CN117293173B - 一种横向功率mosfet器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于MOSFET器件技术领域，具体涉及一种横向功率MOSFET器件及其制造方法，包括基板和外壳，所述基板上表面连接有衬底，所述衬底上表面连接有外延层，所述外延层上表面连接有漂移区，所述漂移区上表面从左至右依次设置有源极和漏极，所述漂移区上表面位于源极和漏极之间设置有填充层，所述填充层内设置有栅极，所述栅极为弯曲形设置，所述栅极上表面设置有第一钝化层和第二钝化层；所述源极上表面设置有源极金属层，所述漏极上表面设置有漏极金属层，所述源极和漏极上表面与源极金属层和漏极金属层之间均设置有第一导热片。本发明能够有效改善电流穿过栅极时的特性，提升MOS管的导通能力和开关速度，同时具备良好的散热性能。
Description
技术领域
本发明属于MOSFET器件技术领域，具体涉及一种横向功率MOSFET器件及其制造方法。
背景技术
MOSFET在工业中有广泛的应用，主要用在逻辑电路，放大电路，功率电路等方面。普遍应用于功率电路，用于驱动大功率电子设备，如摩托车，电动车，加速器等。MOSFET也被广泛应用在信息处理中，为制造硬件加速器提供了可能性。此外，许多专用晶体管都是基于MOSFET技术。
随着MOS器件的特征尺寸不断缩小，其源极、漏极和栅极的尺寸也在缩小，而栅级的主要作用是通过施加电压控制MOS管的导电性能，若栅极的长度缩减时，MOS管栅极电压太低会导致mos管导通不完全，内阻增大，发热量增加；其次，MOS管栅极电压太低影响电阻，电压越低电阻越大，会导致保险丝烧断，因此传统的栅极长度往往较短，使得MOS管的寿命处于不稳定状态；
另一方面，若多个MOS管在电路板上集成使用时，通常为了增加MOS管的散热性能，会在其上侧连接散热片对其进行散热，但多个MOS管集成使用的情况往往较低，若MOS管独立使用时，电流经过源极、栅极和漏极时，产生的热量往往需要通过MOS管外壳将热量排出，若MOS管长期处于高温状态下运行，其内部材料会受到热应力影响，降低其使用寿命，并且过高的温度还会影响MOS管的导通能力和开关速度。
发明内容
本发明的目的是提供一种横向功率MOSFET器件及其制造方法，能够有效改善电流穿过栅极时的特性，提升MOS管的导通能力和开关速度，同时具备良好的散热性能。
本发明采取的技术方案具体如下：
一种横向功率MOSFET器件，包括基板和外壳，所述基板上表面连接有衬底，所述衬底上表面连接有外延层，所述外延层上表面连接有漂移区，所述漂移区上表面从左至右依次设置有源极和漏极，所述漂移区上表面位于源极和漏极之间设置有填充层，所述填充层内设置有栅极，所述栅极为弯曲形设置，所述栅极上表面设置有第一钝化层和第二钝化层；
所述源极上表面设置有源极金属层，所述漏极上表面设置有漏极金属层，所述源极和漏极上表面与源极金属层和漏极金属层之间均设置有第一导热片，所述源极金属层和漏极金属层均贯穿第一导热片分别与源极和漏极导通；
所述基板位于外壳内部，所述外壳端面设置有导通触点，所述外壳远离导通触点一端端面固定连接有体端子，所述体端子侧壁开设有圆孔，所述体端子侧壁设置有散热组件。
所述散热组件包括固定连接在体端子上下两侧的第二导热片，所述第二导热片侧壁上均固定连接有散热翅片，所述圆孔侧壁开设有环形槽，所述环形槽侧壁开设有导热孔，所述第一导热片贯穿外壳并与第二导热片连接。
所述导热孔呈环形阵列等距分布，且所述导热孔均贯穿体端子侧壁。
所述第一导热片与源极和漏极之间涂抹有导热胶。
所述填充层为氧化硅材质。
所述第一导热片和第二导热片为铝氮化物材质。
所述栅极为S形弯曲。
一种横向功率MOSFET器件的制造方法，所述制造方法包括以下步骤：
S1：衬底制备：采用化学气相沉积或物理气相沉积中任意一种方式制备P型或N型衬底，并在衬底表面沉积一层多晶硅层，多晶硅层上沉积外延层；
S2：在外延层上生长一层氧化硅膜，其厚度用于控制栅极电容；
S3：在氧化硅膜上沉积金属膜，并采用光刻和蚀刻工艺对栅极按照弯曲路径进行制备，获得栅极结构；
S4：离子注入：采用离子注入工艺掺杂氧化硅膜，形成源区和漏区，在源区和漏区上沉积半导体金属端子，获得源极和漏极，用于导入电流；
S5：在源极和漏极上沉积第一导热片，并预留出空间，用于源极金属层和漏极金属层的导通；
S6：在第一导热片上覆盖源极金属层和漏极金属层；
S7：基板与衬底封装到外壳内后，第一导热片延伸出外壳端部，用于与第二导热片导通。
所述基板和衬底与外壳的封装步骤如下：
S11：选取塑料材料根据衬底规格注塑成型，获得外壳；
S12：将导通触点接入外壳，衬底放入外壳内，采用环氧树脂或硅胶材料固化；
S13：确认衬底、源极、漏极和栅极与导通触点的导通性，确认第一导热片与第二导热片之间的对接导通性；
S14：对封装完毕的MOSFET器件进行功能测试、可靠性测试、温度测试、散热测试，获得MOSFET器件成品。
本发明取得的技术效果为：
本发明的一种横向功率MOSFET器件及其制造方法通过延长栅极的长度，可以增加栅极电流的通道，从而降低栅极-源极和栅极-漏极之间的电阻，电阻的减小可以改善器件的导电能力，提高其工作效率和性能；其次，可以增加栅极与漏极之间的通道长度，从而降低漏电流。漏电流的减小可以减少功耗、降低热量产生以及减轻对散热系统的需求。
本发明的一种横向功率MOSFET器件及其制造方法通过将源极和漏极产生的热量导出散热，可以有效地降低MOSFET器件的温度，减少热量积累，防止导致器件的电子迁移率下降，增加漏电流和击穿风险，有效延长器件的可靠性和寿命；另外，源极和漏极导出散热可以在一定程度上分散和冷却热量，减少对周围器件的负面影响。
附图说明
图1是本发明实施例的立体图；
图2是本发明实施例的结构示意图；
图3是本发明实施例散热组件的结构示意图；
图4是本发明实施例第一导热片的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、基板；2、衬底；3、外延层；4、漂移区；5、源极；6、漏极；7、填充层；8、栅极；9、第一钝化层；10、第二钝化层；11、源极金属层；12、第一导热片；13、外壳；14、导通触点；15、体端子；16、第二导热片；17、散热翅片；18、环形槽；19、导热孔；20、导热胶；21、漏极金属层。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
实施例1：
如图1-图4所示，一种横向功率MOSFET器件，包括基板1和外壳13，基板1上表面连接有衬底2，衬底2上表面连接有外延层3，外延层3上表面连接有漂移区4，漂移区4上表面从左至右依次设置有源极5和漏极6，漂移区4上表面位于源极5和漏极6之间设置有填充层7，填充层7内设置有栅极8，栅极8为弯曲形设置，栅极8上表面设置有第一钝化层9和第二钝化层10；
具体的，第一钝化层9和第二钝化层10分别为低介常数钝化层和高介常数钝化层，其作用为：低介常数钝化层位于氧化层之下，可以减小电场与氧化层的作用，降低漏电流和击穿风险。低介常数钝化层同时还能够增加电容耦合系数，提高了器件的响应速度。低介常数钝化层通常采用的是硅酸盐或氮化硅等材料，具有较高的耐压能力和稳定性；
高介常数钝化层位于MOSFET器件结构的顶部，可以增加栅极与通道之间的电容，有助于提高器件的开关速度、降低输入电阻和输出电容等性能指标。高介常数钝化层通常采用的是氧化锆、氧化钛等高介电常数材料。
源极5上表面设置有源极金属层11，漏极6上表面设置有漏极金属层21，源极5和漏极6上表面与源极金属层11和漏极金属层21之间均设置有第一导热片12，源极金属层11和漏极金属层21均贯穿第一导热片12分别与源极5和漏极6导通；
基板1位于外壳13内部，外壳13端面设置有导通触点14，外壳13远离导通触点14一端端面固定连接有体端子15，体端子15侧壁开设有圆孔，体端子15侧壁设置有散热组件。
如图1和图3所示，散热组件包括固定连接在体端子15上下两侧的第二导热片16，第二导热片16侧壁上均固定连接有散热翅片17，圆孔侧壁开设有环形槽18，环形槽18侧壁开设有导热孔19，第一导热片12贯穿外壳13并与第二导热片16连接。
导热孔19呈环形阵列等距分布，且导热孔19均贯穿体端子15侧壁。
其中，在横向功率MOSFET器件中，主要的发热位置是器件的通道区域和接触区域，通道区域是电流的主要流通通道，同时也是主要的功率损耗区域。当MOSFET处于导通状态时，通道内电流流动，通道区域就会产生热量。此时，由于通道区域与散热器之间存在热阻，若散热不良，则通道区域温度会上升；尤其是电流经过源极5和漏极6时，电流经过所产生的热量可传递到第一导热片12上，第一导热片12将热量传导至第二导热片16上，并配合散热翅片17可进行有效散热处理，延长其使用寿命。
如图2所示，第一导热片12与源极5和漏极6之间涂抹有导热胶20。
其中，导热胶20能够填充元器件间的微小空隙，提供一个良好的热传导路径，以便更有效地将热量传递给散热器或其他散热部件。它可以填平不平整的表面，填充微细的间隙，消除热阻，从而增加热量的传递效率；还可以将元器件表面的热量有效地传递给周围环境，以减少元器件的工作温度。通过提高散热效果，导热胶20有助于防止元器件过热，并延长其使用寿命；导热胶20在填充元器件之间还能起到缓冲和防震的作用，可以减轻元器件之间的机械应力和振动，防止元器件间的松动或损坏，提高设备的可靠性和抗振能力。
填充层7为氧化硅材质。
具体的，填充层7采用氧化硅材质具有以下好处：
氧化硅作为栅极8和沟道之间的绝缘层，阻断了栅极8与沟道之间的电流流动，确保了MOSFET的正常工作。它起到隔离栅极8与沟道之间的电荷的作用，防止电流泄漏或干扰；
氧化硅层可以形成栅极8与沟道之间的电容，这种电容称为栅极8氧化层电容。该电容可以被用来存储电荷，从而在控制场效应晶体管的沟道中形成电子沟道；
氧化硅层可以提供一定的保护作用，防止栅极8受到外界因素（如湿度、尘埃等）的影响或损坏。它能够保持栅极8稳定，并减少对栅极8的电场干扰。
第一导热片12和第二导热片16为铝氮化物材质。
具体的，铝氮化物材质是一种既可以导热又绝缘的材料。它具有很高的导热性和绝缘性能，且机械强度高、化学稳定性好，可以经受高温和高电压下的作用；
铝氮化物材质的导热性能约为铜的3倍，热导率高达170-230 W/(m·K)，是目前开发的导热绝缘材料中热导率最高的。同时，铝氮化物材质的热膨胀系数与硅芯片和金属引线的热膨胀系数相当，以其作为散热基板材料可以为芯片提供良好的机械支撑和热应力管理。
如图2所示，栅极8为S形弯曲。
具体的，栅极8上的半导体设置成S形具有以下作用：
均匀电场分布：通过呈S形弯曲的栅极8结构可以实现电场的均匀分布，避免了电场集中在某一点上的情况。这样可以提高器件的电场均衡性，减小了电场集中引起的击穿风险，增强器件的可靠性；
提高抗干扰能力：呈S形弯曲的栅极8结构可以增加栅极8环绕的面积，增加了栅极8-源极5或栅极8-漏极6之间的电容。这导致栅极8具有更强的抗干扰能力，减少了对外部干扰信号的敏感性，并提高了器件的抗干扰能力；
改善开关特性：栅极8的呈S形弯曲可以减小尺寸效应对器件开关特性的影响。尺寸效应通常会导致器件的电流调制效果不理想，开关速度变慢。而通过呈S形弯曲的栅极8结构可以减小尺寸效应，提高器件的开关速度和电流调制效果；
提高器件的驱动能力：呈S形弯曲的栅极8结构可以增加栅极8与通道之间的有效长度，提高了栅极8的驱动能力。增加栅极8的驱动能力可以提高器件的导通能力和开关速度，适用于高频和高功率应用。
实施例2：
一种横向功率MOSFET器件的制造方法，制造方法包括以下步骤：
S1：衬底2制备：采用化学气相沉积或物理气相沉积中任意一种方式制备P型或N型衬底2，并在衬底2表面沉积一层多晶硅层，多晶硅层上沉积外延层3；
S2：在外延层3上生长一层氧化硅膜，其厚度用于控制栅极8电容；
S3：在氧化硅膜上沉积金属膜，并采用光刻和蚀刻工艺对栅极8按照弯曲路径进行制备，获得栅极8结构；
S4：离子注入：采用离子注入工艺掺杂氧化硅膜，形成源区和漏区，在源区和漏区上沉积半导体金属端子，获得源极5和漏极6，用于导入电流；
S5：在源极5和漏极6上沉积第一导热片12，并预留出空间，用于源极金属层11和漏极金属层21的导通；
S6：在第一导热片12上覆盖源极金属层11和漏极金属层21；
S7：基板1与衬底2封装到外壳13内后，第一导热片12延伸出外壳13端部，用于与第二导热片16导通。
进一步的，基板1和衬底2与外壳13的封装步骤如下：
S11：选取塑料材料根据衬底2规格注塑成型，获得外壳13；
S12：将导通触点14接入外壳13，衬底2放入外壳13内，采用环氧树脂或硅胶材料固化；
S13：确认衬底2、源极5、漏极6和栅极8与导通触点14的导通性，确认第一导热片12与第二导热片16之间的对接导通性；
S14：对封装完毕的MOSFET器件进行功能测试、可靠性测试、温度测试、散热测试，获得MOSFET器件成品。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (9)
1.一种横向功率MOSFET器件，其特征在于：包括基板（1）和外壳（13），所述基板（1）上表面连接有衬底（2），所述衬底（2）上表面连接有外延层（3），所述外延层（3）上表面连接有漂移区（4），所述漂移区（4）上表面从左至右依次设置有源极（5）和漏极（6），所述漂移区（4）上表面位于源极（5）和漏极（6）之间设置有填充层（7），所述填充层（7）内设置有栅极（8），所述栅极（8）为弯曲形设置，所述栅极（8）上表面设置有第一钝化层（9）和第二钝化层（10）；
所述源极（5）上表面设置有源极金属层（11），所述漏极（6）上表面设置有漏极金属层（21），所述源极（5）和漏极（6）上表面与源极金属层（11）和漏极金属层（21）之间均设置有第一导热片（12），所述源极金属层（11）和漏极金属层（21）均贯穿第一导热片（12）分别与源极（5）和漏极（6）导通；
所述基板（1）位于外壳（13）内部，所述外壳（13）端面设置有导通触点（14），所述外壳（13）远离导通触点（14）一端端面固定连接有体端子（15），所述体端子（15）侧壁开设有圆孔，所述体端子（15）侧壁设置有散热组件。
2.根据权利要求1所述的一种横向功率MOSFET器件，其特征在于：所述散热组件包括固定连接在体端子（15）上下两侧的第二导热片（16），所述第二导热片（16）侧壁上均固定连接有散热翅片（17），所述圆孔侧壁开设有环形槽（18），所述环形槽（18）侧壁开设有导热孔（19），所述第一导热片（12）贯穿外壳（13）并与第二导热片（16）连接。
3.根据权利要求2所述的一种横向功率MOSFET器件，其特征在于：所述导热孔（19）呈环形阵列等距分布，且所述导热孔（19）均贯穿体端子（15）侧壁。
4.根据权利要求1所述的一种横向功率MOSFET器件，其特征在于：所述第一导热片（12）与源极（5）和漏极（6）之间涂抹有导热胶（20）。
5.根据权利要求1所述的一种横向功率MOSFET器件，其特征在于：所述填充层（7）为氧化硅材质。
6.根据权利要求2所述的一种横向功率MOSFET器件，其特征在于：所述第一导热片（12）和第二导热片（16）为铝氮化物材质。
7.根据权利要求1所述的一种横向功率MOSFET器件，其特征在于：所述栅极（8）为S形弯曲。
8.一种横向功率MOSFET器件的制造方法，其特征在于：用于制造权利要求1-7任一项所述的横向功率MOSFET器件，所述制造方法包括以下步骤：
S1：衬底（2）制备：采用化学气相沉积或物理气相沉积中任意一种方式制备P型或N型衬底（2），并在衬底（2）表面沉积一层多晶硅层，多晶硅层上沉积外延层（3）；
S2：在外延层（3）上生长一层氧化硅膜，其厚度用于控制栅极（8）电容；
S3：在氧化硅膜上沉积金属膜，并采用光刻和蚀刻工艺对栅极（8）按照弯曲路径进行制备，获得栅极（8）结构；
S4：离子注入：采用离子注入工艺掺杂氧化硅膜，形成源区和漏区，在源区和漏区上沉积半导体金属端子，获得源极（5）和漏极（6），用于导入电流；
S5：在源极（5）和漏极（6）上沉积第一导热片（12），并预留出空间，用于源极金属层（11）和漏极金属层（21）的导通；
S6：在第一导热片（12）上覆盖源极金属层（11）和漏极金属层（21）；
S7：基板（1）与衬底（2）封装到外壳（13）内后，第一导热片（12）延伸出外壳（13）端部，用于与第二导热片（16）导通。
9.根据权利要求8所述的一种横向功率MOSFET器件的制造方法，其特征在于：所述基板（1）和衬底（2）与外壳（13）的封装步骤如下：
S11：选取塑料材料根据衬底（2）规格注塑成型，获得外壳（13）；
S12：将导通触点（14）接入外壳（13），衬底（2）放入外壳（13）内，采用环氧树脂或硅胶材料固化；
S13：确认衬底（2）、源极（5）、漏极（6）和栅极（8）与导通触点（14）的导通性，确认第一导热片（12）与第二导热片（16）之间的对接导通性；
S14：对封装完毕的MOSFET器件进行功能测试、可靠性测试、温度测试、散热测试，获得MOSFET器件成品。
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