具有浪涌电压自抑和自过压保护的碳化硅UMOSFET器件元胞结构制造技术

本发明专利技术公开了具有浪涌电压自抑和自过压保护的碳化硅UMOSFET器件元胞结构，该元胞结构的p‑well区分为三层，最上层位于U型槽的左右两侧，且与U型槽接触；中间层和最下层均由分别设置在元胞结构左右两侧的两部分构成，且二者的左右两部分均不接触；中间层的左右两部分与元胞结构竖向中轴向之间的距离大于最下层的左右两部分与元胞结构竖向中轴向之间的距离；即在元胞结构的漏极电流通路上引入一JFET结构。本申请通过在漏极电流通路上特意引入的JFET结构，自动调节器件导通电阻和自锁保护效应的同时还能够保持较小器件元胞尺寸。

Cellular structure of silicon carbide UMOSFET devices with surge voltage suppression and self overvoltage protection

The invention discloses a surge voltage and overvoltage protection since the suppression of SiC UMOSFET device cellular structure, the cellular structure of the P well is divided into three layers, the upper layer is located on both sides of the U groove, and U groove contact; two part of the middle layer and the lower layer is respectively arranged in the yuan the left and right sides of the cell structure, and the two of the two parts are not contacted with the distance between the left and right; to the two part of the cellular structure of the vertical axis of the middle layer is greater than about two parts and cellular structure of the vertical axis of the lower to the distance between the introduction of a JFET structure; in the drain current cellular pathway the structure of the. The application of JFET structure in the drain current path is specially introduced, automatic regulating device on resistance and self-locking protection effect at the same time also can maintain a cell size and small device.

【技术实现步骤摘要】
具有浪涌电压自抑和自过压保护的碳化硅UMOSFET器件元胞结构
本专利技术属于H01L27/00类半导体器件
，具体涉及一种具有浪涌电压自抑和自过压保护的碳化硅UMOSFET器件元胞结构。
技术介绍
SiC材料因其优良特性在高功率方面具有强大的吸引力，成为高性能功率MOSFET的理想材料之一。SiC垂直功率MOSFET器件主要有横向型的双扩散DMOSFET以及垂直栅槽结构的UMOSFET，如图1所示。DMOSFET结构采用了平面扩散技术，采用难熔材料，如多晶硅栅作掩膜，用多晶硅栅的边缘定义P基区和N+源区。DMOS的名称就源于这种双扩散工艺。利用P型基区和n+源区的侧面扩散差异来形成表面沟道区域。而垂直栅槽结构的UMOSFET，其命名源于U型沟槽结构。该U型沟槽结构利用反应离子刻蚀在栅区形成。U型沟槽结构具有较高的沟道密度(沟道密度定义为有源区沟道宽度)，这使得器件的开态特征电阻显著减小。平面型SiCMOSFET经过行业内多年的研究，已经有一些厂商率先推出了商业化产品。对于普通横向型DMOSFET结构而言，现代技术进步已经达到了缩小MOS元胞尺寸而无法降低导通电阻的程度，主要原因是由于JFET颈区电阻的限制，即使采用更小的光刻尺寸，单位面积导通电阻也难以降到2mΩ·cm2，而沟槽结构可以有效解决这个问题。U型沟槽结构如图1(右)所示，其采用了在存储器存储电容制各工艺中专利技术的沟槽刻蚀技术，使导电沟道从横向变为纵向，相比普通结构消除了JFET颈电阻，大大增加了原胞密度，提高了功率半导体的电流处理能力。然而，SiCUMOSFET在实际制作和应用中仍然存在几个问题：1)SiC漂移区的高电场导致栅氧化层上的电场很高，这个问题在槽角处加剧，从而在高漏极电压下造成栅氧化层迅速击穿；对于恶劣环境的静电效应以及电路中的高压尖峰耐受能力差；2)由于SiC功率MOSFET主要应用在高压高频大电流领域，电路中的寄生参数会使得在高频开关过程中产生overshoot等尖峰毛刺，如图2所示，造成器件电流通路上的瞬时过压同时增加了开关过程的损耗；或由于功率负载等变化形成大的浪涌电压，因此MOSFET抗浪涌电压能力和过压保护也非常重要。因为现有MOSFET器件本身并不具备抗浪涌电压自抑制能力和过压保护能力，往往需要在实际应用中设计复杂的缓冲电路，浪涌电压抑制电路和过压保护电路，如图3所示。而这种外部匹配的抑制和过压保护电路往往有时间上的延迟，实际开关过程中的高频尖峰电压浪涌仍然由器件本身承受，有时会导致器件沟道区的击穿失效，以及栅结构和电极欧姆接触区域的逐渐失效，引起器件可靠性问题。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供具有浪涌电压自抑和自过压保护的碳化硅UMOSFET器件元胞结构，其通过在漏极电流通路上特意引入的JFET结构，自动调节器件导通电阻和自锁保护效应的同时还能够保持较小器件元胞尺寸。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：具有浪涌电压自抑和自过压保护的碳化硅UMOSFET器件元胞结构，所述元胞结构的p-well区分为三层，其中，最上层位于U型槽的左右两侧，且与U型槽接触；中间层和最下层均由分别设置在元胞结构左右两侧的两部分构成，且二者的左右两部分均不接触；中间层的左右两部分与元胞结构竖向中轴向之间的距离大于最下层的左右两部分与元胞结构竖向中轴向之间的距离；即在元胞结构的漏极电流通路上引入一JFET结构。本专利技术具有以下有益技术效果：本申请通过在漏极电流通路上特意引入的JFET结构，自动调节器件导通电阻和自锁保护效应的同时还能够保持较小器件元胞尺寸。本申请利用掩埋P层故意构造的JFET区域，在大的浪涌电压下可以自动扩展两侧的耗尽区从而增大JFET区的导通电阻，相当于一个snubber电路结构自行抑制浪涌尖峰；同时在浪涌电压过大时，两侧耗尽区域继续扩展而相互重叠，起到封锁效应，保护内部的U型槽栅极区域的栅氧化层，起到一定的尖峰电压过压保护作用。虽然在引入JFET后会增加一定的导通电阻，却具有了开关缓冲和浪涌电压自抑制效果：能增加器件对于浪涌电压和过电压的自抑制抗性，避免过压保护电路和过流保护电路由于实际作用上的时延造成的器件损坏和可靠性的减损；同时也对电路开关过程中的尖峰jitter起到缓冲作用，减小开关损耗；可以减少电路设计中的缓冲电路及snubber电路结构，减少离散性的元器件，从而降低成本，也减少了实际模块体积，增强可靠性。附图说明图1为现有技术中横向DMOSFET(左)和U沟槽UTMOSFET(右)的原胞结构示意图；图2为MOSFET开关瞬间的电压过冲及振荡现象的波形图；图3为本专利技术的具有浪涌电压自抑和自过压保护的碳化硅UMOSFET器件元胞的结构示意图；图4为本专利技术的具有浪涌电压自抑和自过压保护的碳化硅UMOSFET器件元胞在开通瞬间的主要电流通路示意图(右侧对称为画出)；图5为本专利技术的具有浪涌电压自抑和自过压保护的碳化硅UMOSFET器件元胞在JFET构造区的等效寄生参数示意图。具体实施方式下面，参考附图，对本专利技术进行更全面的说明，附图中示出了本专利技术的示例性实施例。然而，本专利技术可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本专利技术全面和完整，并将本专利技术的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。如图3所示，本专利技术提供了具有浪涌电压自抑和自过压保护的碳化硅UMOSFET器件元胞结构，该元胞结构的p-well区分为三层，其中，最上层1位于U型槽的左右两侧，且与U型槽接触；中间层2和最下层3均由分别设置在元胞结构左右两侧的两部分构成，且二者的左右两部分均不接触；中间层2的左右两部分与元胞结构竖向中轴向之间的距离大于最下层3的左右两部分与元胞结构竖向中轴向之间的距离；即在元胞结构的漏极电流通路上引入一JFET结构。如图4所示，当MOSFET应用于实际电路中，MOS开启瞬间，电流会流过JFET区域。由于电流的迅速变化，在电路中产生高频尖峰电压，而与此同时由于电流通路上的电压迅速变化，JFET区域耗尽区域迅速扩展(或收缩，对应于不同的电压变化情况)，JFET此时等效于一个可变电阻和一个结电容的并联结构，类似于一个缓冲吸收电路，如图5所示。通过具体的电路应用及器件电学模型模拟，选取合适的掩埋P区域厚度d以及掺杂浓度，就可以得到合适的寄生参数值，对实际应用于不同开关频率电路模块中时，起到有效的电压尖峰抑制作用，同时减小开通损耗。上面所述只是为了说明本专利技术，应该理解为本专利技术并不局限于以上实施例，符合本专利技术思想的各种变通形式均在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有浪涌电压自抑和自过压保护的碳化硅UMOSFET器件元胞结构，其特征在于，所述元胞结构的p‑well区分为三层，其中，最上层位于U型槽的左右两侧，且与U型槽接触；中间层和最下层均由分别设置在元胞结构左右两侧的两部分构成，且二者的左右两部分均不接触；中间层的左右两部分与元胞结构竖向中轴向之间的距离大于最下层的左右两部分与元胞结构竖向中轴向之间的距离；即在元胞结构的漏极电流通路上引入一JFET结构。

【技术特征摘要】
1.具有浪涌电压自抑和自过压保护的碳化硅UMOSFET器件元胞结构，其特征在于，所述元胞结构的p-well区分为三层，其中，最上层位于U型槽的左右两侧，且与U型槽接触；中间层和最下层均由分别设置在元胞结...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁俊，倪炜江，张敬伟，李明山，牛喜平，徐妙玲，孙安信，
申请(专利权)人：北京世纪金光半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11