CN117352556B - 一种集成式场效应晶体管 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种集成式场效应晶体管，涉及半导体MOS场效应晶体管的技术领域，本申请在每个或多个长沟道的一侧设置短沟道，短沟道的沟道表面掺杂有第一导电型杂质，阱区内掺杂有第二导电型杂质，且第一导电型与第二导电型相反，以在短沟道与阱区之间形成增强区，所述增强区用于降低短沟道的沟道阈值电压，以提高体二极管的反向恢复特性，从而有效提高体二极管的反向恢复能力。
Description
技术领域
本申请涉及一种屏蔽栅沟槽（Shield Gate Trench，SGT）金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）的技术领域，具体地，本申请涉及一种集成式场效应晶体管。
背景技术
SGT-MOS场效晶应体管是一种半导体器件，属于可控硅器件，也称为金属氧化物半导体场效应晶体管，它可以用来控制电流和电压。
SGT-MOS场效晶应体管的主要结构有晶体管结构，源电极结构漏电极结构等。晶体管结构主要由源电极，漏电极，控制极，屏蔽极组成。其主要参数有漏电极电流，漏电极电压、控制电流、控制电压、放大倍数等。其具有低功耗，高频响应，低噪声，高可靠性等优点，广泛应用于新能源电动车、新型光伏发电、节能家电等领域的电机驱动系统、逆变器系统及电源管理系统，是核心功率控制部件。
然而现实中，有许多现实需求要求场效应晶体管有较高的反向恢复特性，提高其反向恢复特性是人们需要解决的问题。
发明内容
为了解决现有场效应晶体管的反向恢复特性局限的技术问题，本申请实施例提供了一种集成式场效应晶体管，其包括：
基板，漏电极，漂移层，源电极；
基板的底面与漏电极耦合连接，基板的顶面与漂移层耦合连接；
源电极设置于漂移层顶部；
漂移层顶部设置向漂移层内部的多个沟道；沟道之间设置有阱区；
沟道包括长沟道，短沟道，其深度小于长沟道的深度；
长沟道包括：长沟道内壁、栅电极、屏蔽电极和隔离氧化层，其中，屏蔽电极设置于长沟道底部，栅电极设置于长沟道顶部，隔离氧化层设置于栅电极与屏蔽电极之间；长沟道内壁下部设置有长沟道绝缘层，长沟道内壁上部设置有长沟道栅电极绝缘层；
短沟道包括：短沟道内壁和T型栅电极；T型栅电极设置于短沟道内，短沟道内壁下部设置短沟道绝缘层，短沟道内壁上部设置短沟道栅电极绝缘层；
阱区的顶部和T型栅电极的顶部设置有接触沟槽，所述接触沟槽从漂移层的顶部延伸至阱区或T型栅电极的顶部；
其中，短沟道内壁掺杂有第一导电型杂质，阱区内掺杂有第二导电型杂质，且第一导电型与第二导电型相反，以在短沟道与阱区之间形成增强区，增强区用于降低短沟道的沟道阈值电压。
可选地，长沟道栅电极绝缘层包裹栅电极，并且长沟道栅电极绝缘层与短沟道栅电极绝缘层对应设置；
其中，短沟道栅电极绝缘层的厚度小于长沟道栅电极绝缘层的厚度，以使短沟道的电压小于正向偏压时阱区处形成的导通电压。
可选地，短沟道栅电极绝缘层的厚度大于施加在栅电极的驱动电压除以短沟道栅电极绝缘层发生击穿的绝缘击穿电场强度的值。
可选地，长沟道的栅电极、短沟道的栅电极、漏电极、源电极、漂移层以及基板中掺杂有第一导电型杂质；
其中，基板的杂质掺杂浓度大于漂移层的杂质掺杂浓度。
可选地，短沟道内壁包含轻掺杂的第一导电型杂质。
可选地，第一导电型杂质为施主杂质，第二导电型杂质为受主杂质。
可选地，集成式场效应晶体管还包括：源电极金属区，设置于漂移层顶部，与阱区，源电极，屏蔽电极以及T型栅电极电学短接。
可选地，T型栅电极为“T”型结构。
可选地，漂移层的材质为：Si、SiC、Ga2O3、GaN或者金刚石中的任意一种或多种的组合。
可选地，集成式场效应晶体管还包括顶部绝缘层，其设置于源电极金属区与栅电极之间，用于电学分隔。
本申请的有益效果为：
1、本申请中，短沟道内壁掺杂有第一导电型杂质，阱区内掺杂有第二导电型杂质，且第一导电型与第二导电型相反，以在短沟道与阱区之间形成增强区，增强区用于降低短沟道的沟道阈值电压。借此短沟道构成了增强型MOS场效应晶体管结构。借此，PN结的耗尽区受电压影响产生的变化量减小，PN结能够更快速的恢复，由此实现了减小场效应晶体管的反向恢复电荷和反向恢复时间，提高了场效应晶体管反向恢复特性的作用；
2、本申请在增强型MOS场效应晶体管结构的基础上，还能够进一步地通过在短沟道中设置T型栅电极，由短沟道栅电极绝缘层包裹T型栅电极；通过减少短沟道栅电极绝缘层的厚度，当反向恢复时，短沟道处先于长沟道导通，使阱区附近的电荷提前被消耗，导致无法继续积累电荷，长沟道附近不能产生导通电压，提高了晶体管反向恢复的速度，增强二极管的反向恢复能力；
3、通过短沟道提前导通，从而抑制了长沟道的导通，可以有效降低漏电极电流，防止空穴载流子注入，减少PN结的电荷重组，降低了反向恢复电荷，减少反向恢复时间，增强了二极管的反向恢复特性。
附图说明
所包括的附图用于提供本申请的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本申请的原理。
图1示出了本申请实施例提供的集成式场效应晶体管的结构示意图。
图中附图标记分别表示：
1、基板；2、漂流层；3、长沟道；31、屏蔽电极；32、栅电极；33、长沟道栅电极绝缘层；34、长沟道绝缘层；35、隔离氧化层；4、短沟道；41、T型栅电极；42、短沟道栅电极绝缘层；43、短沟道绝缘层；5、阱区；6、漏电极；7、源电极；71、源电极金属区；8、增强区；9、顶部绝缘层；10、接触沟槽。
具体实施方式
现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否则不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。
“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。
本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。
参见图1，本申请提出了一种集成式场效应晶体管，其包括：
基板1，漏电极6，漂移层2，源电极7；
基板1的底面与漏电极6耦合连接，基板1的顶面与漂移层2耦合连接；
源电极7设置于漂移层2顶部；
漂移层2顶部设置向漂移层2内部的多个沟道；沟道之间设置有阱区5；
沟道包括长沟道3，短沟道4，短沟道4的深度小于长沟道3的深度；
需要说明，上述阱区5设置于沟道之间，具体的，阱区5可以设置于长沟道与长沟道之间，也可以设置于长沟道与短沟道之间。
如图1所示，长沟道的设置方向与短沟道的设置方向平行或近似平行，优选的，长沟道的顶端与短沟道的顶端设置于同一高度。并且，短沟道深度较比深沟道来说，较浅；所谓深度，是指沟道垂直方向的高度。长沟道深度的设置范围可以为1到20微米，短沟道深度的设置范围可以为0.5到2微米。
长沟道3包括：长沟道内壁、栅电极32，屏蔽电极31和隔离氧化层35，其中，屏蔽电极31设置于长沟道3底部，栅电极32设置于长沟道3顶部，隔离氧化层35设置于栅电极32与屏蔽电极31之间；长沟道内壁下部设置有长沟道绝缘层34，长沟道内壁上部设置有长沟道栅电极绝缘层33；综上所述，以上长沟道结构构成了SGT-MOS场效应晶体管结构。
短沟道4包括：短沟道内壁和T型栅电极41；T型栅电极41设置于短沟道4内，短沟道内壁下部设置短沟道绝缘层43，短沟道内壁上部设置短沟道栅电极绝缘层42；综上所述，以上短沟道结构构成了T型MOS场效应晶体管结构。
在一些实施例中，长沟道绝缘层34在水平方向上包裹屏蔽电极31；长沟道栅电极绝缘层33在水平方向上包裹栅电极32；短沟道栅电极绝缘层42水平方向上包裹T型栅电极41的顶部，短沟道绝缘层包裹T型栅电极41的其余部分，包括下部的水平位置及底部。
长沟道栅电极绝缘层33，长沟道绝缘层34，短沟道栅电极绝缘层42及短沟道绝缘层43的设置方式包括生长，沉积或形成于其他部分的表面，如氧化工艺或沉积工艺。
需要明确，图1中设置两个长沟道3，一个短沟道4，仅为一种情况下的举例示意，目的在重点强调长沟道3与短沟道4的内部结构及其相对应的位置关系；应理解，本申请的集成式场效应晶体管中包含一个或多个长沟道，以及一个或多个短沟道，长沟道及短沟道可以通过阵列分布、随机分布、线性分布等分布方式进行排列布局。并且，还可以将设置少数长沟道与短沟道的集成式场效应晶体管视为一个结构单元，一个新的集成式场效应晶体管可以由上述一个或多个结构单元排列组成。
阱区5的顶部和T型栅电极41的顶部设置有接触沟槽10，接触沟槽10从漂移层2的顶部延伸至阱区5或T型栅电极41的顶部；由此可见，接触沟槽10的深度是有限制的，接触沟槽10必须通过漂移层2的顶部达到阱区5的设置范围，并且不能超过阱区5的设置范围，或者，接触沟槽10必须通过漂移层2的顶部，通过短沟道4达到T型栅电极41的内部，并且深度不能超过T型栅电极41的范围。
短沟道内壁掺杂有第一导电型杂质，阱区5内掺杂有第二导电型杂质，且第一导电型与第二导电型相反，以在短沟道4与阱区5之间形成增强区8，增强区8用于降低短沟道4的沟道阈值电压。由此可见，本申请中的短沟道4构成了增强型MOS场效应晶体管结构。
在一个可选的实施例中，长沟道栅电极绝缘层33包裹栅电极32，并且长沟道栅电极绝缘层33与短沟道栅电极绝缘层42对应设置；其中，短沟道栅电极绝缘层42的厚度小于长沟道栅电极绝缘层33的厚度，以使短沟道的电压小于正向偏压时阱区5处形成的导通电压。需要补充的是，本申请的场效应晶体管能够适用于例如20V以上的电压。
在一个可选的实施例中，短沟道栅电极绝缘层42的厚度大于施加在栅电极32的驱动电压除以短沟道栅电极绝缘层42发生击穿的绝缘击穿电场强度的值。
由此可见，短沟道栅电极绝缘层42的厚度可以决定，其可以防止短沟道被击穿，使晶体管处于反向恢复状态时能够更快的恢复。同时短沟道绝缘层43设置于短沟道4底部并且具有一定厚度，还能起到降低CDS寄生电容的作用。
在一个可选的实施例中，栅电极32、T型栅电极41、漏电极6、源电极7、漂移层2以及基板1中掺杂有第一导电型杂质，阱区5中掺杂有第二导电型杂质。其中，基板1的杂质掺杂浓度大于漂移层2的杂质掺杂浓度。
当本申请的场效应晶体管的源电极7处流过反向恢复电流时，短沟道4处存在电阻，电流经过短沟道4处会产生压降，进而短沟道4处为正电压。由于本申请中短沟道栅电极绝缘层42的厚度小于长沟道栅电极绝缘层33的厚度，因此阱区5与漂移层2间的PN结正向偏压增加到开启电压之前，先开启短沟道栅电极绝缘层42处的沟道，进而使得阱区5与漂移层2间的PN结正向偏压小于开启电压。也即PN结开启之前，短沟道4处的沟道便已经开启，使得PN结内部的移动电荷流失消耗且无法累积，导致长沟道PN结的电压无法升到开启电压。借此，PN结的耗尽区受电压影响产生的变化量减小，PN结能够更快速的恢复，由此实现了减小场效应晶体管的反向恢复电荷和反向恢复时间，提高了场效应晶体管反向恢复特性。
借此，与常规SGT MOS场效应晶体管中仅包含单一的屏蔽栅沟槽相比，本申请的场效应晶体管通过抑制PN结的开启，降低漏电极电流，减少PN结的电荷重组，防止空穴载流子注入，从而降低了反向恢复电荷，减少了反向恢复时间，改善了场效应晶体管的反向恢复特性。
在一个可选的实施例中，短沟道内壁包含轻掺杂的第一导电型杂质。对本领域技术人员来说，“重掺杂”与“轻掺杂”有一定标准和表示方式，例如，用N+或P+表示重掺杂，用N-或P-表示轻掺杂。重掺杂的浓度通常指浓度大于或等于1018cm-3，如果小于，则判定为轻掺杂。其中，浓度达到轻掺杂的区域称之为轻掺杂区域，反之称为重掺杂区域。
在一个可选的实施例中，第一导电型杂质为施主杂质，第二导电型杂质为受主杂质，第一导电型杂质与第二导电型杂质可互换。
在一个可选的实施例中，集成式场效应晶体管还包括：源电极金属区71，设置于漂移层2顶部，与阱区5，源电极7，屏蔽电极31以及T型栅电极41电学短接。上述结构可实现屏蔽电极31与漂移层2的作用，减小了米勒电容，器件的开关速度得以加快，同时又实现了电荷耦合效应，减小了漂移层2临界电场强度，器件的导通电阻得以减小，开关损耗能够更低。
在一个可选的实施例中，漂移层2的材质为：Si、SiC、Ga2O3、GaN或者金刚石中的任意一种或多种的组合。选择的半导体材料不同，PN结就具有不同的导通电压，因此短沟道栅电极绝缘层42的厚度需要根据实际情况进行调节。
在一个可选的实施例中，集成式场效应晶体管还包括顶部绝缘层9，顶部绝缘层9设置于源电极金属区71与栅电极32之间，用于电学分隔。
在一个可选的实施例中，长沟道栅电极绝缘层33、短沟道栅电极绝缘层42、隔离氧化层35、长沟道绝缘层34和短沟道绝缘层43的材质可以相同，也可以不相同。
在一个可选的实施例中，长沟道栅电极绝缘层33、短沟道栅电极绝缘层42、隔离氧化层35、长沟道绝缘层34和短沟道绝缘层43为致密性高的薄膜，可以是使用热氧化工艺或化学气相沉积工艺形成的氧化硅或氮化硅的绝缘膜，也可以是氧化硅与氮化硅的复合绝缘膜。
在一个可选的实施例中，长沟道3和短沟道4的底部可以为圆弧形，圆弧形结构有利于减少沟槽表面的物理损伤、缺陷和应力。
根据本申请的实施方式，如图1所示，长沟道和短沟道的底部被形成为圆角化结构以减少沟道表面的物理损伤、缺陷和应力。换言之，长沟道与短沟道的底面可以是U型。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种集成式场效应晶体管，其特征在于，包括：
基板（1），漏电极（6），漂移层（2），源电极（7）；
所述基板（1）的底面与所述漏电极（6）耦合连接，所述基板（1）的顶面与所述漂移层（2）耦合连接；
所述源电极（7）设置于所述漂移层（2）顶部；
所述漂移层（2）顶部设置向漂移层（2）内部的多个沟道；沟道之间设置有阱区（5）；
所述沟道包括长沟道（3），短沟道（4），所述短沟道（4）的深度小于所述长沟道（3）的深度；
所述长沟道（3）包括：长沟道内壁、栅电极（32）、屏蔽电极（31）和隔离氧化层（35），其中，
所述屏蔽电极（31）设置于所述长沟道（3）底部，所述栅电极（32）设置于所述长沟道（3）顶部，所述隔离氧化层（35）设置于所述栅电极（32）与所述屏蔽电极（31）之间；所述长沟道内壁下部设置有长沟道绝缘层（34），所述长沟道内壁上部设置有长沟道栅电极绝缘层（33）；
所述短沟道（4）包括：短沟道内壁和T型栅电极（41）；所述T型栅电极（41）设置于所述短沟道（4）内，所述短沟道内壁下部设置短沟道绝缘层（43），所述短沟道内壁上部设置短沟道栅电极绝缘层（42）；
所述阱区（5）的顶部和所述T型栅电极（41）的顶部设置有接触沟槽（10），所述接触沟槽（10）从所述漂移层（2）的顶部延伸至所述阱区（5）或所述T型栅电极（41）的顶部；
其中，所述短沟道内壁掺杂有第一导电型杂质，所述阱区（5）内掺杂有第二导电型杂质，且第一导电型与第二导电型相反，以在所述短沟道（4）与所述阱区（5）之间形成增强区（8），所述增强区（8）用于降低所述短沟道（4）的沟道阈值电压。
2.根据权利要求1所述的集成式场效应晶体管，其特征在于，所述长沟道栅电极绝缘层（33）包裹所述栅电极（32），并且所述长沟道栅电极绝缘层（33）与所述短沟道栅电极绝缘层（42）对应设置；
其中，所述短沟道栅电极绝缘层（42）的厚度小于所述长沟道栅电极绝缘层（33）的厚度，以使所述短沟道（4）的电压小于正向偏压时所述阱区（5）处形成的导通电压。
3.根据权利要求1或2所述的集成式场效应晶体管，其特征在于，所述短沟道栅电极绝缘层(42)的厚度大于施加在栅电极（32）的驱动电压除以所述短沟道栅电极绝缘层(42)发生击穿的绝缘击穿电场强度的值。
4.根据权利要求1或2所述的集成式场效应晶体管，其特征在于，所述栅电极（32）、所述T型栅电极（41）、所述漏电极(6)、所述源电极(7)、所述漂移层(2)以及所述基板(1)中掺杂有第一导电型杂质；
其中，所述基板(1)的杂质掺杂浓度大于所述漂移层(2)的杂质掺杂浓度。
5.根据权利要求4所述的集成式场效应晶体管，其特征在于，所述短沟道内壁包含轻掺杂的第一导电型杂质。
6.根据权利要求5所述的集成式场效应晶体管，其特征在于，所述第一导电型杂质为施主杂质，所述第二导电型杂质为受主杂质。
7.根据权利要求1或2所述的集成式场效应晶体管，其特征在于，还包括：源电极金属区(71)，设置于所述漂移层（2）顶部，与所述阱区(5)，所述源电极(7)，所述屏蔽电极(31)以及所述T型栅电极(41)电学短接。
8.根据权利要求1或2所述的集成式场效应晶体管，其特征在于，所述T型栅电极(41)为“T”型结构。
9.根据权利要求1或2所述的集成式场效应晶体管，其特征在于，所述漂移层(2)的材质为：Si、SiC、Ga2O3、GaN或者金刚石中的任意一种或多种的组合。
10.根据权利要求7所述的集成式场效应晶体管，其特征在于，还包括顶部绝缘层(9)，所述顶部绝缘层(9)设置于所述源电极金属区(71)与所述栅电极(32)之间，用于电学分隔。
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