CN114464680A - 碳化硅mosfet器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种碳化硅MOSFET器件及其制作方法，碳化硅MOSFET器件包括：外延片，包括：半导体基底；设置在基底表面的外延层；设置在外延层内的阱区、源区以及沟槽栅极；沟槽栅极包括位于外延层背离基底一侧表面内的沟槽；位于沟槽内的栅极；源区包围沟槽且与沟槽的侧壁接触；阱区包括：在基底指向源区方向上依次设置的第一层阱区、第二层阱区和第三层阱区；第三层阱区包围沟槽且与沟槽的侧壁接触；沟槽下方的外延层内具有掺杂区域，第一层阱区包围掺杂区域且与掺杂区域接触；第一层阱区与第三层阱区之间具有部分外延层，第二层阱区位于部分外延层的两侧；部分外延层内具有用于保护沟槽栅极底部的掩蔽层；掩蔽层位于沟槽的下方。
Description
技术领域
本申请涉及半导体器件技术领域，更具体的说，涉及一种碳化硅(SiC)MOSFET器件及其制作方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，越来越多的电子设备被广泛的应用于人们的日常生活以及工作当中，为人们的日常生活以及工作带来了巨大的便利，成为当今人们不可或缺的重要工具。
电子设备实现各种功能的主要结构是集成电路，而MOSFET器件是集成电路的重要组成电子元件。碳化硅MOSFET器件由于其在高功率应用领域的优良特性，成为半导体领域的一个主要发展方向。
现有的碳化硅MOSFET器件仍然存在不足，有待进一步优化其结构以及制作方法，提升其性能。
发明内容
有鉴于此，本申请技术方案提供了一种碳化硅MOSFET器件及其制作方法，方案如下：
一种的碳化硅MOSFET器件，包括：
外延片，所述外延片包括：半导体基底；设置在所述基底表面的外延层；
设置在所述外延层内的阱区、源区以及沟槽栅极；
其中，所述沟槽栅极包括位于所述外延层背离所述基底一侧表面内的沟槽；位于所述沟槽内的栅极，所述栅极与所述沟槽之间具有栅介质层；
所述源区包围所述沟槽且与所述沟槽的侧壁接触；
所述阱区包括：在所述基底指向所述源区方向上依次设置的第一层阱区、第二层阱区和第三层阱区；所述沟槽的底部位于所述第一层阱区与所述第三层阱区之间；所述第三层阱区包围所述沟槽且与所述沟槽的侧壁接触；所述沟槽下方的外延层内具有掺杂区域，所述第一层阱区包围所述掺杂区域且与所述掺杂区域接触；所述第一层阱区与所述第三层阱区之间具有部分外延层，所述第二层阱区位于所述部分外延层的两侧；所述部分外延层内具有用于保护所述沟槽栅极底部的掩蔽层；所述掩蔽层位于所述沟槽的下方，且与各层阱区的掺杂类型相同。
优选的，在上述碳化硅MOSFET器件中，所述掺杂区域在所述基底的垂直投影位于所述沟槽在所述基底的垂直投影内；
所述沟槽在所述基底的垂直投影位于所述部分外延层在所述基底的垂直投影内，且两个所述垂直投影具有非零间距。
优选的，在上述碳化硅MOSFET器件中，所述部分外延层内还具有连接所述掩蔽层和所述第一层阱区的连接区域，所述连接区域与各层阱区的掺杂类型相同。
优选的，在上述碳化硅MOSFET器件中，所述第一层阱区包括：分别位于所述沟槽两侧的第一部分第一层阱区和第二部分第一层阱区；
所述第一部分第一层阱区通过在第一方向上依次排布的多个所述连接区域与所述掩蔽层连接，和/或，所述第二部分第一层阱区通过在第一方向上依次排布的多个所述连接区域与所述掩蔽层连接；
其中，所述第一方向平行于所述基底，且平行于所述沟槽的延伸方向。
优选的，在上述碳化硅MOSFET器件中，所述沟槽的下方至少具有一个所述掺杂区域；
当具有多个所述掺杂区域时，多个所述掺杂区域在第一方向上依次排布，其中，所述第一方向平行于所述基底，且平行于所述沟槽的延伸方向。
优选的，在上述碳化硅MOSFET器件中，在垂直于所述基底的方向上，所述掩蔽层到所述沟槽底部的距离小于到所述第一层阱区的距离。
优选的，在上述碳化硅MOSFET器件中，所述掩蔽层与所述沟槽底部接触。
优选的，在上述碳化硅MOSFET器件中，所述第二层阱区包括：分别位于所述沟槽两侧的第一部分第二层阱区和第二部分第二层阱区；
所述第一部分第二层阱区与所述第二部分第二层阱区分别为一体结构。
优选的，在上述碳化硅MOSFET器件中，所述第二层阱区包括：分别位于所述沟槽两侧的第一部分第二层阱区和第二部分第二层阱区；
所述第一部分第二层阱区与所述第二部分第二层阱区均包括多个在第一方向上依次排布的子区域；在所述第一方向上，相邻两个所述子区域之间具有与所述子区域掺杂类型相反的电流扩展区域；其中，所述第一方向平行于所述基底，且平行于所述沟槽的延伸方向。
优选的，在上述碳化硅MOSFET器件中，各层阱区、所述掩蔽层以及所述连接区域的掺杂类型相同，且所述连接区域的掺杂浓度大于各层阱区的掺杂浓度。
优选的，在上述碳化硅MOSFET器件中，对于同一所述连接区域，所述连接区域由所述沟槽的底部至少延伸至所述第一层阱区内，或，所述连接区域的一部分由所述沟槽的底部至少延伸至所述第一层阱区内，另一部分由所述外延层的表面沿着所述沟槽的侧壁至少延伸至所述第一层阱区内。
本申请还提供了一种上述任一项所述碳化硅MOSFET器件的制作方法，包括：
提供外延片，所述外延片包括：半导体基底；设置在所述基底表面的外延层；
在所述外延层内形成阱区、源区和沟槽栅极；
其中，所述沟槽栅极包括位于所述外延层背离所述基底一侧表面内的沟槽；位于所述沟槽内的栅极，所述栅极与所述沟槽之间具有栅介质层；
所述源区包围所述沟槽且与所述沟槽的侧壁接触；
所述阱区包括：在所述基底指向所述源区方向上依次设置的第一层阱区、第二层阱区和第三层阱区；所述沟槽的底部位于所述第一层阱区与所述第三层阱区之间；所述第三层阱区包围所述沟槽且与所述沟槽的侧壁接触；所述沟槽下方的外延层内具有掺杂区域，所述第一层阱区包围所述掺杂区域且与所述掺杂区域接触；所述第一层阱区与所述第三层阱区之间具有部分外延层，所述第二层阱区位于所述部分外延层的两侧；所述部分外延层内具有用于保护所述沟槽栅极底部的掩蔽层；所述掩蔽层位于所述沟槽的下方，且与各层阱区的掺杂类型相同。
优选的，在上述制作方法中，所述外延层包括；设置在所述基底表面的第一外延层；设置在所述第一外延层背离所述基底一侧表面的第二外延层；设置在所述第二外延层背离所述第一外延层一侧表面的第三外延层；所述第二外延层具有待注入区以及包围所述待注入区的第一层阱区；
在所述外延层内形成阱区、源区和沟槽栅极，包括：
在所述第三外延层背离所述基底的一侧表面内形成所述源区、所述第二层阱区和所述第三层阱区；
在所述第三外延层背离所述基底的一侧表面内形成所述沟槽；
基于所述沟槽形成所述掩蔽层以及所述掺杂区域；
基于所述沟槽，形成连接所述掩蔽层与所述第一层阱区的连接区域；
在所述沟槽内形成栅介质层和栅极。
通过上述描述可知，本申请技术方案提供的碳化硅MOSFET器件及其制作方法中，所述碳化硅MOSFET器件包括：外延片，所述外延片包括：半导体基底；设置在所述基底表面的外延层；设置在所述外延层内的阱区、源区以及沟槽栅极；其中，所述沟槽栅极包括位于所述外延层背离所述基底一侧表面内的沟槽；位于所述沟槽内的栅极，所述栅极与所述沟槽之间具有栅介质层；所述源区包围所述沟槽且与所述沟槽的侧壁接触；所述阱区包括：在所述基底指向所述源区方向上依次设置的第一层阱区、第二层阱区和第三层阱区；所述沟槽的底部位于所述第一层阱区与所述第三层阱区之间；所述第三层阱区包围所述沟槽且与所述沟槽的侧壁接触；所述沟槽下方的外延层内具有掺杂区域，所述第一层阱区包围所述掺杂区域且与所述掺杂区域接触；所述第一层阱区与所述第三层阱区之间具有部分外延层，所述第二层阱区位于所述部分外延层的两侧；所述部分外延层内具有用于保护所述沟槽栅极底部的掩蔽层；所述掩蔽层位于所述沟槽的下方，且与各层阱区的掺杂类型相同。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为一种DMOSFET的结构示意图；
图2为一种UMOSFET的结构示意图；
图3为MOSFET开关瞬间的电压过冲及震荡现象的波形图；
图4a为本申请实施例提供的一种碳化硅MOSFET器件的结构示意图；
图4b为图4a所示碳化硅MOSFET器件在开通瞬间的主要电流通路示意；
图4c为图4b所示碳化硅MOSFET器件等效寄生参数示意图；
图5为本申请实施例提供的另一种碳化硅MOSFET器件的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种碳化硅MOSFET器件的三维视图；
图7为图6所示碳化硅MOSFET器件中隔层阱区、沟槽、掺杂区域以及连接区域的俯视版图；
图8为图6所示碳化硅MOSFET器件在垂直于沟槽延伸方向上的第一切面图；
图9为图6所示碳化硅MOSFET器件在垂直于沟槽延伸方向上的第二切面图；
图10为本申请实施例提供的另一种碳化硅MOSFET器件的三维视图；
图11为图10所示碳化硅MOSFET器件中隔层阱区、沟槽、掺杂区域以及连接区域的俯视版图；
图12为本申请实施例提供的又一种碳化硅MOSFET器件的结构示意图；
图13-图19为本申请实施例提供的一种碳化硅MOSFET器件制作方法的工艺流程图；
图20为本申请实施例提供的一种碳化硅MOSFET器件在沟槽设计与掺杂区离子注入面积的版图。
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。
SiC材料因其优良特性，在高功率方面具有强大的吸引力，成为高性能功率MOSFET的理想材料之一。SiC垂直功率MOSFET器件主要有横向型的双扩散DMOSFET以及垂直栅槽结构的UMOSFET。
如图1所示，图1为一种DMOSFET的结构示意图，包括：n+(n型重掺杂)的基底2；设置在基底2表面上的n-(n型轻掺杂)的漂移区3；位于漂移区3内的p型阱区4；以及位于p型阱区内的源区5，源区5包括n+掺杂区51和p+(p型重掺杂)掺杂区52。漂移区3表面上设置有栅极介质层7，栅极介质层7表面上具有栅极8。基底2背离漂移区3的一侧表面具有漏极1。
DMOSFET结构采用了平面扩散技术，采用难熔材料，如多晶硅栅作掩膜，用多晶硅栅的边缘定义p基区和n+源区。DMOS的名称就源于这种双扩散工艺。利用p型基区和n+源区的侧面扩散差异来形成表面沟道区域。
如图2所示，图2为一种UMOSFET的结构示意图，与图1所示结构不同在于，UMOSFET中设置有U型槽，U型槽的表面覆盖有栅极介质层7，栅极8填充在U型槽内。垂直栅槽结构的UMOSFET，其命名源于U型沟槽结构。该U型沟槽结构利用反应离子刻蚀在栅区形成。U型沟槽结构具有较高的沟道密度(沟道密度定义为有源区沟道宽度)，这使得器件的开态特征电阻显著减小。
平面型SiC MOSFET经过行业内多年的研究，已经有一些厂商率先推出了商业化产品。对于普通横向型DMOSFET结构而言，现代技术进步已经达到了缩小MOS元胞尺寸而无法降低导通电阻的程度，主要原因是由于JFET颈区电阻的限制，即使采用更小的光刻尺寸，单位面积导通电阻也难以降到2mΩ·cm2，而沟槽结构可以有效解决这个问题。U型沟槽结构如图2所示，其采用了在存储器存储电容制各工艺中沟槽刻蚀技术，使导电沟道从横向变为纵向，相比普通结构消除了JFET颈电阻，大大增加了元胞密度，提高了功率半导体的电流处理能力。
然而，SiC UMOSFET在实际工艺制作和应用中仍然存在几个问题：
1)SiC漂移区的高电场导致栅极介质层上的电场很高，这个问题在槽角处加剧，从而在高漏极电压下造成栅极介质层迅速击穿；对于恶劣环境的静电效应以及电路中的高压尖峰耐受能力差。
2)由于SiC功率MOSFET主要应用在高压高频大电流领域，电路中的寄生参数会使得在高频开关过程中产生尖峰毛刺，如图3所示，图3为MOSFET开关瞬间的电压过冲及震荡现象的波形图，基于图3可知，造成器件电流通路上的瞬时过压同时增加了开关过程的损耗；或由于功率负载等变化形成大的浪涌电压，因此MOSFET抗浪涌电压能力和过压保护也非常重要。
因为常规MOSFET器件本身并不具备抗浪涌电压自抑制能力和过压保护能力，往往需要在实际应用中设计复杂的缓冲电路，浪涌电压抑制电路和过压保护电路。而这种外部匹配的抑制和过压保护电路往往有时间上的延迟，实际开关过程中的高频尖峰电压浪涌仍然由器件本身承受，有时会导致器件沟道区的击穿失效，以及栅结构和电极欧姆接触区域的逐渐失效，引起器件可靠性问题。
3)离子注入深度有限，导致很多针对性的沟槽栅极保护结构和抗浪涌设计从工艺上难以实现。一般用于形成栅极的沟槽深度在1μm-2μm以上，因为要保护沟槽内栅极结构，掩埋型保护结构的实际制作工艺无法直接用离子注入完成，这是由于碳化硅工艺里，离子注入深度很难超过1μm。由于碳化硅材料的特性，如果要实现较大注入深度的掺杂，高能量的离子注入会导致其晶格损伤，故在制作具有较大深度掺杂区的碳化硅MOSFET器件时，需要在外延片的制作过程中，先通过刻蚀以及离子注入在先形成的外延层内形成所需掺杂区，然后形成后续外延层。故常规工艺一般是先通过刻蚀以及离子注入在先形成的外延层内形成所需掺杂区，然后形成两层特定结构的P型外延层，导致制作工艺复杂，且制作成本较高。
如图4a所示，图4a为本申请实施例提供的一种碳化硅MOSFET器件的结构示意图，包括：
外延片，所述外延片包括：半导体基底10；设置在所述基底10表面的外延层；
设置在所述外延层内的阱区、源区15以及沟槽栅极；
其中，所述沟槽栅极包括位于所述外延层背离所述基底一侧表面内的沟槽20；位于所述沟槽20内的栅极18，所述栅极18与所述沟槽20之间具有栅介质层181；
所述源区15包围所述沟槽20且与所述沟槽20的侧壁接触；
所述阱区包括：在所述基底10指向所述源区15方向上依次设置的第一层阱区141、第二层阱区142和第三层阱区143；所述沟槽20的底部位于所述第一层阱区141与所述第三层阱区143之间；所述第三层阱区143包围所述沟槽20且与所述沟槽20的侧壁接触；所述沟槽20下方的外延层内具有掺杂区域17，所述第一层阱区141包围所述掺杂区域17且与所述掺杂区域17接触；所述第一层阱区141与所述第三层阱区143之间具有部分外延层100，所述第二层阱区142位于所述部分外延层100的两侧。
基底10背离外延层的一侧具有金属漏极19。所述源区15包括掺杂类型相反的第一区域151和第二区域152，可以设置第一区域151是n+型掺杂区，第二区域152为p+型掺杂区。金属源极21与第一区域151和第二区域152均接触。源区15表面上具有绝缘层16，绝缘层16露出金属源极21以及栅极18。栅极18包括位于沟槽20内的填充介质以及位于填充介质表面上的金属栅极。
图4a所示碳化硅MOSFET器件中，阱区结构包括三层，分别为第一层阱区141、第二层阱区142和第三层阱区143。最上层的第三层阱区143位于沟槽20左右两侧，且和沟槽20的侧壁接触。中间层的第二层阱区142包括位于沟槽20左右两侧的两部分，且与沟槽20的侧壁不接触。最下层的第一层阱区141位于沟槽20下方，与沟槽20无接触。
第二层阱区142的左右两部分与元胞结构竖向中轴线之间的距离大于第一层阱区141的左右两部分与元胞结构竖向中轴线之间的距离，具体的，元胞结构竖向中轴线为沟槽20的中轴线，如图4a中虚线所示，相对于第二层阱区142，第一层阱区141更靠近所述中轴线。第一层阱区141相对于第二层阱区142更靠近沟槽侧壁，能够保护沟槽20底部的槽角，形成寄生JFET，抑制高频震荡和浪涌。第二层阱区142将第一层阱区141连接到源极，可以得第一层阱区141抑制浪涌。
通过所述掺杂区17可以在源漏极之间的电流路径上形成一个特定的JFET结构，且JFET结构的导通特性，可以通过所述掺杂区17的图形设计和离子注入浓度及图形轮廓进行优化调整，以提高MOSFET器件的性能。
本申请技术方案通过在外延片中巧妙的设计第二外延层12以及贯穿第二外延层12的所述掺杂区17，解决了SiC沟槽MOSFET栅氧结构的屏蔽和碳化硅材料中深注入工艺的难题，同时，所述掺杂区17还可以在器件的电流通路上引入了可以通过离子注入调制的JFET结构，在自动调节器件导通电阻和自锁保护效应的同时，还能够保持较小器件元胞尺寸。
图4a所示碳化硅MOSFET器件中，至少具有如下有益效果：
所述碳化硅MOSFET器件能够在元胞结构的电流通路上引入一JFET结构，自动调节器件导通电阻和自锁保护效应的同时还能够保持较小器件元胞尺寸，并且JFET结构的导通特性由所述掺杂区17的图形设计和离子注入浓度及图形轮廓进行优化调整，设计和工艺灵活，具有较好的可制造性。
利用具有掩埋层(第二外延层12)的外延片和由所述掺杂区17注入调制的JFET结构，在大的浪涌电压下可以自动扩展两侧的耗尽区从而增大JFET结构的导通电阻，相当于一个缓冲器电路结构自行抑制浪涌尖峰；同时在浪涌电压过大时，两侧耗尽区域继续扩展而相互重叠，起到封锁效应，保护内部的沟槽表面的栅极介质层，起到一定的尖峰电压过压保护作用。
虽然在引入JFET结构会增加一定的导通电阻，却具有了开关缓冲和浪涌电压自抑制效果。
所述碳化硅MOSFET器件能增加器件对于浪涌电压和过电压的自抑制抗性，避免过压保护电路和过流保护电路由于实际作用上的时延造成的器件损坏和可靠性的减损。
同时也对电路开关过程中的尖峰抖动起到缓冲作用，减小开关损耗；可以减少电路设计中的缓冲电路及缓冲器电路结构，减少离散性的元器件，从而降低成本，也减少了实际模块体积，增强可靠性。
如图4b所示，图4b为图4a所示碳化硅MOSFET器件在开通瞬间的主要电流通路示意，源漏极之间具有电流通路，图4b所示中间虚线曲线表示电路通路，电流通过经过基于掺杂区17形成的JFET结构。由于电流迅速变化，在电路中产生高频尖峰电压，而与此同时由于电流通路上电压迅速变化，JFET结构的耗尽区域(图4b中左右两条虚线曲线之间的区域)对应不同的电压变化情况，会迅速扩展或是收缩，JFET结构此时等效为一个可变电阻R和一个结电容C的并联结构，如图4c所示，图4c为图4b所示碳化硅MOSFET器件等效寄生参数示意图。
通过具体的电路应用及器件电学模型模拟，选取合适的第二外延层12厚度d以及掺杂浓度，以及掺杂区17离子注入结构的图形设计和浓度及图形轮廓设计来优化调整，就可以得到合适的寄生参数值(所需的可变电阻R和一个结电容C)，对实际应用于不同开关频率电路模块中时，起到有效的电压尖峰抑制作用，同时减小开通损耗。
图4a所示碳化硅MOSFET器件中，沟槽栅极底部的耐压性能有待进一步提高，基于此，如图5所示，图5为本申请实施例提供的另一种碳化硅MOSFET器件的结构示意图，包括：
外延片，所述外延片包括：半导体基底10；设置在所述基底表面的外延层；
设置在所述外延层内的阱区、源区15以及沟槽栅极；
其中，所述沟槽栅极包括位于所述外延层背离所述基底10一侧表面内的沟槽20；位于所述沟槽20内的栅极18，所述栅极18与所述沟槽20之间具有栅介质层181；
所述源区15包围所述沟槽20且与所述沟槽20的侧壁接触；
所述阱区包括：在所述基底10指向所述源区15方向上依次设置的第一层阱区141、第二层阱区142和第三层阱区143；所述沟槽20的底部位于所述第一层阱区141与所述第三层阱区143之间；所述第三层阱区143包围所述沟槽20且与所述沟槽的侧壁20接触；所述沟槽20下方的外延层内具有掺杂区域17，所述第一层阱区141包围所述掺杂区域17且与所述掺杂区域17接触；所述第一层阱区141与所述第三层阱区143之间具有部分外延层100，所述第二层阱区142位于所述部分外延层100的两侧；所述部分外延层100内具有用于保护所述沟槽栅极底部的掩蔽层31；所述掩蔽层31位于所述沟槽20的下方，且与各层阱区的掺杂类型相同。各层阱区的掺杂类型相同。
可选的，各层阱区的掺杂类型相同，且浓度相同，即第一层阱区141、第二层阱区142和第三层阱区143的掺杂类型和掺杂浓度都相同，如都可以为p掺杂。所述掩蔽层31可以与各层阱区的掺杂浓度相同，可以为p掺杂，也可以大于各层阱区的掺杂浓度，如所述掩蔽层31可以为p+掺杂。显然其他方式中，第一层阱区141、第二层阱区142和第三层阱区143的掺杂浓度可以不同。
在图5所示方式中，通过在所述沟槽20下方设置所述掩蔽层31，能够保护沟槽栅极底部，提升沟槽栅极底部的耐压性能。
其中，在垂直于所述基底10的方向上，所述掩蔽层31到所述沟槽20底部的距离小于到所述第一层阱区141的距离，以便于能够有效保护所述沟槽栅极的底部。可选的，所述掩蔽层31与所述沟槽20底部接触，即与所述沟槽20底部之间的距离为0。
在图5所示方式中，所述掺杂区域17在所述基底10的垂直投影位于所述沟槽20在所述基底10的垂直投影内。所述沟槽20在所述基底10的垂直投影位于所述部分外延层100在所述基底10的垂直投影内，且两个所述垂直投影具有非零间距，即图5中两部分第二层阱区142和沟槽20的侧壁具有非零间距。
如图5所示，所述部分外延层100内还具有连接所述掩蔽层31和所述第一层阱区141的连接区域32，所述连接区域32与各层阱区的掺杂类型相同。所述连接区域32连接所述掩蔽层31和所述第一层阱区141，将沟槽栅极底部巧妙的包裹成“胶囊”状，从而实现更好的沟槽底部保护。
通过设置所述连接区域32，能够使得所述掩蔽层31通过所述连接区域32与第三层阱区143连接，进而与源区15连接，从而可以通过源极21接地，一方面，能够避免由于所述掩蔽层31电位悬浮导致在长期动态开关工作过程中由于动态载流子俘获集聚效应，以避免由于动态载流子俘获集聚效应导致所述掩蔽层31逐步失去保护所述沟槽栅极底部的作用；另一方面，避免由于所述掩蔽层31电位悬浮导致的栅极寄生电容增大问题，避免由于寄生电容导致的开关损耗增大问题。
各层阱区、所述掩蔽层31以及所述连接区域32的掺杂类型相同，且所述连接区域32的掺杂浓度大于各层阱区的掺杂浓度，以降低所述掩蔽层31与所述第一层阱区141之间的连接阻抗。如可以设置各层阱区均为p掺杂，所述连接区域32为p+掺杂。
如图6-图9所示，图6为本申请实施例提供的一种碳化硅MOSFET器件的三维视图，图7为图6所示碳化硅MOSFET器件中隔层阱区、沟槽、掺杂区域以及连接区域的俯视版图，图8为图6所示碳化硅MOSFET器件在垂直于沟槽延伸方向上的第一切面图，图9为图6所示碳化硅MOSFET器件在垂直于沟槽延伸方向上的第二切面图。其中，图8的切面穿过于掺杂区域17两侧两个相对的所述连接区域32，图9的切面穿过第一方向X上相邻的两个所述连接区域32之间的间隔区域内。
如图6所示，所述第一层阱区141包括：分别位于所述沟槽20两侧的第一部分第一层阱区141a和第二部分第一层阱区141b；所述第一部分第一层阱区141a通过至少一个所述连接区域32与所述掩蔽层31连接，和/或，所述第二部分第一层阱区141b通过至少一个所述连接区域32与所述掩蔽层31连接。
为了提高连接可靠性和稳定性，降低连接阻抗，结合图6和图7所示，设置所述第一部分第一层阱区141a通过在第一方向X上依次排布的多个所述连接区域32与所述掩蔽层31连接，和/或，所述第二部分第一层阱区141b通过在第一方向X上依次排布的多个所述连接区域32与所述掩蔽层31连接；其中，所述第一方向X平行于所述基底10，且平行于所述沟槽20的延伸方向。
对于一所述沟槽20，可以设置所述沟槽的下方具有至少一个掺杂区域17，当所述沟槽20下方具有多个掺杂区域17时，多个所述掺杂区域17在第一方向X上依次排布，掺杂区域17的数量包括但不局限于图7所示的2个，可以基于需求设置为任意多个。为了保证沟槽栅极底部的保护效果，设置所述掩蔽层31为整块结构，位于沟槽20的下方，由沟槽20的一端延伸至另一端。
结合图6和图7所示，所述第二层阱区142包括：分别位于所述沟槽20两侧的第一部分第二层阱区和第二部分第二层阱区；所述第一部分第二层阱区与所述第二部分第二层阱区分别为一体结构。
如图10和图11所示，图10为本申请实施例提供的另一种碳化硅MOSFET器件的三维视图，图11为图10所示碳化硅MOSFET器件中隔层阱区、沟槽、掺杂区域以及连接区域的俯视版图，该方式中，所述第二层阱区142包括：分别位于所述沟槽20两侧的第一部分第二层阱区142a和第二部分第二层阱区142b；所述第一部分第二层阱区142a与所述第二部分第二层阱区142b均包括多个在第一方向X上依次排布的子区域33；在所述第一方向X上，相邻两个所述子区域33之间具有与所述子区域33掺杂类型相反的电流扩展区域34。所述部分外延层100包括所述电流扩展区域34。
以第一层阱区141是P型为例，第一层阱区141反型为N沟道时，电流向第二层阱区142边界扩展，第二层阱区142相邻两个子区域33之间的电流扩展区域34可以扩展电流，进而可以降低电阻，降低损耗。
在上述实施例中，对于同一所述连接区域32，所述连接区域32由所述沟槽20的底部至少延伸至所述第一层阱区141内。此时，在垂直于基底10的方向上，沟槽20完全遮挡连接区域32。
如图12所示，图12为本申请实施例提供的又一种碳化硅MOSFET器件的结构示意图，在上述实施例的基础上，图12所示方式中，所述连接区域32的一部分由所述沟槽20的底部至少延伸至所述第一层阱区141内，另一部分由所述外延层的表面沿着所述沟槽20的侧壁至少延伸至所述第一层阱区141内。此时，槽20部分遮挡连接区域32。该方式可以使得掩蔽层31更好的与源区15连接，降低连接阻抗。
本申请实施例中，基于所述沟槽20，通过离子注入形成所述连接区域32，设置离子注入区域位于所述沟槽20内，且与所述沟槽20的侧壁无交叠，则所述连接区域32会完全位于所述沟槽20的下方，如果离子注入区域靠近沟槽20的一侧且与该侧侧壁具有预设的入射夹角，则可形成如图12所示结构。
本申请实施例中，连接区域32下端至少延伸至第一层阱区141内，也可以向下穿过第一层阱区141。
需要说明的是，本申请实施例附图中，仅是示出了MOSFET器件的一个元胞结构。实际产品中，所述MOSFET器件可以具有多个元胞结构。可以根据需求设置元胞数量以及布局方式，本申请实施例对此不作具体限定。
所述碳化硅MOSFET器件中，所述第三外延层13的厚度不超过1μm，这样第二层阱区142和第三层阱区143的离子注入深度均不超过1μm，能够通过离子注入在碳化硅材料的第三外延层13内形成第二层阱区142和第三层阱区143，且不造成晶格损伤。
本申请实施例中，所述沟槽20的底部与所述第一外延层11的距离小于1μm，以使得基于沟槽进行离子注入形成掺杂区17时，使得掺杂区17的离子注入深度小于1μm，能够通过离子注入在碳化硅材料的第二外延层12内形成掺杂区17，且不造成晶格损伤。掺杂区17和沟槽底部具有非零间距。
上述实施例附图中，在所述沟槽20的底部指向开口的方向上，所述沟槽20的宽度满足均匀条件，即所述沟槽的宽度在该方向上均相同或是近似相同，也就是说，所述沟槽20为矩形沟槽。一般的第二外延层12为厚度均匀的外延层，设置所述沟槽的宽度满足均匀条件，便于形成在所述方向上宽度均匀的掺杂区17。
其他方式中，在所述沟槽的底部指向开口的方向上，还可以设置所述沟槽20的宽度逐渐增大，即所述沟槽为V型槽或是倒梯形槽。如果是V型沟槽，掺杂区17为V型结构，如果为倒梯形沟槽，在离子注入窗口大于沟槽底部时，掺杂区如图11所示为倒梯形结构，如果离子注入窗口不大于沟槽底部，掺杂区为矩形结构。
本申请实施例中，所述掺杂区17的宽度不大于所述沟槽的宽度，以便于能够基于所述沟槽进行离子注入形成所述掺杂区17，以降低离子注入的深度。
所述掺杂区17的掺杂浓度大于所述第一外延层11与所述第三外延层13的掺杂浓度。如，所述掺杂区17为n+掺杂，所述第一外延层11与所述第三外延层13为n-掺杂。
所述基底10为n+型基底，所述第二外延层12为p-型掺杂，所述掺杂区17为n型掺杂。本申请实施例中，掺杂浓度大小关系为n+＞n＞n-，p+＞p＞p-。n-、n和n+为同型掺杂，都是第一类型掺杂。p-、p和p+为同型掺杂，都是第二类型掺杂。第一类型掺杂与第二类型掺杂为反型掺杂。
所述碳化硅MOSFET器件可以为NMOS或是PMO，可以基于需求设置各区域掺杂类型，以形成NMOS或是PMOS。
基于上述实施例，本申请另一实施例还提供了一种制作方法，用于制作上述实施例所述的碳化硅MOSFET器件，如图13-图19所示，图13-图19为本申请实施例提供的一种碳化硅MOSFET器件制作方法的工艺流程图，所述制作方法包括
步骤S11：如图13所示，提供外延片，所述外延片包括：半导体基底10；设置在所述基底表面的外延层。
其中，所述外延片为碳化硅外延片，所述基底10及其表面的各个外延层均为碳化硅材料。
步骤S12：如图5-图12任一种方式所示，在所述外延层内形成阱区、源区15和沟槽栅极。
其中，所述沟槽栅极包括位于所述外延层背离所述基底10一侧表面内的沟槽20；位于所述沟槽20内的栅极，所述栅极与所述沟槽20之间具有栅介质层181；
所述源区15包围所述沟槽20且与所述沟槽20的侧壁接触；
所述阱区包括：在所述基底10指向所述源区15方向上依次设置的第一层阱区141、第二层阱区142和第三层阱区143；所述沟槽20的底部位于所述第一层阱区141与所述第三层阱区143之间；所述第三层阱区143包围所述沟槽20且与所述沟槽20的侧壁接触；所述沟槽20下方的外延层内具有掺杂区域17，所述第一层阱区141包围所述掺杂区域17且与所述掺杂区域17接触；所述第一层阱区141与所述第三层阱区143之间具有部分外延层100，所述第二层阱区142位于所述部分外延层100的两侧；所述部分外延层100内具有用于保护所述沟槽栅极底部的掩蔽层31；所述掩蔽层31位于所述沟槽20的下方，且与各层阱区的掺杂类型相同。
如图13所示，所述外延层包括；设置在所述基10底表面的第一外延层11；设置在所述第一外延层11背离所述基底10一侧表面的第二外延层12；设置在所述第二外延层12背离所述第一外延层11一侧表面的第三外延层13；所述第二外延层12具有待注入区140以及包围所述待注入区140的第一层阱区141。
所述MOSFET器件中，阱区结构包括：第一层阱区141、第二层阱区142和第三层阱区143。所述第二外延层12具有待注入区以及包围所述待注入区的第一层阱区141；所述待注入区140用于形成所述掺杂区17。
本申请实施例所述制作方法中，所述外延片的制作方法包括：在所述基底10表面依次外延形成所述第一外延层11、所述第二外延层12以及所述第三外延层13；其中，所述第一外延层11与所述第三外延层13的掺杂类型相同，且与所述第二外延层12为反型掺杂。
可以设置所述基底10为n+型掺杂的碳化硅基底，所述第一外延层11以及所述第三外延层13均为n-型掺杂的碳化硅外延层，所述第二外延层12为p型掺杂的碳化硅外延层。如是，p型掺杂的第二外延层12为掩埋层，巧妙的采用具有该掩埋层的外延片，利用栅极18所需的沟槽20，进行离子注入，形成掺杂区17，从而解决了沟槽栅极结构的屏蔽以及碳化硅材料注入工艺的难度。而且所述掺杂区17可以在器件电流通路中形成可以调制的JFET结构，自动调节器件电阻和自锁保护效应的同时还能够具有较小的器件元胞尺寸。
上述步骤S12中，在所述外延层内形成阱区、源区15和沟槽栅极，包括：
步骤S121：如图14-图16所示，在所述第三外延层背离所述基底的一侧表面内形成所述源区、所述第二层阱区和所述第三层阱区。
该步骤中，通过离子注入，在所述第三外延层13内依次形成第二层阱区142、第三层阱区143以及源区15；所述第二层阱区142位于所述第一层阱区141与所述第三层阱区143之间，所述源区15位于所述第三层阱区143背离所述第二层阱区142的一侧。
具体的，如图14所示，基于掩膜层01，进行离子注入，在第三外延层13内形成第二层阱区142，第二层阱区142包围一非注入区，该非注入区包括上述部分外延层100。基于图形化的所述掩膜层01形成所需的非注入区。沟槽20以及掺杂区17的垂直投影均在该非注入区内，且在平行于所述外延片的方向(即图14的水平方向)上，与该非注入区具有间距。进一步的，如图15所示，再次通过离子注入，在第二层阱区142上形成第三层阱区143，第三层阱区143覆盖第二层阱区142及其包围的非注入区。进一步的，如图16所示，再次通过离子注入，在第三层阱区143上形成源区15。
步骤S122：如图17所示，在所述第三外延层13背离所述基底10的一侧表面内形成所述沟槽20；所述沟槽20的底部位于所述第二外延层12与所述第三层阱区143之间。
其中，所述源区15以及所述第三层阱区143均与所述沟槽20的侧壁接触；通过离子注入形成源区15时，离子注入区覆盖用于形成沟槽20的区域，故后续形成沟槽后，可以使得未被去除的源区15直接和沟槽20的侧壁接触。同样，通过离子注入形成第三层阱区143时，离子注入区覆盖用于形成沟槽20的区域，故后续形成沟槽后，可以使得未被去除的第三层阱区143直接和沟槽20的侧壁接触。
所述第二层阱区142与所述沟槽20的侧壁具有间距。设置所述第二层阱区142所包围的非注入区的尺寸大于所述沟槽20的尺寸，设置所述沟槽20的垂直投影位于所述非注入区内，且与所述非注入区具有间距，即可以使得所述第二层阱区142与所述沟槽20的侧壁不接触，使得二者之间具有间距。
步骤S123：如图18所示，基于所述沟槽形成所述掩蔽层31以及所述掺杂区域17。
所述掺杂区17、所述第一外延层11与所述第三外延层13的掺杂类型相同。
基于所述沟槽20，通过离子注入形成所述掩蔽层31以及所述掺杂区域17，能够在外延层较大深度内形成满足质量需求的所述掩蔽层31以及所述掺杂区域17。第一层阱区141为外延层，无需离子注入即可在外延层较大深度内形成所需第一层阱区141。所述掺杂区17贯穿所述第二外延层12。
步骤S124：如图19所示，基于所述沟槽20，形成连接所述掩蔽层31与所述第一层阱区141的连接区域32。
可以通过离子注入形成连接区域32。基于所述沟槽，通过离子注入形成所述连接区域32，能够在外延层较大深度内形成满足质量需求的连接区域32。
步骤S125：在所述沟槽20内形成栅介质层181和栅极18，以形成上述实施例所述的碳化硅MOSFET器件。
栅极18包括填充沟槽20的填充介质以及位于填充介质表面的金属栅极。所述沟槽20表面具有栅极介质层181，形成栅极介质层181后，在所述沟槽20内形成栅极18。填充介质181可以为多晶硅等。在所述沟槽20内形成栅极介质层181前，形成掺杂区17。
本申请实施例中，所述制作方法还包括：形成与所述源区15连接的金属源极21；在所述基底10背离所述第一外延层11的一侧表面形成金属漏极19。所述源区15包括掺杂类型相反的第一区域151和第二区域152，所述金属源极21与第一区域151和第二区域152均接触。可以设置第一区域151是n+掺杂，第二区域152为p+掺杂。
如图20所示，图20为本申请实施例提供的一种碳化硅MOSFET器件在沟槽设计与掺杂区离子注入面积的版图，掺杂区17的注入窗口位于沟槽20内，JFET结构的通道特性，可以由掺杂区17的图形设计、离子注入浓度以及图形轮廓设计进行调整。掺杂区17的注入窗口面积可以小于或是等于沟槽20的面积。
本申请实施例中仅是以单个元胞结构对碳化硅MOSFET器件进行说明。显然在制作所述MOSFET器件时可以基于晶圆级工艺同时制作多个元胞结构，然后分割晶圆形成所述碳化硅MOSFET器件，所述碳化硅MOSFET器件具有多个元胞结构。
本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
需要说明的是，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“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申请和简化描述，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申请的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (13)
1.一种的碳化硅MOSFET器件，其特征在于，包括：
外延片，所述外延片包括：半导体基底；设置在所述基底表面的外延层；
设置在所述外延层内的阱区、源区以及沟槽栅极；
其中，所述沟槽栅极包括位于所述外延层背离所述基底一侧表面内的沟槽；位于所述沟槽内的栅极，所述栅极与所述沟槽之间具有栅介质层；
所述源区包围所述沟槽且与所述沟槽的侧壁接触；
所述阱区包括：在所述基底指向所述源区方向上依次设置的第一层阱区、第二层阱区和第三层阱区；所述沟槽的底部位于所述第一层阱区与所述第三层阱区之间；所述第三层阱区包围所述沟槽且与所述沟槽的侧壁接触；所述沟槽下方的外延层内具有掺杂区域，所述第一层阱区包围所述掺杂区域且与所述掺杂区域接触；所述第一层阱区与所述第三层阱区之间具有部分外延层，所述第二层阱区位于所述部分外延层的两侧；所述部分外延层内具有用于保护所述沟槽栅极底部的掩蔽层；所述掩蔽层位于所述沟槽的下方，且与各层阱区的掺杂类型相同。
2.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述掺杂区域在所述基底的垂直投影位于所述沟槽在所述基底的垂直投影内；
所述沟槽在所述基底的垂直投影位于所述部分外延层在所述基底的垂直投影内，且两个所述垂直投影具有非零间距。
3.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述部分外延层内还具有连接所述掩蔽层和所述第一层阱区的连接区域，所述连接区域与各层阱区的掺杂类型相同。
4.根据权利要求3所述的碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述第一层阱区包括：分别位于所述沟槽两侧的第一部分第一层阱区和第二部分第一层阱区；
所述第一部分第一层阱区通过在第一方向上依次排布的多个所述连接区域与所述掩蔽层连接，和/或，所述第二部分第一层阱区通过在第一方向上依次排布的多个所述连接区域与所述掩蔽层连接；
其中，所述第一方向平行于所述基底，且平行于所述沟槽的延伸方向。
5.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述沟槽的下方至少具有一个所述掺杂区域；
当具有多个所述掺杂区域时，多个所述掺杂区域在第一方向上依次排布，其中，所述第一方向平行于所述基底，且平行于所述沟槽的延伸方向。
6.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET器件，其特征在于，在垂直于所述基底的方向上，所述掩蔽层到所述沟槽底部的距离小于到所述第一层阱区的距离。
7.根据权利要求6所述的碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述掩蔽层与所述沟槽底部接触。
8.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述第二层阱区包括：分别位于所述沟槽两侧的第一部分第二层阱区和第二部分第二层阱区；
所述第一部分第二层阱区与所述第二部分第二层阱区分别为一体结构。
9.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述第二层阱区包括：分别位于所述沟槽两侧的第一部分第二层阱区和第二部分第二层阱区；
所述第一部分第二层阱区与所述第二部分第二层阱区均包括多个在第一方向上依次排布的子区域；在所述第一方向上，相邻两个所述子区域之间具有与所述子区域掺杂类型相反的电流扩展区域；其中，所述第一方向平行于所述基底，且平行于所述沟槽的延伸方向。
10.根据权利要求1所述的碳化硅MOSFET器件，其特征在于，各层阱区、所述掩蔽层以及所述连接区域的掺杂类型相同，且所述连接区域的掺杂浓度大于各层阱区的掺杂浓度。
11.根据权利要求3所述的碳化硅MOSFET器件，其特征在于，对于同一所述连接区域，所述连接区域由所述沟槽的底部至少延伸至所述第一层阱区内，或，所述连接区域的一部分由所述沟槽的底部至少延伸至所述第一层阱区内，另一部分由所述外延层的表面沿着所述沟槽的侧壁至少延伸至所述第一层阱区内。
12.一种如权利要求1-11任一项所述碳化硅MOSFET器件的制作方法，其特征在于，包括：
提供外延片，所述外延片包括：半导体基底；设置在所述基底表面的外延层；
在所述外延层内形成阱区、源区和沟槽栅极；
其中，所述沟槽栅极包括位于所述外延层背离所述基底一侧表面内的沟槽；位于所述沟槽内的栅极，所述栅极与所述沟槽之间具有栅介质层；
所述源区包围所述沟槽且与所述沟槽的侧壁接触；
所述阱区包括：在所述基底指向所述源区方向上依次设置的第一层阱区、第二层阱区和第三层阱区；所述沟槽的底部位于所述第一层阱区与所述第三层阱区之间；所述第三层阱区包围所述沟槽且与所述沟槽的侧壁接触；所述沟槽下方的外延层内具有掺杂区域，所述第一层阱区包围所述掺杂区域且与所述掺杂区域接触；所述第一层阱区与所述第三层阱区之间具有部分外延层，所述第二层阱区位于所述部分外延层的两侧；所述部分外延层内具有用于保护所述沟槽栅极底部的掩蔽层；所述掩蔽层位于所述沟槽的下方，且与各层阱区的掺杂类型相同。
13.根据权利要求12所述的制作方法，其特征在于，所述外延层包括；设置在所述基底表面的第一外延层；设置在所述第一外延层背离所述基底一侧表面的第二外延层；设置在所述第二外延层背离所述第一外延层一侧表面的第三外延层；所述第二外延层具有待注入区以及包围所述待注入区的第一层阱区；
在所述外延层内形成阱区、源区和沟槽栅极，包括：
在所述第三外延层背离所述基底的一侧表面内形成所述源区、所述第二层阱区和所述第三层阱区；
在所述第三外延层背离所述基底的一侧表面内形成所述沟槽；
基于所述沟槽形成所述掩蔽层以及所述掺杂区域；
基于所述沟槽，形成连接所述掩蔽层与所述第一层阱区的连接区域；
在所述沟槽内形成栅介质层和栅极。
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