CN110429077A - 一种适用于功率半导体器件的抗单粒子烧毁结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于功率半导体器件的抗单粒子烧毁结构，包括外延层，所述外延层第一主面设有有源区和栅极结构，所述有源区和栅极结构上设有栅极金属层；所述外延层第二主面设有衬底层，所述衬底层上设有漏极金属层；所述有源区与所述衬底层之间的外延层形成漂移区；所述有源区设有纵向深沟槽，所述深沟槽内设有源极金属层；所述源极金属层底部设有P型区；本发明在器件关闭状态下由重离子引起的瞬态电流主要通过深沟槽电极进行泄放，大幅度降低作用于寄生BJT的瞬态电流，使寄生BJT难以导通，从而有效提高了功率半导体器件的抗SEB性能；而深沟槽电极的引入不会对器件沟道区及反向耐压区域产生任何影响，因此器件的基本电学特性不受任何影响。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件抗辐射加固技术，具体地说是一种适用于功率半导体器件的抗单粒子烧毁结构。
背景技术
功率半导体器件具有驱动电流大、击穿电压高、速度快、功耗低、输出功率大等优点，可实现不同范围内的功率控制和转换，广泛应用于卫星、航天器的电源管理，在空间应用领域具有巨大的开发潜力。功率半导体器件通常具有尺寸小、工作电压高的特点，其工作稳定性容易受到空间自然辐射环境的影响，特别是单粒子烧毁(single event burnout，SEB)效应的触发。SEB通常由重离子辐射引发，重离子射入器件后沿着轨迹可以产生极高的电子-空穴对浓度，进而引起瞬态大电流。功率半导体器件内部一般具有寄生双极结型晶体管(bipolar junction transistor，BJT)结构，瞬态电流可使寄生BJT正向导通，最终将导致器件内部电流急剧增大直至烧毁。因此，宇航用功率半导体器件必须具有抗SEB的能力。
自从SEB发现以来，许多SEB加固方法被广泛研究并提出。例如，在器件内部进行P+源区扩展、在N-漂移区和衬底之间引入缓冲层以及在漂移区引入少子寿命复合中心等方法，都可以有效地提高器件的抗SEB能力，但同时也牺牲了器件的基本电学特性。例如，P+源区扩展的方法容易引起沟道区载流子浓度的减小，可使器件的正向导通电流密度降低；缓冲层的引入在降低衬底结峰值电场的同时也伴随着正向导通电阻的增加；少子寿命复合中心的引入一定会引起器件反向泄漏电流密度的增加，这将导致功耗的增大，不满足宇航用半导体器件对低功耗的要求。
发明内容
为了克服现有的半导体功率器件SEB加固技术无法保证器件的基本电学特性的不足，本发明提供了一种适用于功率半导体器件的抗单粒子烧毁结构，以解决上述现有技术存在的问题，在保证半导体功率器件的基本电学特性的前提下，有效提高器件的抗SEB性能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种适用于功率半导体器件的抗单粒子烧毁结构，包括外延层，所述外延层第一主面设有有源区和栅极结构，所述有源区和栅极结构上设有栅极金属层；所述外延层第二主面设有衬底层，所述衬底层上设有漏极金属层；所述有源区与所述衬底层之间的外延层形成漂移区；所述有源区设有纵向深沟槽，所述深沟槽内设有源极金属层；所述源极金属层底部设有P型区。
优选的，所述有源区包括P-体区和N+源区；所述P-体区和N+源区从所述外延层第一主面由下到上依次分布。
优选的，所述深沟槽的深度小于所述P-体区结深。
优选的，所述P-体区与所述漂移区部分相连。
优选的，所述P型区通过离子注入形成。
优选的，所述源极金属层通过淀积设置在所述深沟槽内，构成深沟槽电极，所述深沟槽电极与所述P型区相连接。
本发明的有益效果是：
本发明深沟槽电极通过P型区和漂移区相连，使P型区和漂移区构成PN结体二极管，在器件关闭状态下由重离子引起的瞬态电流主要通过深沟槽电极进行泄放，从而极大提高了深沟槽对重离子产生的电子-空穴对的吸收效率，在相同正向电压作用下能够大幅度降低作用于寄生BJT的瞬态电流，使寄生BJT难以导通，从而有效提高了功率半导体器件的抗SEB性能；而深沟槽电极的引入不会对器件沟道区及反向耐压区域产生任何影响，因此器件的基本电学特性不受任何影响。因此，本发明能够在不牺牲器件基本电学特性前提下，将器件的SEB安全工作电压(SOA)提高至击穿电压值，进而保证器件在空间辐射环境中对SEB效应的免疫。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明寄生BJT和PN结体二极管示意图；
图3为本发明深沟槽电极的制作流程示意图；
图4为本发明实施例的SEB阈值电压曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如附图1所示，本实施例选用100V屏蔽栅极功率MOSFET器件对本发明的技术效果进行仿真验证，一种适用于功率半导体器件的抗单粒子烧毁结构，包括外延层，外延层第一主面设有凹槽结构，凹槽内部为分裂栅，分裂栅上部设有栅极结构，栅极结构包括栅极多晶硅层，栅极多晶硅层与外延层之间设有栅极氧化层；外延层第一主面上设有有源区，有源区包括P-体区和N+源区，P-体区和N+源区从外延层第一主面由下到上依次分布；外延层第二主面设有N+衬底层，N+衬底层上设有漏极金属层；有源区与N+衬底层之间的外延层形成N-漂移区；有源区设有纵向深沟槽，深沟槽的深度小于P-体区结深，源极金属层通过淀积设置在深沟槽内，构成深沟槽电极，深沟槽电极底部通过离子注入形成P+区，深沟槽电极与P+区相连接；P-体区与N-漂移区部分相连。
如附图3所示，深凹槽电极的制作流程为：
S1.功率半导体器件有源区(包括N+源区和P-体区)制作完成后，在有源区中间区域沿硅表面纵向刻蚀一定深度的沟槽，该深度需保证低于P-体区结深；
S2.在沟槽底部通过离子注入形成P+区；
S3.最后，采用淀积工艺于沟槽内填充金属进而形成深沟槽电极。
屏蔽栅极功率MOSFET器件元胞宽度为3.7μm，厚度为10.0μm；漂移区浓度为1.0×1016cm-3，栅氧化层厚度为50nm；深沟槽刻蚀宽度1.0μm、刻蚀深度为0.7μm；P+区纵向扩散结深为0.5μm，横向扩散长度1.4μm。为了充分表征器件的安全工作电压，重离子辐射模拟选用的入射粒子的线性能量转移值(linear energy transfer，LET)值越高越好(LET值越高，SEB阈值电压越低)；根据已有实验数据，本文选择LET值最大的金离子进行模拟，金离子的LET值为0.84pC/μm；模拟过程中入射轨迹选择在沟道边缘区域(垂直入射且贯穿整个器件)，实际重离子入射过程中，在器件内部产生的电荷密度近似于高斯分布，因此基于实验结果可将入射模拟路径参数可设置如下：入射离子轨迹半径为0.05μm，电荷产生的初始时间为4×10-12s，高斯函数的宽度为2×10-12s。
如附图2所示，屏蔽栅极功率MOSFET器件在N+源区、P-体区和N-漂移区之间形成寄生BJT，N+源区、P-体区和N-漂移区分别对应寄生BJT的发射极、基极和集电极；深沟槽电极结构通过P+区与N-漂移区相连，构成PN结体二极管。在功率半导体器件处于关闭状态下，由重离子引起的瞬态电流主要通过深沟槽电极在PN结体二极管进行泄放，从而极大提高了深沟槽对重离子产生的电子-空穴对的吸收效率，使作用于寄生BJT的瞬态电流值大幅度降低，寄生BJT难以导通。而深沟槽电极的引入并不会对器件沟道区及反向耐压区域产生任何影响，因此器件的基本电学特性不受任何影响。
如附图4所示，当入射离子LET值为0.84pC/μm时，屏蔽栅极功率MOSFET器件的SEB安全工作电压值可提高至100V，为击穿电压值的100％。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对发明的优选方式进行描述，并非对发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种适用于功率半导体器件的抗单粒子烧毁结构，其特征在于：包括外延层，所述外延层第一主面设有有源区和栅极结构，所述有源区和栅极结构上设有栅极金属层；所述外延层第二主面设有衬底层，所述衬底层上设有漏极金属层；所述有源区与所述衬底层之间的外延层形成漂移区；所述有源区设有纵向深沟槽，所述深沟槽内设有源极金属层；所述源极金属层底部设有P型区。
2.根据权利要求1所述的一种适用于功率半导体器件的抗单粒子烧毁结构，其特征在于：所述有源区包括P-体区和N+源区；所述P-体区和N+源区从所述外延层第一主面由下到上依次分布。
3.根据权利要求1所述的一种适用于功率半导体器件的抗单粒子烧毁结构，其特征在于：所述深沟槽的深度小于所述P-体区结深。
4.根据权利要求2所述的一种适用于功率半导体器件的抗单粒子烧毁结构，其特征在于：所述P-体区与所述漂移区部分相连。
5.根据权利要求1所述的一种适用于功率半导体器件的抗单粒子烧毁结构，其特征在于：所述P型区通过离子注入形成。
6.根据权利要求1所述的一种适用于功率半导体器件的抗单粒子烧毁结构，其特征在于：所述源极金属层通过淀积设置在所述深沟槽内，构成深沟槽电极，所述深沟槽电极与所述P型区相连接。
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