一种集成异质结二极管的分离栅SiC MOSFET及其制作方法转让专利
申请号 : CN202210423252.X
文献号 : CN114664929B
文献日 : 2023-05-02
发明人 : 张金平 , 吴庆霖 , 陈伟 , 张波
申请人 : 电子科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种集成异质结二极管的分离栅SiC MOSFET,以三维直角坐标系对器件的三维方向进行定义:定义器件横向方向为X轴方向、器件垂直方向为Y轴方向、器件纵向方向即第三维方向为Z轴方向,其特征在于,其半元胞结构包括:沿Z轴方向,从下至上依次层叠设置的背部漏极金属(12)、N型衬底层(1)和N‑漂移区(2);沿X轴方向,所述N‑漂移区(2)的顶层一侧具有P型基区(3‑1)、P‑区(4)、N+源区(5)和P+源区(6),P‑区(4)、N+源区(5)和P+源区(6)依次并排设置且侧面相互接触,P+源区(6)靠近所述N‑漂移区(2)的侧面设置,所述N‑漂移区(2)的顶层另一侧具有P型区(3‑2)和poly区(7);沿Z轴方向,P‑区(4)、N+源区(5)和P+源区(6)位于所述P型基区(3‑1)上,poly区(7)位于P型区(3‑2)上;沿Y轴方向,所述N‑漂移区(2)的顶层两侧具有间隔式分布的P型区(3‑2),且P型区(3‑2)上具有poly区(7);
沿Z轴方向,所述N+源区(5)的第一部分、沿X轴方向上分布的所述P‑区(4)和poly区(7)之间的N‑漂移区(2)的第一部分、沿Y轴方向上分布的poly区(7)之间的N‑漂移区(2)的第二部分以及所述P‑区(4)上具有栅结构,所述N+源区(5)的第二部分、P+源区(6)和poly区(7)上具有源极金属(11),所述源极金属(11)和所述栅结构之间具有介质层(10);
沿Y轴方向,所述源极金属(11)与N+源区(5)和P+源区(6)形成欧姆接触,所述源极金属(11)通过poly区(7)与N‑漂移区(2)形成异质结二极管,使其内部集成了一个异质结二极管。
2. 根据权利要求1所述的一种集成异质结二极管的分离栅SiC MOSFET,其特征在于,间隔式分布的P型区(3‑2)上的poly区(7)相连。
3. 根据权利要求1所述的一种集成异质结二极管的分离栅SiC MOSFET,其特征在于,所述N‑漂移区(2)的顶层还具有载流子存储层(13),所述载流子存储层(13)的掺杂浓度高于所述N‑漂移区(2)的掺杂浓度,所述载流子存储层(13)的结深大于或小于P型基区(3‑1)和P型区(3‑2)的结深。
4. 根据权利要求1‑3任一项所述的一种集成异质结二极管的分离栅SiC MOSFET,其特征在于,所述poly区(7)采用N型掺杂或采用P型掺杂。
5. 根据权利要求1‑3任一项所述的一种集成异质结二极管的分离栅SiC MOSFET,其特征在于,所述P+源区(6)的结深与所述P型基区(3‑1)和P型区(3‑2)的结深相同。
6. 根据权利要求1‑3任一项所述的一种集成异质结二极管的分离栅SiC MOSFET,其特征在于,所述栅结构为分离栅结构。
7. 根据权利要求1‑3任一项所述的一种集成异质结二极管的分离栅SiC MOSFET,其特征在于,所述栅结构包括由下至上依次层叠设置的栅氧化层(8)和栅电极(9)。
8.一种权利要求1‑7任一项所述的一种集成异质结二极管的分离栅SiC MOSFET的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:选取N型重掺杂单晶碳化硅片作为器件的N型衬底层(1);
步骤2:采用外延工艺,在N型重掺杂单晶碳化硅片上形成N‑漂移区(2);
步骤3:采用光刻工艺并通过多次离子注入P型杂质形成P型基区(3‑1)和P型区(3‑2);
步骤4:采用光刻工艺并通过多次离子注入P型杂质形成P‑区(4);
步骤5:采用氧化自对准工艺并通过多次离子注入N型杂质形成N+源区(5);
步骤6:采用光刻工艺并通过多次离子注入P型杂质形成P+源区(6);
步骤7:采用刻蚀工艺并淀积多晶形成poly区(7);
步骤8:通过氧化工艺形成栅氧化层(8),并在栅氧化层(8)上淀积一层多晶作为栅电极(9);
步骤9:通过刻蚀工艺将部分多晶和栅氧化层刻蚀掉,形成栅结构,并淀积一层介质层(10)覆盖在多晶上;
步骤10:通过光刻工艺在器件正面开出源极金属孔,并溅射一层金属作为源极金属(11);
步骤11:翻转器件,在背面溅射一层金属作为漏极金属(12)。
9. 根据权利要求8所述的一种集成异质结二极管的分离栅SiC MOSFET的制作方法,其特征在于,还包括步骤:通过多次离子注入N型杂质在所述N‑漂移区(2)的顶层形成载流子存储层(13)。
说明书 :
一种集成异质结二极管的分离栅SiC MOSFET及其制作方法
技术领域
背景技术
结构是在20世纪70年代中期发展起来的,与双极型晶体管BJT相比性能有了很大的提升,双
极型晶体管结构的主要问题是高压应用时电流增益低,并且由于漂移区的少子注入电荷存
储时间较长,导致功率双极型晶体管不能在高频下工作。在感性负载应用时,硬开关过程会
导致破坏性失效。在器件应用这一方面,用电压控制器件代替电流控制可以规避这一问题,
MOSFET栅结构输入阻抗高,驱动简单,高频领域开关性能优越,可以承受高压大电流,因而
发展为现代电力电子电路中的核心电子元器件之一,被广泛应用于交通、通信、家用电器及
航空航天各个领域,MOSFET的运用也极大地改善了电力电子系统的性能。
导体材料,碳化硅(SiC)是一种有着优异物理特性和电气性能的宽禁带半导体材料,适合作
为高电压、低损耗功率器件的衬底材料。将SiC材料应用于功率MOSFET器件中必定会进一步
提升各项性能,让器件在实际应用中发挥更大的作用。
别是如何进一步减小导通电阻Rds,on,减小栅电极与漏电极间电荷Qgd以及栅电极与漏电
极间电容Cgd,从而改善器件的高频品质因数(HF‑FOM)。在性能上通过优化阈值电压和提高
正向阻断电压来获得更好的器件性能。图1为传统平面栅SiC MOSFET半元胞结构示意图。当
SiC MOSFET应用于感性负载电路中,通常需要在电路中并联一个续流二极管,当感性负载
的电流突然增大或减小时,负载两端会产生突变电压,这将有可能破坏器件或其他元件,当
配合续流二极管使用时,负载电流可以平缓的变化,从而避免电压的突变,对器件起到一定
的保护作用,但由于SiC MOSFET的寄生体二极管存在严重的双极退化现象、开启时压降较
大以及在关断时存在严重的反向恢复现象,这将不可避免的增大器件的开关损耗,所以SiC
MOSFET的寄生体二极管不适合作为续流二极管使用,因此,通常会在电路中并联一个续流
二极管,虽然该续流二极管避免了SiC MOSFET的寄生体二极管问题,但也会额外的增加设
计成本,并且外部并联的续流二极管与SiC MOSFET之间存在金属互连问题,这会导致器件
的可靠性降低,电容和开关损耗也会增大。正因为存在上述问题,所以尝试在SiC MOSFET内
部集成一个二极管来实现这一功能,既避免了寄生体二极管问题,又不用在器件外部单独
并联一个续流二极管,由于肖特基势垒二极管(SBD)的开启压降较低,且反向恢复过程非常
短,所以通常选择集成SBD来实现续流二极管的作用,但由于受限于肖特基势垒高度,集成
SBD的正向压降均仍较大,所以需要集成一种新型的二极管来改善这一问题。
发明内容
个异质结二极管,可以在不增加SiC MOSFET元胞宽度的同时,有效的改善寄生体二极管的
正向开启压降过大和反向恢复时间过长等问题。且与集成SBD相比,集成异质结二极管具有
更小的正向压降。同时,在JFET区域y方向引入了间隔的P型掺杂区可以改善阻断工作时器
件JFET区的电场分布和氧化层内的峰值电场,从而可以在设计时采用浓度更高的CSL层,在
不降低器件反向阻断特性的同时,提高器件的正向导通特性,降低器件正向导通时的电阻。
此外,还可以通过采用分离栅结构来减小栅极与漏极之间的电容,这将改善器件的开关速
度,从而减小器件的开关损耗。
件垂直方向为Y轴方向、器件纵向方向即第三维方向为Z轴方向,其特征在于,其半元胞结构
包括:沿Z轴方向,从下至上依次层叠设置的背部漏极金属12、N型衬底层1和N‑漂移区2;沿X
轴方向,所述N‑漂移区2的顶层一侧具有P型基区3‑1、P‑区4、N+源区5和P+源区6,P‑区4、N+
源区5和P+源区6依次并排设置且侧面相互接触,P+源区6靠近所述N‑漂移区2的侧面设置,
所述N‑漂移区2的顶层另一侧具有P型区3‑2和poly区7;沿Z轴方向,P‑区4、N+源区5和P+源
区6位于所述P型基区3‑1上,poly区7位于P型区3‑2上;沿Y轴方向,所述N‑漂移区2的顶层两
侧具有间隔式分布的P型区3‑2,且P型区3‑2上具有poly区7;
所述P‑区4上具有栅结构,所述N+源区5的第二部分、P+源区6和poly区7上具有源极金属11,
所述源极金属11和所述栅结构之间具有介质层10;
3‑1和P型区3‑2的结深。
间过长等问题,从而满足实际使用中的电路设计需求,降低电路设计成本,避免由于金属互
连问题导致的器件的可靠性降低、电容和开关损耗的增大。
扩展开来,导通时器件会对感性负载电路中的电感进行充电,电感上会储存一定量电荷。当
栅电压小于器件阈值电压变为0时,SiC MOSFET处于关断状态,负载电流要通过续流二极管
进行续流,此时续流二极管是正向偏置的,由于在SiC MOSFET的三维y方向上集成一个异质
结二极管,该异质结二极管的正向压降较低,可以很好的抑制寄生体二极管的电活性,负载
电流就可以在集成的异质结二极管中流动进行续流。当器件再次开启时,负载电流要流向
SiC MOSFET,此时流向异质结二极管的负载电流会减小,由于异质结二极管的反向恢复时
间很短,对器件的开关速度影响很小,从而改善了SiC MOSFET的开关特性。
反向恢复时间过长等问题。并且与内部集成SBD相比,集成的异质结二极管具有更小的正向
压降。
时这种设计方法不需要增加额外的光刻版,也不会使制造工艺复杂化。并且在三维y方向集
成异质结二极管的方式集成度更高,不会增加JFET区宽度,同时能够保证形成良好的欧姆
接触和肖特基接触。同时,在JFET区域y方向引入了间隔的P型掺杂区可以改善阻断工作时
器件JFET区的电场分布和氧化层内的峰值电场,从而可以在设计时采用浓度更高的CSL层,
在不降低器件反向阻断特性的同时,提高器件的正向导通特性,降低器件正向导通时的电
阻。另外,还可通过采用分离栅结构减小了栅极与漏极之间的电容,这将改善器件的开关速
度,从而减小器件的开关损耗。
附图说明
具体实施方式
件垂直方向为Y轴方向、器件纵向方向即第三维方向为Z轴方向,其特征在于,其半元胞结构
包括:沿Z轴方向,从下至上依次层叠设置的背部漏极金属12、N型衬底层1和N‑漂移区2;沿X
轴方向,所述N‑漂移区2的顶层一侧具有P型基区3‑1、P‑区4、N+源区5和P+源区6,P‑区4、N+
源区5和P+源区6依次并排设置且侧面相互接触,P+源区6靠近所述N‑漂移区2的侧面设置,
所述N‑漂移区2的顶层另一侧具有P型区3‑2和poly区7;沿Z轴方向,P‑区4、N+源区5和P+源
区6位于所述P型基区3‑1上,poly区7位于P型区3‑2上;沿Y轴方向,所述N‑漂移区2的顶层两
侧具有间隔式分布的P型区3‑2,且P型区3‑2上具有poly区7;
所述P‑区4上具有栅结构,所述N+源区5的第二部分、P+源区6和poly区7上具有源极金属11,
所述源极金属11和所述栅结构之间具有介质层10;
poly区7还可以采用P型掺杂。
所述载流子存储层13的掺杂浓度高于所述N‑漂移区2的掺杂浓度,所述载流子存储层13的
结深大于或小于P型基区3‑1和P型区3‑2的结深。
结深相同。
所述载流子存储层13的掺杂浓度高于所述N‑漂移区2的掺杂浓度,所述载流子存储层13的
结深大于或小于P型基区3‑1和P型区3‑2的结深。
示;
的可靠性降低、电容和开关损耗的增大的问题。
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三
个等,除非另有明确具体的限定。
部的连通或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。