基区（50）；在栅氧介质（21）上PVD沉积欧姆接触金属以形成栅极（20）；并通过光刻刻蚀定义金属电极区域。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，漂移区（70）的掺杂浓度为6×1014cm-3；结型场效应管区（80）掺杂浓度为2×1016cm-3；P型阱区（40）的厚度为1μm；结型场效应管区（80）的厚度为1.5μm；结型场效应管区（80）的长度为1.7μm；结型场效应管区（80）高于P型阱区（40）的区域的长度为1.5μm，形成的缺口在结型场效应管区（80）的近P型阱区（40）侧； P型阱区（40）的中的P+基区（41）和N+源区（42）的深度为0.4μm。
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