CN116525678A - 新型低比导通电阻碳化硅场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体技术领域，具体提供一种新型低比导通电阻碳化硅场效应晶体管，用以解决传统SiC MOSFET器件的沟道反型层电子迁移率较低的问题。本发明通过利用积累层作为导电沟道的设计，能实现了沟道区域积累层高电子迁移率，在保证相对于传统碳化硅MOSFET有同样的耐压等级的基础上，极大降低了器件的比导通电阻，大大改善了功率器件的击穿电压与比导通电阻之间的折衷关系；并且，器件具有简易的工艺流程和较少的离子注入工艺，避免了离子注入带来的高成本、晶格损伤等问题，也实现了器件性能的大幅度提升；另外，进一步实现了器件的反向续流能力，极大地丰富了器件的电路可应用场景，以及降低了应用成本。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体提供一种新型结构的低比导通电阻碳化硅(SiC)积累型沟道场效应晶体管功率器件。
背景技术
碳化硅(SiC)作为具有独特物理和化学特性的Ⅳ-Ⅳ族化合物材料，硅原子和碳原子间的强化学键赋予了该材料非常高的硬度、化学稳定性和高的热导率。碳化硅材料的禁带(3.26eV)约为硅(1.12eV)的3倍，这样的宽禁带特性一方面带来了极低的本征载流子浓度，体现在器件的优势就是可以承受更高的结温，使得器件可以应用在高温条件下；另一方面也带来了高的击穿电场强度，这也就意味着在相同的击穿电压下器件的耐压区厚度(或宽度)更小，电流密度更大，比导通电阻更低。衡量功率器件的一个关键参数：巴利加优值的表达式为FOM＝VB 2/RON,sp，其中，VB表示器件的击穿电压，RON,sp表示器件的比导通电阻；然而，更高的击穿电压需要降低耐压区域的掺杂浓度，随之器件的比导通电阻则会增大；由此可见，如何平衡这两者之间的折衷关系是功率器件设计的一大重点。
碳化硅场效应晶体管在实际的生产过程却存在着SiC/SiO2系统有着非常高界面态密度的问题，尽管有许多的工艺方法被提出来用来优化这一类问题，但是这些方法大大增加了工艺流程的复杂性以及成产成本。对于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)来说，还存在着由于SiC/SiO2系统存在高界面态密度从而导致低反型层电子迁移率(通常约为20～50cm2·v-1·s-1)的问题，现有的各种工艺手段仍然难以实现MOSFET反型层电子迁移率的大幅度提高。目前，通过合理的器件结构的设计，SiCMOSFET器件的耐压已经可以达到近乎其理论边界，但沟道区域由于其较低的反型层电子迁移率严重抑制了器件比导通电阻的进一步下降。
发明内容
本发明的目的在于针对传统SiC MOSFET器件的沟道反型层电子迁移率较低的问题，提出一种新型低通态电阻碳化硅(SiC)积累型沟道场效应晶体管；本发明中积累型SiCMOSFET器件实现了沟道区域积累层高电子迁移率(150～200cm2·v-1·s-1)设计，从而极大的降低了沟道区域的电阻，进而极大的改善了器件击穿电压与比导通电阻之间的折衷关系；并且，本发明中积累型SiCMOSFET器件以其简易的工艺流程和较少的离子注入工艺展现出极大的潜力，一定程度上避免了离子注入带来的高成本、晶格损伤等问题，同时也实现了器件性能的大幅度提升；另外，考虑到器件在电路中的应用场景，实现积累型场效应晶体管的常关能力十分必要，并在积累型SiC MOSFET器件的基础上进一步改进实现了器件的反向续流能力，极大地丰富了器件的电路可应用场景，以及降低了应用成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
新型低比导通电阻碳化硅积累型沟道场效应晶体管，其特征在于，包括：
第一导电类型重掺杂碳化硅衬底1，位于第一导电类型重掺杂碳化硅衬底1下方的金属化漏极8、且二者形成欧姆接触，位于第一导电类型重掺杂碳化硅衬底1上方的第一导电类型轻掺杂碳化硅区2，以及位于第一导电类型轻掺杂碳化硅区2上方的金属化源极7；
第一导电类型轻掺杂碳化硅区2内设置有2个第二导电类型掺杂碳化硅区3、4个第二导电类型重掺杂多晶硅栅极或氧化镍栅极4与3个第一导电类型重掺杂碳化硅区5，其中，4个第二导电类型重掺杂多晶硅栅极或氧化镍栅极等间距排布、且每个第二导电类型重掺杂多晶硅栅极或氧化镍栅极均包裹于栅氧化层6中，3个第一导电类型重掺杂碳化硅区分别设置于相邻栅氧化层之间、且上方均与金属化源极形成欧姆接触，2个第二导电类型掺杂碳化硅区分别设置于位于两侧的栅氧化层的下方。
进一步的，第二导电类型掺杂碳化硅区3与其上方的栅氧化层之间还设置有肖特基金属区9，肖特基金属区9连接金属化源极、且与第一导电类型轻掺杂碳化硅区2形成肖特基势垒二极管。
进一步的，第二导电类型掺杂碳化硅区3与其上方的栅氧化层之间还设置有硅区，硅区与第一导电类型轻掺杂碳化硅区2形成硅/碳化硅异质结二极管，硅区外表面设置金属化源极。
进一步的，第二导电类型掺杂碳化硅区3与其上方的栅氧化层之间还设置有多晶硅区，多晶硅区与第一导电类型轻掺杂碳化硅区2形成多晶硅/碳化硅异质结二极管，多晶硅区外表面设置金属化源极。
需要说明的是：上述所有器件中，第一导电类型是N型，第二导电类型是P型；而第一导电类型和第二导电类型根据设计需要可以相互切换。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了常关型的低比导通电阻的高压碳化硅积累型场效应晶体管、常关型的低比导通电阻并集成肖特基势垒二极管的高压碳化硅积累型场效应晶体管，常关型的低比导通电阻并集成硅/碳化硅或多晶硅/碳化硅异质结二极的高压碳化硅积累型场效应晶体管，这些结构通过利用积累层作为导电沟道的，在保证相对于传统碳化硅MOSFET有同样的耐压等级的基础上，极大降低了器件的比导通电阻，大大改善了功率器件的击穿电压与比导通电阻之间的折衷关系。
附图说明
图1为本发明实施例1中新型常关低比导通电阻的高压碳化硅积累型场效应晶体管的元胞(剖面)结构示意图；
图2为本发明实施例2中新型常关低比导通电阻的高压碳化硅积累型场效应晶体管的元胞(剖面)结构示意图；
图3为本发明实施例3中新型常关低比导通电阻的高压碳化硅积累型场效应晶体管的元胞(剖面)结构示意图；
其中，1为N型重掺杂碳化硅衬底，2为N型轻掺杂碳化硅区，3为P型掺杂碳化硅区，4为P型重掺杂多晶硅栅极，5为N型重掺杂碳化硅区，6为栅氧化层，7为金属化源极(S)，8为金属化漏极(D)，9为肖特基金属区，10为硅/多晶硅区。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清晰明白，下面将结合附图和实施例对本发明进行清楚、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方式，而不是全部的实施方式。
实施例1
本实施例提供了一种新型常关低比导通电阻的碳化硅积累型场效应晶体管，其元胞结构如图1所示，具体包括：
N型重掺杂碳化硅衬底1，位于N型重掺杂碳化硅衬底1下方的金属化漏极8(D)、且二者形成欧姆接触，位于N型重掺杂碳化硅衬底1上方的N型轻掺杂碳化硅区2，以及位于N型轻掺杂碳化硅区2上方的金属化源极7(S)；
N型轻掺杂碳化硅区2内设置有2个P型掺杂碳化硅区3、4个P型重掺杂多晶硅栅极4(G)与3个N型重掺杂碳化硅区5，其中，4个P型重掺杂多晶硅栅极等间距排布、且每个P型重掺杂多晶硅栅极均包裹于栅氧化层6中，3个N型重掺杂碳化硅区分别设置于相邻栅氧化层之间、且上方均与金属化源极形成欧姆接触，2个P型掺杂碳化硅区分别设置于位于两侧的栅氧化层的下方。
需要说明的是，如图1所示仅为元胞结构示意图，从一个完整的元胞考虑，左右两侧的栅极在图中为完整栅极的一半；其中，d1表示相邻栅氧化层之间的间距、即为器件的沟道宽度，d2表示包裹了P型重掺杂多晶硅栅极的栅氧化层的宽度。
本实施例的工作原理在于：当器件处于反向关断状态时，4个P型重掺杂多晶硅栅极(G)会使得相邻P型重掺杂多晶硅栅极之间的N型轻掺杂碳化硅区(即：器件沟道区域)的能带发生弯曲，从而建立电子的势垒，阻断电子从源极(S)向漏极(D)的流动，进而实现器件的常关能力；并且，位于N型轻掺杂碳化硅区内的2个P型掺杂碳化硅区会对二者之间的N型轻掺杂碳化硅区耗尽，通过对沟道宽度d1与栅极宽度d2的合理设计可以保证在漏极(d)加超高电位时不会有高电位赋予沟道、从而产生器件的非理想开启。当器件处于正向导通状态时，高于阈值的正向栅极电压加在多晶硅栅极上，沟道区域的能带弯曲成电子的势阱，从而形成高迁移率的电子积累层，电子从源极(S)流向漏极(D)。
仿真结果表明，对于1200V耐压等级的器件，本实施例提出的碳化硅积累型MOSFET器件可以实现大于1V的正向阈值电压；相较于同耐压级别的传统SiCMOSFET器件，比导通电阻下降高达60％以上。
实施例2
本实施例提供一种新型常关低比导通电阻的碳化硅积累型场效应晶体管，其元胞结构如图2所示；其与实施例1的唯一区别在于：集成肖特基势垒二极管，具体而言：P型掺杂碳化硅区3与其上方的栅氧化层之间还设置有肖特基金属区9，肖特基金属区9连接金属化源极7(S)、且与N型轻掺杂碳化硅区2形成肖特基势垒二极管。
本实施例的工作原理在于：当器件处于反向关断状态时，4个P型重掺杂多晶硅栅极(G)会使得相邻P型重掺杂多晶硅栅极之间的N型轻掺杂碳化硅区(即：器件沟道区域)的能带发生弯曲，从而建立电子的势垒，阻断电子从源极(S)向漏极(D)的流动；同时，电子也被肖特基金属区(金属源极)与N型轻掺杂碳化硅区形成的肖特基势垒所阻断，共同实现器件的常关能力；并且，位于N型轻掺杂碳化硅区内的2个P型掺杂碳化硅区会对二者之间的N型轻掺杂碳化硅区耗尽，通过对沟道宽度d1与栅极宽度d2的合理设计可以保证在漏极(d)加超高电位时不会有高电位赋予沟道、从而产生器件的非理想开启。当器件处于正向导通状态时，高于阈值的正向栅极电压加在多晶硅栅极上，沟道区域的能带弯曲成电子的势阱，从而形成高迁移率的电子积累层，电子从源极(S)流向漏极(D)。当器件处于反向逆导通状态时，电子从漏极(D)流向肖特基金属区(金属源极)，实现了器件的反向续流能力。
仿真结果表明，本实施例提出的碳化硅积累型MOSFET可以实现大于1V的正向阈值电压；相较于同耐压(如1200V)级别的传统SiCMOSFET器件，比导通电阻下降高达60％以上；集成的肖特基势垒二极管实现了碳化硅积累型MOSFET的反向续流能力，且相较于传统SiCMOSFET器件的体二极管，由于没有少子的注入实现了更优秀的反向续流能力。
实施例3
本实施例提供一种新型常关低比导通电阻的碳化硅积累型场效应晶体管，其元胞结构如图3所示；其与实施例1的唯一区别在于：集成硅/碳化硅或多晶硅/碳化硅异质结二极管，具体而言：P型掺杂碳化硅区3与其上方的栅氧化层之间还设置有硅或多晶硅区10，硅与N型轻掺杂碳化硅区2形成硅/碳化硅异质结二极管、或者多晶硅与N型轻掺杂碳化硅区2形成多晶硅/碳化硅异质结二极管，硅或多晶硅区外表面设置金属化源极(S)。
本实施例的工作原理在于：当器件处于反向关断状态时，4个P型重掺杂多晶硅栅极(G)会使得相邻P型重掺杂多晶硅栅极之间的N型轻掺杂碳化硅区(即：器件沟道区域)的能带发生弯曲，从而建立电子的势垒，阻断电子从源极(S)向漏极(D)的流动；同时，电子也被硅/碳化硅异质结势垒或多晶硅/碳化硅异质结势垒所阻断，共同实现器件的常关能力；并且，位于N型轻掺杂碳化硅区内的2个P型掺杂碳化硅区会对二者之间的N型轻掺杂碳化硅区耗尽，通过对沟道宽度d1与栅极宽度d2的合理设计可以保证在漏极(d)加超高电位时不会有高电位赋予沟道、从而产生器件的非理想开启。当器件处于正向导通状态时，高于阈值的正向栅极电压加在多晶硅栅极上，沟道区域的能带弯曲成电子的势阱，从而形成高迁移率的电子积累层，电子从源极(S)流向漏极(D)。当器件处于反向逆导通状态时，电子从漏极(D)流向硅或多晶硅区外表面的金属化源极，实现了器件的反向续流能力。
仿真结果表明，本实施例提出的碳化硅积累型MOSFET可以实现大于1V的正向阈值电压；相较于同耐压(如1200V)级别的传统SiC MOSFET器件，比导通电阻下降高达60％以上；集成的硅/碳化硅或多晶硅/碳化硅异质结实现了碳化硅积累型MOSFET的反向续流能力。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (5)
1.新型低比导通电阻碳化硅场效应晶体管，其特征在于，包括：
第一导电类型重掺杂碳化硅衬底(1)，位于第一导电类型重掺杂碳化硅衬底(1)下方的金属化漏极(8)、且二者形成欧姆接触，位于第一导电类型重掺杂碳化硅衬底(1)上方的第一导电类型轻掺杂碳化硅区(2)，以及位于第一导电类型轻掺杂碳化硅区(2)上方的金属化源极(7)；
第一导电类型轻掺杂碳化硅区(2)内设置有2个第二导电类型掺杂碳化硅区(3)、4个第二导电类型重掺杂多晶硅栅极(4)与3个第一导电类型重掺杂碳化硅区(5)，其中，4个第二导电类型重掺杂多晶硅栅极等间距排布、且每个第二导电类型重掺杂多晶硅栅极均包裹于栅氧化层(6)中，3个第一导电类型重掺杂碳化硅区分别设置于相邻的栅氧化层之间、且上方均与金属化源极形成欧姆接触，2个第二导电类型掺杂碳化硅区分别设置于位于两侧的栅氧化层的下方。
2.按权利要求1所述新型低比导通电阻碳化硅场效应晶体管，其特征在于，第二导电类型掺杂碳化硅区(3)与其上方的栅氧化层之间还设置有肖特基金属区(9)，肖特基金属区(9)连接金属化源极、且与第一导电类型轻掺杂碳化硅区(2)形成肖特基势垒二极管。
3.按权利要求1所述新型低比导通电阻碳化硅场效应晶体管，其特征在于，第二导电类型掺杂碳化硅区(3)与其上方的栅氧化层之间还设置有硅区，硅区与第一导电类型轻掺杂碳化硅区(2)形成硅/碳化硅异质结二极管，硅区外表面设置金属化源极。
4.按权利要求1所述新型低比导通电阻碳化硅场效应晶体管，其特征在于，第二导电类型掺杂碳化硅区(3)与其上方的栅氧化层之间还设置有多晶硅区，多晶硅区与第一导电类型轻掺杂碳化硅区(2)形成多晶硅/碳化硅异质结二极管，多晶硅区外表面设置金属化源极。
5.按权利要求1所述新型低比导通电阻碳化硅场效应晶体管，其特征在于，第二导电类型重掺杂多晶硅栅极(4)可替换为氧化镍栅极。
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| CN117673159A (zh) * | 2024-01-31 | 2024-03-08 | 深圳天狼芯半导体有限公司 | 异质结碳化硅mosfet及其制备方法、芯片 |
| CN117673158A (zh) * | 2024-01-31 | 2024-03-08 | 深圳天狼芯半导体有限公司 | 碳化硅mosfet及其制备方法、芯片 |
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