CN206134681U - 高速的沟槽mos器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于半导体功率器件技术领域，具体提供了一种高速的沟槽MOS器件，其将肖特基二极管结构集成在每一个沟槽MOSFET单胞的沟槽中，在MOSFET单胞沟槽的底部形成肖特基接触，从而有效的节约硅表面面积，降低芯片成本。本实用新型制造工艺简单，成本低，结构新颖，产品性能高和可靠性高，并能有效抑制沟槽MOSFET器件反向恢复的尖峰电压和尖峰电流。

Description

高速的沟槽MOS器件

技术领域

本实用新型属于半导体功率器件技术领域，具体涉及到一种高速的沟槽MOS器件。

背景技术

沟槽MOS器件广泛应用于功率类电路中，作为开关器件连接电源与负载，但是，如何降低功率损耗和抑制MOS器件自身寄生二极管的反向恢复尖峰电压和反向恢复电流一直是最受关注的议题。

尤其以MOS管在直流-直流转换器为例，如图1所示，为应用MOS管作为开关器件的直流-直流转换控制电路原理图。从图中可以看出，沟MOS器件M1(上管)和M2(下管)就是作为该电路的核心开关器件，通过控制芯片来实现直流-直流转换，其中，M1和M2中本身存在寄生二极管D1、D2(由包围源极的P型阱区/漏极构成)，而为有效降低高频开关损耗在M2的源极S与漏极D之间设计了肖特基二极管SBD(如图所示)。该电路工作过程中，M1和M2在某一状态下会同时处于关断状态，为了保证负载得到连续不断的电流供应，M2中的寄生二极管D2开启，但由于肖特基二极管SBD与寄生二极管D2(PN结)相比，具有更低的开启电压(肖特基二极管0.3V左右，PN结二极管0.7V左右)，在M1的源极S与漏极D之间并联一肖特基二极管SBD(如图2所示)，可以有效减小由于高开启电压降造成的损耗。另外，肖特基二极管有更短的反向恢复时间，更可有效降低高频开关过程中的开关损耗，以及抑制开关过程中的寄生二极管的反向恢复电压和反向恢复电流，从而提升效率。

以往，为了在沟槽MOSFET器件的源极S与漏极D之间并联一肖特基二极管SBD经历了以下三个阶段：

第一阶段是将独立封装的肖特基二极管与独立封装的沟槽MOSFET并联安装在电路板上。缺点是成本高，占用电路板更多面积以及由于较长走线引入寄生电感的影响，带来额外损耗以及EMC和EMI问题。

第二阶段是将独立的肖特基芯片与独立的沟槽MOSFET芯片并联封装在同一半导体器件封装内，依靠打线是沟槽MOSFET芯片和肖特基芯片实现并联。缺点依然是成本高，并且对封装要求高，以及封装后整体面积大。

第三阶段是将沟槽MOSFET与肖特基二极管设计设计制作在同一芯片中，但是，大多处理沟槽MOSFET与肖特基二极管的方式上都是采用分区设计加区分制作的方案，即存在沟槽MOSFET区和肖特基二极管区，而通过打线实现互联，还是占据了大量的芯片面积和成本。因此存在的缺点总是：1、肖特基二极管结构占用了大量硅表面面积，导致芯片面积大，成本高；2、工艺复杂，导致制造成本高。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种高速的沟槽MOS器件，其具有较高的性能和可靠度，可有效地降低开关损耗和抑制尖峰电压和尖峰电流。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是解决至少一个上述问题或缺陷，并提供至少一个后面将说明的优点。

本实用新型还有一个目的是提供了一种高速的沟槽MOS器件，其在沟槽内部集成肖特基二极管结构，有效地降低了开关损耗。

本实用新型还有一个目的是提供了一种高速的沟槽MOS器件，其制作成本低，达到了节能减排的目的。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，本实用新型提供了一种高速的沟槽MOS器件，包括第一导电类型漏极区，位于所述第一导电类型漏极区上方的N+单晶硅衬底以及N-外延层，位于所述N-外延层上方的P型阱区层，位于所述P型阱区层上方的N+源极区层，位于所述N+源极区层上方的绝缘介质层，及位于所述绝缘介质层上方的金属区层，还包括：

沟槽，其穿过所述P型阱区层，延伸至所述N-外延层的内部；

栅氧化层，其包括栅氧化层侧面端和栅氧化层底面端，所述栅氧化层侧面端与所述沟槽的内侧面接触，所述栅氧化层底面端与所述沟槽的部分底面接触；

多晶硅层，其与栅氧化层接触，形成多晶硅层侧面端；

氧化层，其与所述多晶硅层接触，形成氧化层侧面端；

接触金属层，其通过所述绝缘介质层，穿透所述沟槽的底部，延伸至所述第一导电类型的外延层，所述接触金属层与所述氧化层侧面端接触，所述接触金属层包括源极金属电极层和肖特基接触层，所述肖特基接触层与所述N-外延层接触，所述源极金属电极层位于所述肖特基接触层的顶部上方，所述源极金属电极层的顶端连接所述金属区层；

接触孔，其设置在所述绝缘介质层上，所述接触孔穿过所述绝缘介质层，延伸至所述P型阱区层，所述接触孔内填充有金属，所述金属的顶端连接所述金属区层；

其中，所述金属区层为MOS管源极金属电极，即肖特基的阳极金属电极，所述第一导电类型漏极区为MOS管漏极金属电极，即肖特基的阴极金属电极。

优选的是，所述肖特基接触层包括钨金属层、第一氮化钛阻挡层与第一金属钛粘结层，所述钨金属层与所述源极金属电极层的底端接触，所述第一氮化钛阻挡层与所述钨金属层的底端接触，所述第一金属钛粘结层与所述第一氮化钛阻挡层的底端接触，所述第一氮化钛阻挡层在所述沟槽的底部与所述N-外延层形成肖特基接触。

优选的是，所述接触孔还包括介质侧墙、P+接触区、第二金属钛粘结层及第二氮化钛阻挡层，所述绝缘介质层与所述接触孔的侧壁之间设有介质侧墙，靠近所述接触孔的一侧或者底部的所述P型阱区层处设有P+接触区，所述第二金属钛粘结层及所述第二氮化钛阻挡层依次沉积在所述接触孔内；

其中，位于所述接触孔的侧壁的所述第二金属钛粘结层和所述第二氮化钛阻挡层与N+源极区层形成N+源极欧姆接触，位于所述接触孔的侧壁或者底部的所述第二金属钛粘结层和所述第二氮化钛阻挡层与P+接触区形成P型阱的欧姆接触。

优选的是，所述多晶硅侧面端为N型重掺杂的多晶硅。

本实用新型的有益效果

1、本实用新型提供的一种高速的沟槽MOS器件，其在沟槽内部集成肖特基二极管结构，使得所述MOS器件在功率应用中可以有效地降低开关损耗，抑制尖峰电压和尖峰电流。

2、本实用新型提供的一种高速的沟槽MOS器件，其制作成本低，且性能和可靠度高，达到节能减排的目的。

3、本实用新型提供的一种高速的沟槽MOS器件，由于肖特基二极管的接触金属在沟槽内部，且在沟槽的底部，有效地利用了MOS器件的半导体空间，增加MOS器件功能的同时，不增加MOS器件的空间体积，降低了成本，提高了性能。

附图说明

图1为MOS管作为开关器件的直流-直流转换控制电路原理图；

图2为并联肖特基二极管的沟槽MOS器件电路图；

图3为本实用新型所述的高速的沟槽MOS器件的俯视平面结构示意图；

图3中，1为第一导电类型漏极区；2为第一导电类型单晶硅衬底；3为N-外延层；4为P型阱区层；5为栅氧化层侧面端；6为栅氧化层底面端；7为氧化层侧面端；8为多晶硅层侧面端；9为源极金属电极层；10为氮化钛阻挡层；11为金属钛粘结层；12为N+源极区层；13为接触孔；14为绝缘介质层；15为金属区层；16为沟槽。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或者多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图3所示，本实用新型提供了一种高速的沟槽MOS器件，包括第一导电类型漏极区1，位于所述第一导电类型漏极区1上方的N+单晶硅衬底2以及N-外延层3，位于所述N-外延层3上方的P型阱区层4，位于所述P型阱区层4上方的N+源极区层12，位于所述N+源极区层12上方的绝缘介质层14，及位于所述绝缘介质层14上方的金属区层15，还包括：

沟槽16，其穿过所述P型阱区层4，延伸至所述N-外延层3的内部；

栅氧化层，其包括栅氧化层侧面端5和栅氧化层底面端6，所述栅氧化层侧面端5与所述沟槽16的内侧面接触，所述栅氧化层底面端6与所述沟槽16的部分底面接触；

多晶硅层，其与栅氧化层接触，形成多晶硅层侧面端8，所述多晶硅侧面端为N型重掺杂的多晶硅；

氧化层，其与所述多晶硅层接触，形成氧化层侧面端7，所述氧化层侧面端7与所述栅氧化层底面端6连接，所述栅氧化层侧面端5与所述栅氧化层底面端6连接；

接触金属层，其通过所述绝缘介质层14，穿透所述沟槽16的底部，延伸至所述N-外延层3，所述接触金属层与所述氧化层侧面端7接触，所述接触金属层包括源极金属电极层9和肖特基接触层，所述肖特基接触层与所述N-外延层3接触，所述源极金属电极层9位于所述肖特基接触层的顶部上方，所述源极金属电极层9的顶端连接所述金属区层15；

接触孔13，其设置在所述绝缘介质层14上，所述接触孔13穿过所述绝缘介质层14，延伸至所述P型阱区层4，所述接触孔13内填充有金属，所述金属的顶端连接所述金属区层15；

其中，所述金属区层15为MOS管源极金属电极，即肖特基的阳极金属电极，所述第一导电类型漏极区1为MOS管漏极金属电极，即肖特基的阴极金属电极。

在上述情况的基础上，进一步地，所述肖特基接触层包括钨金属层、氮化钛阻挡层10与金属钛粘结层11，所述钨金属层与所述源极金属电极层层9的底端接触，所述氮化钛阻挡层10与所述钨金属层的底端接触，所述金属钛粘结层11与所述氮化钛阻挡层10的底端接触，所述氮化钛阻挡层10在所述沟槽16的底部与所述N-型外延层3形成肖特基接触。

进一步地，所述接触孔还包括介质侧墙、P+接触区、第二金属钛粘结层及第二氮化钛阻挡层，所述绝缘介质层14与所述接触孔13的侧壁之间设有介质侧墙，在介质侧墙下方且位于沟槽与接触孔之间，向下依次为N+源极区层和P型阱，靠近所述接触孔13的一侧或者底部的所述P型阱区4层处设有P+接触区，所述第二金属钛粘结层及所述第二氮化钛阻挡层依次沉积在所述接触孔内；

其中，位于所述接触孔的侧壁的所述第二金属钛粘结层和所述第二氮化钛阻挡层与N+源极区层形成N+源极欧姆接触，位于所述接触孔的侧壁或者底部的所述第二金属钛粘结层和所述第二氮化钛阻挡层与P+接触区形成P型阱的欧姆接触，接触孔13中填充的金属与单胞阵列区域上的金属区层15连接，单胞阵列区域上的金属区层15形成MOS管源极金属电极。

在MOS器件的俯视平面上，该器件的中央为并联的单胞阵列区域，单胞阵列区域的顶面沉积有金属区层15，单胞阵列区域的底部自下而上依次为下金属层(第一导电类型漏极区)1、第一的导电类型的N+单晶硅衬底2以及第一导电类型的N-外延层3，N-外延层3中，有沟槽16排列在其中，每条沟槽16的内表面均生长有栅氧化层，形成栅氧化层侧面端5和栅氧化层底面端6，且沟槽16中沉积有N型高掺杂的栅极导电多晶硅，形成多晶硅侧面端8，该栅极导电多晶硅通过沟槽16从单胞阵列区域外围的上金属层(即金属区层15)引出作为MOS管的栅极金属电极。

在沟槽16的横向截面上，靠近P型阱区层4为栅氧化层侧面端5，栅氧化层侧面端5后为多晶硅层侧面端8，多晶硅侧面端8后为氧化层侧面端7，氧化层侧面端7后为接触金属层，与沟槽N-外延层相接触的接触金属层自上而下依次为源极金属电极层9，与源极金属电极层9接触的为钨金属层，与钨金属层接触的为氮化钛阻挡层10和金属钛粘结层11，氮化钛阻挡层10在沟槽的底部与N-外延层形成肖特基接触，接触孔13中填充有金属与单胞阵列区域的上金属层(金属区层)连接，单胞阵列区域的上金属层形成MOS管源极金属电极，同时也是肖特基二极管的阳极金属电极，所述下金属层形成MOS管漏极金属电极，同时也是肖特基二极管的阴极金属电极。

在通过接触孔的横向截面上，纵向开设的沟槽上方设有绝缘介质层14，该介质层14与接触孔13侧壁之间设有介质侧墙，在介质侧墙下方且位于沟槽16与接触孔13之间，向下依次设有N+源极区12和P型阱4，接触孔13中填充有金属与单胞阵列区域的上金属层连接，单胞阵列区域的上金属层形成MOS管源极金属电极。

本实用新型的原理：N型沟槽MOFET器件的硅片由N型高掺杂浓度的N+单晶硅衬底上生长N型低掺杂浓度的N-外延层构成，MOSFET漏极位于硅片底面高掺杂部分，源极位于硅片表面较低掺杂的外延层部分，栅极则由垂直于硅片表面的沟槽构成。沟槽MOSFET芯片所能承受的最大反向偏置电压由外延层的厚度和掺杂浓度决定，而导通电流的大小则由导电沟道的宽度，即沟槽的总边长决定，在沟槽底部的肖特基接触势垒有肖特基金属也N-外延层来决定，在有限面积下，沟槽周期排列以期获得最大的有效边长。包含有沟槽、源极的最小重复单元称为单胞，每个单胞即为一个完整的MOSFET器件。这些单胞并联在一起，构成MOSFET芯片。

本实用新型通过在每个沟槽MOSFET单胞中的沟槽内集成肖特基二极管结构，肖特基二极管的接触金属在沟槽内，并且在沟槽的底部，另外，MOS管的接触金属层将导电多晶硅分成两部分，分别位于MOS管的源极金属电极层的两侧，形成多晶硅层侧面端，具有这种结构的沟槽MOSFET在功率应用中可以有效降低开关损耗和抑制尖峰电压和尖峰电流的同时，使得芯片的电子器件集成度高；

而且，MOS管的制作工艺简单，与传统方式相比，成本低，单胞集成度高。

总之，本实用新型将肖特基二极管结构集成在每一个沟槽MOSFET单胞的沟槽中，在MOSFET单胞沟槽的底部形成肖特基接触，结构新颖，从而有效的节约硅表面面积，降低芯片成本，而且，减少了器件的栅-漏电荷Qgd，提升开关速度，减少沟槽底部的电场强度，提升耐压，另外，MOS器件可以用低成本、工艺步骤简单的方式制作得到，工艺简单，容易大批量投入生产，其合理有效地利用MOS管的半导体空间，增加了MOS管的功能，降低了成本，达到节能减排的目的。

本实用新型还有其他供选择的实施例，这里就不再做详细说明。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种高速的沟槽MOS器件，包括第一导电类型漏极区，位于所述第一导电类型漏极区上方的N+单晶硅衬底以及N-外延层，位于所述N-外延层上方的P型阱区层，位于所述P型阱区层上方的N+源极区层，位于所述N+源极区层上方的绝缘介质层，及位于所述绝缘介质层上方的金属区层，其特征在于，还包括：

沟槽，其穿过所述P型阱区层，延伸至所述N-外延层的内部；

栅氧化层，其包括栅氧化层侧面端和栅氧化层底面端，所述栅氧化层侧面端与所述沟槽的内侧面接触，所述栅氧化层底面端与所述沟槽的部分底面接触；

多晶硅层，其与栅氧化层接触，形成多晶硅层侧面端；

氧化层，其与所述多晶硅层接触，形成氧化层侧面端；

接触金属层，其通过所述绝缘介质层，穿透所述沟槽的底部，延伸至所述第一导电类型的外延层，所述接触金属层与所述氧化层侧面端接触，所述接触金属层包括源极金属电极层和肖特基接触层，所述肖特基接触层与所述N-外延层接触，所述源极金属电极层位于所述肖特基接触层的顶部上方，所述源极金属电极层的顶端连接所述金属区层；

接触孔，其设置在所述绝缘介质层上，所述接触孔穿过所述绝缘介质层，延伸至所述P型阱区层，所述接触孔内填充有金属，所述金属的顶端连接所述金属区层；

其中，所述金属区层为MOS管源极金属电极，即肖特基的阳极金属电极，所述第一导电类型漏极区为MOS管漏极金属电极，即肖特基的阴极金属电极。

2.如权利要求1所述的高速的沟槽MOS器件，其特征在于，所述肖特基接触层包括钨金属层、第一氮化钛阻挡层与第一金属钛粘结层，所述钨金属层与所述源极金属电极层的底端接触，所述第一氮化钛阻挡层与所述钨金属层的底端接触，所述第一金属钛粘结层与所述第一氮化钛阻挡层的底端接触，所述第一氮化钛阻挡层在所述沟槽的底部与所述N-外延层形成肖特基接触。

3.如权利要求1所述的高速的沟槽MOS器件，其特征在于，所述接触孔还包括介质侧墙、P+接触区、第二金属钛粘结层及第二氮化钛阻挡层，所述绝缘介质层与所述接触孔的侧壁之间设有介质侧墙，靠近所述接触孔的一侧或者底部的所述P型阱区层处设有P+接触区，所述第二金属钛粘结层及所述第二氮化钛阻挡层依次沉积在所述接触孔内；

其中，位于所述接触孔的侧壁的所述第二金属钛粘结层和所述第二氮化钛阻挡层与N+源极区层形成N+源极欧姆接触，位于所述接触孔的侧壁或者底部的所述第二金属钛粘结层和所述第二氮化钛阻挡层与P+接触区形成P型阱的欧姆接触。

4.如权利要求1所述的高速的沟槽MOS器件，其特征在于，所述多晶硅侧面端为N型重掺杂的多晶硅。