CN117766572B - 一种复合型碳化硅mosfet元胞结构及器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构及器件，通过将平面栅极与沟槽栅极集成到一个MOSFET里，产生了双沟道结构，优化电流路径、有效防止电流拥挤，有效提高电流密度，降低导通电阻。无论是第一种元胞结构中设置了三个接触区，还是第二种元胞结构中设置了一个接触区，都能够形成体二极管，产生二极管反向模式，能够支持高击穿电压和向第一导电类型漂移层的耗尽扩展。此外，本发明提出了两种元胞结构，第一种是采用分离的沟槽栅极和平面栅极，这样能够实现宽单元间距和较大的元胞尺寸，第二种是采用互相连接的沟槽栅极和平面栅极，这样能够实现窄单元间距和较小的元胞尺寸，能够供实际使用时灵活选择，从而优化制造工艺和器件布局。

Description

一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构及器件

技术领域

本发明涉及碳化硅MOSFET领域，特别是涉及一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构及器件。

背景技术

导通电阻和电流密度是衡量碳化硅MOSFET器件性能的重要指标。现有技术中，碳化硅MOSFET器件存在导通电阻较高、电流密度较低的问题，虽然提出了一些改进方案，但对导通电阻和电流密度的改进程度有限。因此，如何降低导通电阻、提高电流密度是碳化硅MOSFET器件研制的一个重要问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够有效降低导通电阻、提高电流密度的复合型碳化硅MOSFET元胞结构及器件，以解决现有技术中存在的问题。

技术方案：本发明所述的复合型碳化硅MOSFET元胞结构，自下而上依次设有漏极、第一导电类型介质层、第一导电类型缓冲层、第一导电类型漂移层及电流扩散层，电流扩散层中一边设有第一沟槽栅极，另一边设有第二沟槽栅极，两沟槽栅极之间设有第一平面栅极和位于其后方的第二平面栅极；第一沟槽栅极的左右两侧各有一个第一阱区，每个第一阱区的上方均有一个第一源接触区；第二沟槽栅极的左右两侧各有一个第二阱区，每个第二阱区的上方均有一个第二源接触区；第一沟槽栅极右侧第一阱区与第二沟槽栅极左侧第二阱区之间设有第一导电类型半导体；所述元胞结构还包括第一接触区、第二接触区和第三接触区，第一接触区包围着第一沟槽栅极左侧第一阱区的左侧和后方、左侧第一阱区上方第一源接触区的左侧和后方，第二接触区包围着第二沟槽栅极右侧第二阱区的右侧和后方、右侧第二阱区上方第二源接触区的右侧和后方，第三接触区位于第一沟槽栅极与第二沟槽栅极之间，并且，第三接触区位于第一沟槽栅极右侧第一阱区及其上方第一源接触区的后方、第二沟槽栅极左侧第二阱区及其上方第二源接触区的后方、第一导电类型半导体的后方；第一接触区和第一沟槽栅极左侧第一源接触区的上方设有第一左侧源极金属，第一沟槽栅极右侧第一源接触区上方设有第一右侧源极金属，第二沟槽栅极左侧第二源接触区上方设有第二左侧源极金属，第二接触区和第二沟槽栅极右侧第二源接触区上方设有第二右侧源极金属，第一右侧源极金属与第二左侧源极金属之间设有第一平面栅极；第一左侧源极金属、第一右侧源极金属、第二左侧源极金属和第二右侧源极金属均连接源极，第一沟槽栅极、第二沟槽栅极、第一平面栅极和第二平面栅极均连接栅极；第一源接触区、第二源接触区均为第一导电类型，第一阱区、第二阱区、第一接触区、第二接触区和第三接触区均为第二导电类型；所述元胞关于第三接触区的背面对称。

进一步，所述元胞结构还包括沟槽型体二极管，沟槽型体二极管包括沟槽以及设于沟槽内的金属，沟槽开设在第一接触区和/或第二接触区和/或第三接触区的表面。这样通过设置沟槽型体二极管能够使接触区更深，具有较低的正向导通压降，也减少了沟槽栅极底部的峰值电场，而且还能用作半-超级结MOSFET。

进一步，所述元胞结构还包括设于第一沟槽栅极右侧第一阱区下方的第一屏蔽区。通过设置第一屏蔽区，能够将高电场从第一沟槽栅极的栅氧层移动到第一屏蔽区与电流扩散区之间的耗尽层处，保护栅氧层免受高电场的影响，避免器件容易被击穿。

进一步，所述元胞结构还包括设于第二沟槽栅极左侧第二阱区下方的第二屏蔽区。通过设置第二屏蔽区，能够将高电场从第二沟槽栅极的栅氧层移动到第二屏蔽区与电流扩散区之间的耗尽层处，保护栅氧层免受高电场的影响，避免器件容易被击穿。

本发明所述的复合型碳化硅MOSFET元胞结构，自下而上依次设有漏极、第一导电类型介质层、第一导电类型缓冲层、第一导电类型漂移层及电流扩散层，电流扩散层中一边设有第一复合栅极，另一边设有第二复合栅极；第一复合栅极包括互相连接的第一沟槽栅极和第一平面栅极，第二复合栅极包括互相连接的第二沟槽栅极和第二平面栅极；第一复合栅极的左右两侧各有一个第一阱区，每个第一阱区的上方均有一个第一源接触区；第二复合栅极的左右两侧各有一个第二阱区，每个第二阱区的上方均有一个第二源接触区；第一复合栅极右侧第一阱区与第二复合栅极左侧第二阱区之间设有第一导电类型半导体；所述元胞结构还包括接触区，接触区包围着第一复合栅极左侧第一阱区的左侧和后方、左侧第一阱区上方第一源接触区的左侧和后方、第一复合栅极右侧第一阱区的后方、右侧第一阱区上方第一源接触区的后方、第一导电类型半导体的后方、第二复合栅极左侧第二阱区的后方、左侧第二阱区上方第二源接触区的后方、第二复合栅极右侧第二阱区的右侧和后方、右侧第二阱区上方第二源接触区的右侧和后方；第一复合栅极左侧的第一源接触区和接触区的上方设有第一源极金属，第二复合栅极右侧的第二源接触区和接触区的上方设有第二源极金属；第一源极金属和第二源极金属均连接源极，第一复合栅极和第二复合栅极均连接栅极；第一源接触区和第二源接触区均为第一导电类型，第一阱区、第二阱区和接触区均为第二导电类型。

进一步，所述第一沟槽栅极与第一平面栅极垂直连接；

和/或

第二沟槽栅极与第二平面栅极垂直连接。

进一步，所述元胞结构还包括沟槽型体二极管，沟槽型体二极管包括开设在接触区表面的沟槽以及设于沟槽内的金属。这样通过设置沟槽型体二极管能够使接触区更深，具有较低的正向导通压降，也减少了沟槽栅极底部的峰值电场，而且还能用作半-超级结MOSFET。

进一步，所述元胞结构还包括设于第一复合栅极右侧第一阱区下方的第一屏蔽区。通过设置第一屏蔽区，能够将高电场从第一沟槽栅极的栅氧层移动到第一屏蔽区与电流扩散区之间的耗尽层处，保护栅氧层免受高电场的影响，避免器件容易被击穿。

进一步，所述元胞结构还包括设于第二复合栅极左侧第二阱区下方的第二屏蔽区。通过设置第二屏蔽区，能够将高电场从第二沟槽栅极的栅氧层移动到第二屏蔽区与电流扩散区之间的耗尽层处，保护栅氧层免受高电场的影响，避免器件容易被击穿。

本发明所述的复合型碳化硅MOSFET器件，包括任意一项所述的复合型碳化硅MOSFET元胞结构。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明通过将平面栅极与沟槽栅极集成到一个MOSFET里，产生了双沟道结构，优化电流路径，有效防止电流拥挤，有效提高电流密度，降低导通电阻；

2、无论是第一种元胞结构中设置了三个接触区，还是第二种元胞结构中设置了一个接触区，都能够形成体二极管，产生二极管反向模式，能够支持高击穿电压和向第一导电类型漂移层的耗尽扩展；

3、本发明提出了两种元胞结构，第一种是采用分离的沟槽栅极和平面栅极，这样能够实现宽单元间距和较大的元胞尺寸，第二种是采用互相连接的沟槽栅极和平面栅极，这样能够实现窄单元间距和较小的元胞尺寸，能够供实际使用时灵活选择，从而优化制造工艺和器件布局。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中实施例1的元胞的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中实施例1的元胞的版图；

图3为本发明具体实施方式中实施例2的元胞的结构示意图；

图4为本发明具体实施方式中实施例3的元胞的结构示意图；

图5为本发明具体实施方式中实施例4的元胞的结构示意图；

图6为本发明具体实施方式中实施例4的元胞的版图；

图7为本发明具体实施方式中实施例5的元胞的结构示意图。

具体实施方式

本具体实施方式公开了一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构，有以下五个实施例。

实施例1：

实施例1公开了一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构，如图1所示，自下而上依次设有漏极111、第一导电类型介质层121、第一导电类型缓冲层122、第一导电类型漂移层123及电流扩散层124。电流扩散层124中一边设有第一沟槽栅极13，另一边设有第二沟槽栅极15，两沟槽栅极之间设有第一平面栅极17和位于其后方的第二平面栅极19，如图2所示。

第一沟槽栅极13的左右两侧各有一个第一阱区141，每个第一阱区141的上方均有一个第一源接触区142。第二沟槽栅极15的左右两侧各有一个第二阱区161，每个第二阱区161的上方均有一个第二源接触区162。第一沟槽栅极13右侧第一阱区141与第二沟槽栅极15左侧第二阱区161之间设有第一导电类型半导体18。元胞结构还包括第一接触区143、第二接触区163和第三接触区10。如图1所示，第一接触区143包围着第一沟槽栅极13左侧第一阱区141的左侧和后方、左侧第一阱区141上方第一源接触区142的左侧和后方；第二接触区163包围着第二沟槽栅极15右侧第二阱区161的右侧和后方、右侧第二阱区161上方第二源接触区162的右侧和后方；第三接触区10位于第一沟槽栅极13与第二沟槽栅极15之间，并且，第三接触区10位于第一沟槽栅极13右侧第一阱区141及其上方第一源接触区142的后方、第二沟槽栅极15左侧第二阱区161及其上方第二源接触区162的后方、第一导电类型半导体18的后方。

第一接触区143和第一沟槽栅极13左侧第一源接触区142的上方设有第一左侧源极金属145，第一沟槽栅极13右侧第一源接触区142上方设有第一右侧源极金属146，第二沟槽栅极15左侧第二源接触区162上方设有第二左侧源极金属165，第二接触区163和第二沟槽栅极15右侧第二源接触区162上方设有第二右侧源极金属166，第一右侧源极金属146与第二左侧源极金属165之间设有第一平面栅极17。

第一左侧源极金属145、第一右侧源极金属146、第二左侧源极金属165和第二右侧源极金属166均连接源极112，第一沟槽栅极13、第二沟槽栅极15、第一平面栅极17和第二平面栅极19均连接栅极113。第一源接触区142、第二源接触区162均为第一导电类型，第一阱区141、第二阱区161、第一接触区143、第二接触区163和第三接触区10均为第二导电类型。第一导电类型可为N型或P型，与之相对应的，第二导电类型可为P型或N型。结合图1和图2可知，元胞关于第三接触区10的背面对称。

如图1所示，第一沟槽栅极13包括在电流扩散层124上开设的沟槽131，沟槽131内设有栅极多晶硅132，沟槽131与栅极多晶硅132之间设有栅氧层133。第二沟槽栅极15的结构与第一沟槽栅极13相同。

如图1所示，第一平面栅极17包括栅氧层172以及位于栅氧层172内部的栅极多晶硅171。第二平面栅极19的结构与第一平面栅极17相同。

元胞结构还可以包括设于第一沟槽栅极13右侧第一阱区141下方的第一屏蔽区144，也可以包括设于第二沟槽栅极15左侧第二阱区161下方的第二屏蔽区164。

实施例2：

实施例2公开了一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构，如图3所示，它是在实施例1结构的基础上增加了设于第三接触区10上的沟槽型体二极管101。沟槽型体二极管101包括沟槽以及设于沟槽内的金属，沟槽开设在第三接触区10的表面。

实施例3：

实施例3公开了一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构，如图4所示，它是在实施例1结构的基础上增加了设于第二接触区163上的两个沟槽型体二极管101。沟槽型体二极管101包括沟槽以及设于沟槽内的金属。两个沟槽分别开设在第二接触区163表面的两个角上。

此外，沟槽型体二极管101还可以设置在第一接触区143上。

实施例4：

实施例4公开了一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构，如图5所示，自下而上依次设有漏极211、第一导电类型介质层221、第一导电类型缓冲层222、第一导电类型漂移层223及电流扩散层224。电流扩散层(224)中一边设有第一复合栅极23，另一边设有第二复合栅极25。图6是版图。

如图5所示，第一复合栅极23包括互相连接且垂直的第一沟槽栅极231和第一平面栅极232。其中，第一沟槽栅极231包括在电流扩散层224上开设的沟槽2311，沟槽2311内设有栅极多晶硅2312，沟槽2311与栅极多晶硅2312之间设有栅氧层2313。第一平面栅极232包括栅氧层2322以及设于栅氧层2322内的栅极多晶硅2321。如图5所示，栅极多晶硅2321与栅极多晶硅2312垂直连接，栅氧层2322也与栅氧层2313垂直连接。第二复合栅极25包括互相连接的第二沟槽栅极和第二平面栅极，第二复合栅极25与第一复合栅极23结构相同，但位置呈镜像对称。

第一复合栅极23的左右两侧各有一个第一阱区241，每个第一阱区241的上方均有一个第一源接触区242。第二复合栅极25的左右两侧各有一个第二阱区261，每个第二阱区261的上方均有一个第二源接触区262。第一复合栅极23右侧第一阱区241与第二复合栅极25左侧第二阱区261之间设有第一导电类型半导体27。元胞结构还包括接触区243，如图5所示，接触区243包围着第一复合栅极23左侧第一阱区241的左侧和后方、左侧第一阱区241上方第一源接触区242的左侧和后方、第一复合栅极23右侧第一阱区241的后方、右侧第一阱区241上方第一源接触区242的后方、第一导电类型半导体27的后方、第二复合栅极25左侧第二阱区261的后方、左侧第二阱区261上方第二源接触区262的后方、第二复合栅极25右侧第二阱区261的右侧和后方、右侧第二阱区261上方第二源接触区262的右侧和后方。也即，接触区243是一个半环形结构。

第一复合栅极23左侧的第一源接触区242和接触区243的上方设有第一源极金属245，第二复合栅极25右侧的第二源接触区262和接触区243的上方设有第二源极金属265。

第一源极金属245和第二源极金属265均连接源极212，第一复合栅极23和第二复合栅极25均连接栅极213。第一源接触区242和第二源接触区262均为第一导电类型，第一阱区241、第二阱区261和接触区243均为第二导电类型。第一导电类型可为N型或P型，与之相对应的，第二导电类型可为P型或N型。

元胞结构还可以包括设于第一复合栅极23右侧第一阱区241下方的第一屏蔽区244，也可以包括设于第二复合栅极25左侧第二阱区261下方的第二屏蔽区264，如图5所示。

实施例5：

实施例5公开了一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构，如图7所示，它是在实施例4的基础上增加了设于接触区243上的三个沟槽型体二极管28。沟槽型体二极管28包括沟槽以及设于沟槽内的金属。三个沟槽分别开设在接触区243两个角和中间的表面上。

实施例6：

实施例6公开了一种复合型碳化硅MOSFET器件，包括前述实施例中任意一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构，其特征在于：自下而上依次设有漏极(111)、第一导电类型介质层(121)、第一导电类型缓冲层(122)、第一导电类型漂移层(123)及电流扩散层(124)，电流扩散层(124)中一边设有第一沟槽栅极(13)，另一边设有第二沟槽栅极(15)，两沟槽栅极之间设有第一平面栅极(17)和位于其后方的第二平面栅极(19)；第一沟槽栅极(13)的左右两侧各有一个第一阱区(141)，每个第一阱区(141)的上方均有一个第一源接触区(142)；第二沟槽栅极(15)的左右两侧各有一个第二阱区(161)，每个第二阱区(161)的上方均有一个第二源接触区(162)；第一沟槽栅极(13)右侧第一阱区(141)与第二沟槽栅极(15)左侧第二阱区(161)之间设有第一导电类型半导体(18)；所述元胞结构还包括第一接触区(143)、第二接触区(163)和第三接触区(10)，第一接触区(143)包围着第一沟槽栅极(13)左侧第一阱区(141)的左侧和后方、左侧第一阱区(141)上方第一源接触区(142)的左侧和后方，第二接触区(163)包围着第二沟槽栅极(15)右侧第二阱区(161)的右侧和后方、右侧第二阱区(161)上方第二源接触区(162)的右侧和后方，第三接触区(10)位于第一沟槽栅极(13)与第二沟槽栅极(15)之间，并且，第三接触区(10)位于第一沟槽栅极(13)右侧第一阱区(141)及其上方第一源接触区(142)的后方、第二沟槽栅极(15)左侧第二阱区(161)及其上方第二源接触区(162)的后方、第一导电类型半导体(18)的后方；第一接触区(143)和第一沟槽栅极(13)左侧第一源接触区(142)的上方设有第一左侧源极金属(145)，第一沟槽栅极(13)右侧第一源接触区(142)上方设有第一右侧源极金属(146)，第二沟槽栅极(15)左侧第二源接触区(162)上方设有第二左侧源极金属(165)，第二接触区(163)和第二沟槽栅极(15)右侧第二源接触区(162)上方设有第二右侧源极金属(166)，第一右侧源极金属(146)与第二左侧源极金属(165)之间设有第一平面栅极(17)；第一左侧源极金属(145)、第一右侧源极金属(146)、第二左侧源极金属(165)和第二右侧源极金属(166)均连接源极(112)，第一沟槽栅极(13)、第二沟槽栅极(15)、第一平面栅极(17)和第二平面栅极(19)均连接栅极(113)；第一源接触区(142)、第二源接触区(162)均为第一导电类型，第一阱区(141)、第二阱区(161)、第一接触区(143)、第二接触区(163)和第三接触区(10)均为第二导电类型；所述元胞关于第三接触区(10)的背面对称。

2.根据权利要求1所述的复合型碳化硅MOSFET元胞结构，其特征在于：所述元胞结构还包括沟槽型体二极管(101)，沟槽型体二极管(101)包括沟槽以及设于沟槽内的金属，沟槽开设在第一接触区(143)和/或第二接触区(163)和/或第三接触区(10)的表面。

3.根据权利要求1所述的复合型碳化硅MOSFET元胞结构，其特征在于：所述元胞结构还包括设于第一沟槽栅极(13)右侧第一阱区(141)下方的第一屏蔽区(144)。

4.根据权利要求1所述的复合型碳化硅MOSFET元胞结构，其特征在于：所述元胞结构还包括设于第二沟槽栅极(15)左侧第二阱区(161)下方的第二屏蔽区(164)。

5.一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构，其特征在于：自下而上依次设有漏极(211)、第一导电类型介质层(221)、第一导电类型缓冲层(222)、第一导电类型漂移层(223)及电流扩散层(224)，电流扩散层(224)中一边设有第一复合栅极(23)，另一边设有第二复合栅极(25)；第一复合栅极(23)包括互相连接的第一沟槽栅极(231)和第一平面栅极(232)，第二复合栅极(25)包括互相连接的第二沟槽栅极和第二平面栅极；第一复合栅极(23)的左右两侧各有一个第一阱区(241)，每个第一阱区(241)的上方均有一个第一源接触区(242)；第二复合栅极(25)的左右两侧各有一个第二阱区(261)，每个第二阱区(261)的上方均有一个第二源接触区(262)；第一复合栅极(23)右侧第一阱区(241)与第二复合栅极(25)左侧第二阱区(261)之间设有第一导电类型半导体(27)；所述元胞结构还包括接触区(243)，接触区(243)包围着第一复合栅极(23)左侧第一阱区(241)的左侧和后方、左侧第一阱区(241)上方第一源接触区(242)的左侧和后方、第一复合栅极(23)右侧第一阱区(241)的后方、右侧第一阱区(241)上方第一源接触区(242)的后方、第一导电类型半导体(27)的后方、第二复合栅极(25)左侧第二阱区(261)的后方、左侧第二阱区(261)上方第二源接触区(262)的后方、第二复合栅极(25)右侧第二阱区(261)的右侧和后方、右侧第二阱区(261)上方第二源接触区(262)的右侧和后方；第一复合栅极(23)左侧的第一源接触区(242)和接触区(243)的上方设有第一源极金属(245)，第二复合栅极(25)右侧的第二源接触区(262)和接触区(243)的上方设有第二源极金属(265)；第一源极金属(245)和第二源极金属(265)均连接源极(212)，第一复合栅极(23)和第二复合栅极(25)均连接栅极(213)；第一源接触区(242)和第二源接触区(262)均为第一导电类型，第一阱区(241)、第二阱区(261)和接触区(243)均为第二导电类型。

6.根据权利要求5所述的复合型碳化硅MOSFET元胞结构，其特征在于：所述第一沟槽栅极(231)与第一平面栅极(232)垂直连接；

和/或

第二沟槽栅极与第二平面栅极垂直连接。

7.根据权利要求5所述的复合型碳化硅MOSFET元胞结构，其特征在于：所述元胞结构还包括沟槽型体二极管(28)，沟槽型体二极管包括开设在接触区(243)表面的沟槽以及设于沟槽内的金属。

8.根据权利要求5所述的复合型碳化硅MOSFET元胞结构，其特征在于：所述元胞结构还包括设于第一复合栅极(23)右侧第一阱区(241)下方的第一屏蔽区(244)。

9.根据权利要求5所述的复合型碳化硅MOSFET元胞结构，其特征在于：所述元胞结构还包括设于第二复合栅极(25)左侧第二阱区(261)下方的第二屏蔽区(264)。

10.一种复合型碳化硅MOSFET器件，其特征在于：包括如权利要求1-9中任意一项所述的复合型碳化硅MOSFET元胞结构。