CN112186027A - 一种带有栅极沟槽结构的碳化硅mosfet - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET,包括:碳化硅衬底;碳化硅衬底上生长的碳化硅外延层;所述碳化硅衬底背面覆盖的漏极金属电极;所述碳化硅外延层上刻蚀的沟槽,在所述沟槽表面生长有的氧化层,氧化层上设有的栅极金属电极;在碳化硅外延层上设有的源极注入区;所述源极注入区上覆盖有的源极金属电极;在碳化硅外延层上还设有的多个注入区,其中包括阻断注入区,保护注入区和改善注入区,所述阻断注入区的掺杂类型为第二导电类型,所述改善注入区的掺杂类型为第一导电类型,所述保护注入区为重掺杂的第二导电类型,所述阻断注入区与源极注入区相邻且设置在栅极和漏极之间,所述保护注入区设置在栅极金属电极下方。

Description

一种带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET
技术领域
本发明属于半导体技术领域,具体涉及一种带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET。
背景技术
基于碳化硅(SiC)的宽带隙半导体因其低导通损耗,优异的耐高温性和高导热特性,越来越受市场的欢迎。另外,碳化硅还拥有高临界场,高体迁移率,高饱和速度等独特的电学性能,特别是高临界场特性,使碳化硅功率器件与相同电压下的常规硅器件相比,能有更高的掺杂浓度和更薄的漂移层厚度,从而实现更低的导通电阻。碳化硅MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,金属-氧化物半导体场效应晶体管)有较低的开关损耗和较高的工作频率,非常贴合电力电子应用需求。然而,由于SiO2(栅氧化物)/SiC界面处的界面态密度高,碳化硅MOS器件存在沟道迁移率低的问题。
现有技术中多使用平面栅碳化硅MOSFET,但平面栅碳化硅MOSFET结构单元间距较大,相对使用成本较高;平面栅碳化硅MOSFET结构的SiO2(栅氧化物)/SiC界面处的界面的沟道迁移率较低,相应的导通电阻较大。
发明内容
鉴于以上存在的技术问题,本发明用于提供一种带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET,使得导通电阻显著降低。
为解决上述技术问题,本发明采用如下的技术方案:
一种带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET,包括:
碳化硅衬底,所述碳化硅衬底的掺杂类型为第一导电类型;
碳化硅衬底上生长的碳化硅外延层,所述碳化硅外延层掺杂类型为第一导电类型;
所述碳化硅衬底背面覆盖的漏极金属电极;
所述碳化硅外延层上刻蚀的沟槽,在所述沟槽表面生长有的氧化层,氧化层上设有的栅极金属电极;
在碳化硅外延层上设有的源极注入区,所述源极注入区的掺杂类型为第一导电类型;
所述源极注入区上覆盖有的源极金属电极;在碳化硅外延层上还设有的多个注入区,其中包括阻断注入区,保护注入区和改善注入区,所述阻断注入区的掺杂类型为第二导电类型,所述改善注入区的掺杂类型为第一导电类型,所述保护注入区为重掺杂的第二导电类型,所述阻断注入区与源极注入区相邻且设置在栅极和漏极之间,所述保护注入区设置在栅极金属电极下方。
优选地,进一步包括一个或多个改善电场分布注入区,改善电场分布注入区为重掺杂的第二导电类型。
优选地,若改善电场分布注入区设置有多个时,改善电场分布注入区之间的距离根据需要调节设置。
优选地,所述改善注入区与栅极金属电极在俯视截面上呈平行设置。
优选地,所述改善电场分布注入区与栅极金属电极在俯视截面上呈平行设置。
优选地,所述改善注入区与栅极金属电极在俯视截面上呈垂直设置。
优选地,所述改善电场分布注入区与栅极金属电极在俯视截面上呈垂直设置。
采用本发明具有如下的有益效果:
(1)增加了沟道迁移率,碳化硅沟槽栅MOSFET的表面沟道迁移率通常比平面栅MOSFET结构中的沟道迁移率大2-3倍;
(2)与平面栅MOSFET结构相比,沟槽栅MOSFET设计可实现更小的单元间距;
(3)结合减小间距和增加沟道迁移率的优势,沟槽栅MOSFET设计与传统的平面栅设计相比,导通电阻显著降低。
(4)改善注入区能改善阻断注入区和保护区所形成的JFET区的电场分布,扩大电子沟道,减少导通电阻。
附图说明
图1为本发明第一实施例的带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET的结构示意图;
图2为本发明第二实施例的实施例的带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET的结构示意图;
图3为图2中C-C'截面的结构示意图;
图4为本发明第三实施例的实施例的带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET中参照第二实施例中C-C'截面的结构示意图;
图5为图4中A-A'截面的结构示意图;
图6为图4中B-B'截面的结构示意图。
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。
实施例1
参照图1,所示为本发明一实施例的带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET的结构示意图,以第一导电类型为N,第二导电类型为P举例,其包括碳化硅衬底101,碳化硅衬底101的掺杂类型为N+;碳化硅衬底101上生长的碳化硅外延层102,碳化硅外延层102掺杂类型为N-;碳化硅衬底101背面覆盖的漏极金属电极110;碳化硅外延层102上刻蚀的沟槽,在沟槽表面生长有的氧化层107,氧化层107上设有的栅极金属电极108;在碳化硅外延层102上设有的源极注入区104,源极注入区104的掺杂类型为N+;源极注入区104上覆盖有的源极金属电极109;在碳化硅外延层102上还设有的多个注入区,其中包括阻断注入区103,保护注入区106和改善注入区105。阻断注入区103的掺杂类型为P,用于保持MOSFET为常闭型器件,同时与碳化硅衬底101与碳化硅外延层102形成PiN结构增加反向耐压。改善注入区105的掺杂类型为N。保护注入区106为重掺杂的P+,保护注入区106为栅极保护区,避免栅压过高时发生器件穿通。因为保护注入区106的导电类型与器件开通时导通载流子的导电类型不一致,保护注入区106与碳化硅外延层102形成的耗尽区会使沟道宽度相对变小,而通过设置改善注入区105,可使其与保护注入区106形成耗尽区,将沟道的宽度扩大。阻断注入区103与源极注入区104相邻且设置在栅极和漏极之间,保护注入区106设置在栅极金属电极108下方。本实施例为常闭型MOSFET,具体实施时,在栅极金属电极108上施加正压即可实现器件的开启。
其他应用实施例中,也可替换设置第一导电类型为P型,第二导电类型为N型。
实施例2
本发明的第二实施例如图2和3所示,继续以第一导电类型为N举例,第二导电类型为P举例。与第一实施例相似地,带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET包括N+掺杂的碳化硅衬底101,N-掺杂的碳化硅外延层102。在碳化硅衬底101背面覆盖有漏极金属电极110,形成MOSFET的漏极区。同样地,碳化硅外延层102上刻蚀有沟槽,生长有氧化层107,与栅极金属电极108形成栅极区。碳化硅外延层102上设有N+掺杂的源极注入区104,与源极金属电极109形成源极区。与第一实施类功能类似地,碳化硅外延层102上还设有P掺杂的阻断注入区103,N掺杂的改善注入区105,以及P+掺杂的保护注入区106。特别地设有P+掺杂的一个或多个改善电场分布注入区111,有增加MOSFET器件反向耐压的作用,可通过调整注入区的数量来达到相应的耐压需求。另外地,该改善电场分布注入区111可有效调节电场分布,防止器件某一位置的电场过分集中。通过控制一个或多个改善电场分布注入区111的与其他结构以及自身之间的间距,有效减弱栅极区域的电场,进一步避免栅级穿通现象。
如图3所示,改善注入区105与栅极金属电极108在俯视截面上呈平行设置。改善电场分布注入区111与栅极金属电极108在俯视截面上呈平行设置。
本领域技术人员可以理解的是,改善注入区105与栅极金属电极108在俯视截面上也可以呈垂直设置。改善电场分布注入区111与栅极金属电极108在俯视截面上呈垂直设置。
实例3
本发明的第三实施例如图4、5和6所示,与第二实施例相似,栅极区有栅极金属电极108,源极区有源极注入区104,漏极区在背面。图4为参照第二实施例中C-C'截面的结构示意图,图5为本实施例的图4中A-A'截面的示意图,图6为本实施例的图4中B-B'截面的结构示意图。以第一导电类型为N,第二导电类型为P举例,本实施例结构包括N+掺杂的碳化硅衬底101,N-掺杂的碳化硅外延层102。在碳化硅衬底101背面覆盖有漏极金属电极110,在碳化硅外延层102设有氧化层107,栅极金属电极108,N+掺杂的源极注入区104,以及源极金属电极109。同样地,碳化硅外延层102上还设有P掺杂的阻断注入区103,P+掺杂的保护注入区106。图5中的N掺杂改善注入区105,器件开通时在此区域形成沟道,同时与保护注入区106形成耗尽区,将沟道的宽度扩大。图6中的P+掺杂的改善电场分布注入区111,可增加MOSFET器件的反向耐压。与第二实施例类似,本实施例也可通过调整保护注入区106和改善电场分布111的数量以及面积,来调节反向耐压能力以及电场分布,有效减弱栅极区域的电场。如图4所示,此实施例中改善注入区105与栅极金属电极108在俯视截面上也可以呈垂直设置。改善电场分布注入区111与栅极金属电极108在俯视截面上呈垂直设置。
本领域技术人员可以理解的是,改善注入区105与栅极金属电极108在俯视截面上也可以呈平行设置。改善电场分布注入区111与栅极金属电极108在俯视截面上也可以呈平行设置。
应当理解,本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例,本领域普通技术人员应当理解,在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下,可以做出各种形式和细节的改变。

Claims (7)

1.一种带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET,其特征在于,包括:
碳化硅衬底(101),所述碳化硅衬底(101)的掺杂类型为第一导电类型;
碳化硅衬底(101)上生长的碳化硅外延层(102),所述碳化硅外延层(102)掺杂类型为第一导电类型;
所述碳化硅衬底(101)背面覆盖的漏极金属电极(110);
所述碳化硅外延层(102)上刻蚀的沟槽,在所述沟槽表面生长有的氧化层(107),氧化层(107)上设有的栅极金属电极(108);
在碳化硅外延层(102)上设有的源极注入区(104),所述源极注入区(104)的掺杂类型为第一导电类型;
所述源极注入区(104)上覆盖有的源极金属电极(109);在碳化硅外延层(102)上还设有的多个注入区,其中包括阻断注入区(103),保护注入区(106)和改善注入区(105),所述阻断注入区(103)的掺杂类型为第二导电类型,所述改善注入区(105)的掺杂类型为第一导电类型,所述保护注入区(106)为重掺杂的第二导电类型,所述阻断注入区(103)与源极注入区(104)相邻且设置在栅极和漏极之间,所述保护注入区(106)设置在栅极金属电极(108)下方。
2.如权利要求1所述的带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET,其特征在于,进一步包括一个或多个改善电场分布注入区(111),改善电场分布注入区(111)为重掺杂的第二导电类型。
3.如权利要求2所述的带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET,其特征在于,若改善电场分布注入区(111)设置有多个时,改善电场分布注入区(111)之间的距离根据需要调节设置。
4.如权利要求1至3任一所述的带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET,其特征在于,所述改善注入区(105)与栅极金属电极(108)在俯视截面上呈平行设置。
5.如权利要求1至3任一所述的带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET,其特征在于,所述改善电场分布注入区(111)与栅极金属电极(108)在俯视截面上呈平行设置。
6.如权利要求1至3任一所述的带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET,其特征在于,所述改善注入区(105)与栅极金属电极(108)在俯视截面上呈垂直设置。
7.如权利要求1至3任一所述的带有栅极沟槽结构的碳化硅MOSFET,其特征在于,所述改善电场分布注入区(111)与栅极金属电极(108)在俯视截面上呈垂直设置。
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