CN218788378U - 一种沟槽型SiC MOSFET元胞结构及功能电路 - Google Patents
一种沟槽型SiC MOSFET元胞结构及功能电路 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种沟槽型SiC MOSFET元胞结构及功能电路，该元胞结构包括形成于碳化硅N‑外延层的栅沟槽和源沟槽，所述源沟槽内填充肖特基金属，底部形成若干间隔的P岛，所述源沟槽内的肖特基金属与所述P岛形成欧姆接触，与所述碳化硅N‑外延层2形成肖特基接触。本实用新型提供的沟槽型SiC MOSFET元胞结构的体二极管的元胞结构同时包含有肖特基和欧姆接触，即为肖特基二极管和PN结二极管的结合，相比于普通的体二极管（PN结二极管，欧姆接触），正向导通时，电流主要通过肖特基结（肖特基结势垒比PN结势垒低），从而降低了正向导通压降，同时，减小了正面注入效率，降低了反向恢复损耗。
Description
技术领域
本实用新型属于半导体领域，尤其是涉及一种沟槽型SiC MOSFET元胞结构及功能电路。
背景技术
SiC（碳化硅）材料相比传统的Si（硅）材料具有很多优势，具有更高的热导率，更高的临界击穿电场强度，更高的电子饱和漂移速度等，广泛应用在高温、高频、大功率场合。SiC MOSFET器件近些年快速发展，特别是具有更高电流密度和更低导通电阻的沟槽型SiCMOSFET受到了广泛关注。常规的沟槽型SiC MOSFET器件虽然在性能上具有很大的优势，但依然存在着一些问题。沟槽型SiC MOSFET底部栅氧化层电场强度过高，会带来长期可靠性问题。同时，其寄生体二极管为PIN二极管，正向导通压降大且反向恢复特性差，损耗高，这不利于传统逆变电路、斩波电路等应用。通常的做法是将器件搭配外部一个快恢复二极管反并联使用，但这会增加系统的体积和成本，使得沟槽型SiC MOSFET器件的推广受到了一定的限制。
实用新型内容
本实用新型在此的目的在于提供一种沟槽型SiC MOSFET元胞结构，该结构能够提升器件的可靠性，并改善其体二极管的性能。
本实用新型提供的沟槽型SiC MOSFET元胞结构包括形成于碳化硅N-外延层的栅沟槽和源沟槽，所述源沟槽内填充肖特基金属，底部形成若干间隔的P岛，所述源沟槽内的肖特基金属与所述P岛形成欧姆接触，与所述碳化硅N-外延层2形成肖特基接触。
本实用新型的第二个目的提供了一种功能电路，该电路包括MOS管，所述MOS管的元胞结构为本实用新型所述的沟槽型SiC MOSFET元胞结构。
采用本实用新型的技术方案，所达到的技术效果至少包括：
1）本实用新型提供的沟槽型SiC MOSFET元胞结构的体二极管的元胞结构同时包含有肖特基和欧姆接触，即为肖特基二极管和PN结二极管的结合，相比于普通的体二极管（PN结二极管，欧姆接触），正向导通时，电流主要通过肖特基结（肖特基结势垒比PN结势垒低），从而降低了正向导通压降，同时，减小了正面注入效率，降低了反向恢复损耗。
2）本实用新型优化了沟槽型SiC MOSFET底部栅氧化层电场强度，提升了器件的可靠性，同时改善了其体二极管的性能，无需增加外部快恢复二极管即可应用在传统逆变器等电路中，节省了系统的体积和成本。
3）本实用新型元胞结构使得体二极管的阳极同时包含有肖特基和欧姆接触，相比于常规器件“P-N-”结体二极管，减小了正向导通压降，同时优化了反向恢复特性，降低了损耗。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1-2为本实用新型提供的沟槽型SiC MOSFET元胞结构的示意图；
图3-6为本实用新型提供的沟槽型SiC MOSFET元胞制备方法的制备步骤示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得实用新型将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
现有沟槽型SiC MOSFET底部栅氧化层电场强度过高，会带来长期可靠性问题，同时，其寄生体二极管正向导通压降大且反向恢复特性差，损耗高。本技术方案优化了槽型SiC MOSFET底部栅氧化层电场强度，提升了器件的可靠性，同时改善了其体二极管的性能。采用本技术方案公开的沟槽型SiC MOSFET搭建功能电路时，无需增加外部快恢复二极管即可应用在传统逆变器等电路中，节省了系统的体积和成本。
请参照图1-2，本申请提供的沟槽型SiC MOSFET元胞结构包括SiC衬底1、碳化硅N-外延层2、栅沟槽3、源沟槽4、P-区5、N+区6、SiO2区7、正面金属层8及形成于SiC衬底1底面的背面金属层9；栅沟槽3和源沟槽4形成于碳化硅N-外延层2，栅沟槽3的内侧壁上形成栅氧化层10，栅沟槽3内掺入磷多晶硅栅；源沟槽4内填充肖特基金属，底部形成若干间隔的P岛11，源沟槽4内的肖特基金属与P岛11形成欧姆接触，与碳化硅N-外延层2（非“P”岛区）形成肖特基接触；P-区5形成栅沟槽3和源沟槽4之间，N+区6形成于P-区5顶面；碳化硅N-外延层2顶面形成SiO2区7和正面金属层8，SiO2区7覆盖栅沟槽3和部分N+区6，正面金属层8覆盖SiO2区7、部分N+区6和源沟槽4。
本技术方案，相比于常规沟槽型SiC MOSFET，在常规的栅沟槽之间增加一个沟槽（源沟槽），并通过光刻和注入，在源沟槽底部做成一个个“P”岛，并在源沟槽填充肖特基金属。增加的“P”岛，一方面，在器件承受反向耐压时，其耗尽层扩展，大大降低了栅沟槽底部的电场强度，提升了器件的可靠性。另一方面，源沟槽内的肖特基金属与“P”岛形成欧姆接触，与N-外延区域的非“P”岛区形成肖特基接触，使得体二极管的阳极同时包含有肖特基和欧姆接触，相比于常规器件“P-N-”结体二极管，减小了正向导通压降，同时优化了反向恢复特性，降低了损耗。
本公开中，P岛的数量和掺杂浓度、P-区掺杂浓度、N+区域掺杂浓度、栅极氧化层10的厚度及栅沟槽内掺磷多晶硅栅浓度根据器件要求设定，如本公开所设定的P-区及源沟槽底部的“P”岛区域的掺杂浓度1×1017～1×1018cm-3；N+区域掺杂浓度1×1019～1×1020cm-3；栅氧化层10的厚度为50~150nm，磷掺杂浓度1×1019～1×1020cm-3。
本公开中，源沟槽4为U型或倒梯型，均能够实现本方案的目的。
一般碳化硅器件结构的体二极管为PN结二极管，正向导通压降大且反向恢复特性差，损耗高，需要搭配外部一个性能更好的快恢复二极管反并联使用，本结构优化了体二极管的性能，体二极管的元胞结构同时包含有肖特基和欧姆接触，正向导通压降，因此无需搭配外部的快恢复二极管即可应用在逆变器电路、斩波电路、传统逆变器（现有的逆变器）等电路中，简化了由此搭建的电路结构，节省了电路体积和成本。
请参照图3-6，本公开的沟槽型SiC MOSFET元胞结构采用以下方式制造：
步骤一：选取碳化硅衬底形成SiC衬底1，并在SiC衬底1上延伸形成碳化硅N-外延层2，并对SiC衬底1和碳化硅N-外延层2进行清洗，作为器件的初始结构；
步骤二：在碳化硅N-外延层2栅沟槽3和源沟槽4所在位置进行沟槽掩膜并对掩膜部分进行光刻后刻蚀，形成指定尺寸的栅沟槽3和源沟槽4，如图3；
步骤三：通过光刻和高能铝离子注入形成作为体区的P-区6和在源沟槽4底部形成P岛11区域（掺杂浓度1×1017～1×1018cm-3）；
步骤四：通过光刻和高能氮离子注入（掺杂浓度1×1019～1×1020cm-3）于P-区5上形成N+区6，作为源区，如图4；
步骤五：高温退火（1600℃~1800℃），对注入的离子进行激活；
步骤六：对栅沟槽3和源沟槽4表面进行热生长氧化层，形成栅氧化层10（厚度50~150nm）；
步骤七：采用LPCVD方式淀积掺磷多晶硅（厚度为800nm~1000nm，磷掺杂浓度1×1019～1×1020cm-3），作为栅极，并回刻至硅表面，如图5；
步骤八：通过光刻和干法刻蚀，去除源沟槽4里面的多晶硅和栅氧化层10，并淀积肖特基金属Ni，通过刻蚀，去除多余的Ni，使得源沟槽4内部填满肖特基金属，并进行快速热退火处理，使肖特基金属与源沟槽4底部“P”岛区形成良好的欧姆接触，与非“P”岛区形成肖特基接触，如图6；快速热退火处理，能够消除金属和碳化硅接触界面的悬挂键，改善界面特性，能够实现更好的肖特基和欧姆接触；
步骤九：淀积硼磷硅玻璃，并且高温回流，温度890℃~920℃，作为绝缘介质层；
步骤十：光刻并刻蚀，形成接触孔，淀积正面金属层Al（或Pt、Au、TiN、TiNiAg等）并进行光刻，形成正面金属层8，作为源极和栅极连接金属；
步骤十一：溅射或蒸发背面金属TiNiAg（NiVAg、TiNiAu等）形成背面金属衬9，作为背面漏极金属层，完成制备，形成图1的完整结构。
本公开已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本公开的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本公开的范围。相反，在不脱离本公开的精神和范围内所作的变动与润饰，均属本公开的专利保护范围。
Claims (6)
1.一种沟槽型SiC MOSFET元胞结构，其特征在于，该元胞结构包括形成于碳化硅N-外延层的栅沟槽和源沟槽，所述源沟槽内填充肖特基金属，底部形成若干间隔的P岛，所述源沟槽内的肖特基金属与所述P岛形成欧姆接触，与所述碳化硅N-外延层2形成肖特基接触。
2.根据权利要求1所述的沟槽型SiC MOSFET元胞结构，其特征在于，所述栅沟槽和所述源沟槽之间形成P-区，所述P-区顶面形成N+区；所述碳化硅N-外延层顶面形成SiO2区和正面金属层，所述SiO2区覆盖所述栅沟槽和部分所述N+区，所述正面金属层覆盖所述SiO2区、部分所述N+区和所述源沟槽。
3.根据权利要求2所述的沟槽型SiC MOSFET元胞结构，其特征在于，所述栅沟槽的内侧壁上形成栅氧化层，掺磷多晶硅栅。
4.根据权利要求3所述的沟槽型SiC MOSFET元胞结构，其特征在于，所述栅氧化层的厚度为50~150nm。
5.根据权利要求1所述的沟槽型SiC MOSFET元胞结构，其特征在于，所述源沟槽呈倒梯形。
6.一种功能电路，其特征在于，该电路包括MOS管，所述MOS管的元胞结构为权利要求1-5任意一项所述的沟槽型SiC MOSFET元胞结构。
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2022
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