具有电荷补偿块的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管及其制作方法技术

本发明专利技术提出了一种具有电荷补偿块的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管(VDMOS)及其制作方法。该器件在N+型碳化硅半导体衬底材料上表面形成掺杂浓度较小的N型碳化硅外延层，在VDMOS器件的N型碳化硅漂移区中再形成多层P型电荷补偿块；在此基础之上形成新型碳化硅VDMOS器件的有源区。该结构利用多层P型碳化硅电荷补偿块产生的新电场峰对VDMOS器件的纵向电场进行调制，优化器件击穿电压与比导通电阻矛盾的同时，充分利用了宽带隙半导体材料高临界击穿电场等特点，形成具有低比导通电阻和高击穿电压的碳化硅新型VDMOS；另外碳化硅材料的高热导率特性有利于VDMOS器件的散热，器件的性能得到了有效改善。

Vertical double diffused metal oxide semiconductor field effect transistor with charge compensation block and manufacturing method thereof

The present invention provides a vertical double diffusion metal oxide semiconductor field effect transistor (VDMOS) with a charge compensation block and its fabrication method. The N-type silicon carbide epitaxial layer with low doping concentration is formed on the surface of N+type silicon carbide semiconductor substrate, and the multi-layer P-type charge compensation block is formed in the N-type silicon carbide drift region of VDMOS device. On this basis, the active region of new silicon carbide VDMOS device is formed. The longitudinal electric field of VDMOS devices is modulated by a new electric field peak generated by a multi-layer P-type silicon carbide charge compensation block, which optimizes the contradiction between breakdown voltage and specific on-resistance, and makes full use of the characteristics of high critical breakdown electric field of wide-band gap semiconductor materials to form a low specific on-resistance and high breakdown voltage. In addition, the high thermal conductivity of silicon carbide material is conducive to the heat dissipation of VDMOS devices, and the device performance has been effectively improved.

【技术实现步骤摘要】
具有电荷补偿块的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管及其制作方法
本专利技术涉及功率半导体器件领域，尤其涉及一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管。
技术介绍
功率半导体器件是指主要用于电力设备的电能变换和控制电路方面的大功率电子器件。随着电力电子技术的迅速发展，功率半导体器件已经广泛应用于现代工业控制和国防装备中。纵向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(VDMOS，VerticalDouble-diffusionMetalOxideSemiconductor)以其开关速度快、损耗小、输入阻抗高、驱动功率小、频率特性好、跨导高线性度高等特性常用于功率集成电路与功率集成系统中。然而VDMOS功率器件最主要的问题就是器件的比导通电阻随着击穿电压的增加而急剧增大，这在很大程度上限制了VDMOS功率器件的发展与应用。
技术实现思路
本专利技术提出一种具有电荷补偿块的碳化硅垂直双扩散金属氧化物半导体功率器件，旨在进一步优化VDMOS的击穿电压和比导通电阻，改善器件性能。本专利技术的技术方案如下：该具有电荷补偿块的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，包括：半导体材料的N+型衬底，兼作漏区；在所述N+型衬底上表面形成的相同半导体材料的N型外延层；在所述N型外延层上部区域靠近两侧形成的两处P型基区；在每一处P型基区中形成的沟道以及N+型源区和P+沟道衬底接触，其中N+型源区与沟道邻接，P+沟道衬底接触相对于N+型源区位于沟道远端；栅氧化层，位于所述N型外延层上表面，覆盖两处P型基区之间的部分以及相应的两处沟道；栅极，位于栅氧化层上表面；源极，覆盖于P+沟道衬底接触与N+型源区相接区域的上表面；两处源极共接；漏极，位于所述N+型衬底下表面；有别于现有技术的是：所述N+型衬底和N型外延层均为宽带隙半导体材料；在所述N型外延层中，对应于两处P型基区，分别沿纵向间隔分布有多层相同半导体材料的P型电荷补偿块；P型电荷补偿块的横向宽度从P型基区到N+型衬底呈现依次减小的趋势，其最大横向宽度不超过P型基区的横向宽度；P型电荷补偿块的掺杂浓度从P型基区到N+型衬底则呈现依次增大的趋势；N型外延层的掺杂浓度比N+型衬底的掺杂浓度低4-6个数量级，P型电荷补偿块的掺杂浓度比N+型衬底的掺杂浓度低3-5个数量级。N型外延层和P型电荷补偿块的具体厚度、间距和掺杂浓度由器件的耐压要求决定。基于以上方案，本专利技术还进一步作了如下优化：所述宽带隙半导体材料为氮化镓、碳化硅或金刚石。所述P型基区、N+型源区、P+沟道衬底接触以及沟道，是在N型外延层上部区域采用离子注入以及双扩散技术形成的。P型基区以及多层P型电荷补偿块整体呈左右对称结构。多层P型电荷补偿块横向宽度依次递减10％～40％。多层P型电荷补偿块中最大的横向宽度为P型基区横向宽度的70％～90％；最小的横向宽度为P型基区横向宽度的10％～40％。横向宽度最大(即最靠近P型基区)的P型电荷补偿块与P型基区之间的纵向距离为N型外延层纵向厚度的5％～20％；横向宽度最小(即最接近N+型衬底)的P型电荷补偿块与N+型衬底之间纵向距离为N型外延层纵向厚度的5％～20％。相邻两层P型电荷补偿块之间的纵向距离相等，且为N型外延层纵向厚度的5％～20％；所述多层P型电荷补偿块纵向厚度之和为N型外延层纵向厚度的40％～80％。栅极为多晶硅栅极，源极和漏极为金属化电极。一种制作上述具有电荷补偿块的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管的方法，包括以下步骤：在宽带隙半导体材料的N+型衬底的上表面形成宽带隙半导体材料的N型外延层和P型电荷补偿块；在N+型衬底下表面形成金属化漏极；在N型外延层上部区域采用离子注入分别形成两处P型基区及其N+型源区和P+沟道衬底接触，并采用双扩散技术形成相应的沟道；在整个N型外延层上表面淀积栅氧化层和多晶硅，然后刻蚀多晶硅以及栅氧化层(去除位于两处源极上表面的部分)，形成多晶硅栅极；在器件表面淀积钝化层，并在对应于源极的位置刻蚀接触孔；在接触孔内淀积金属并刻蚀(去除周边其余的钝化层)形成源极，并将两处源极共接。本专利技术的有益效果如下：本专利技术充分利用宽带隙半导体材料的高临界击穿电场等优势，首先在N+型衬底上表面形成掺杂浓度较小的N型外延层，然后在VDMOS器件的N型漂移区中再形成多层P型碳化硅电荷补偿块；再此基础之上形成VDMOS器件的有源区。该结构利用多层P型碳化硅电荷补偿块产生的新电场峰对VDMOS器件的纵向电场进行调制，优化器件击穿电压与比导通电阻矛盾的同时，由于宽带隙半导体材料的高临界击穿电场等优势，形成具有低比导通电阻和高击穿电压的新型VDMOS。碳化硅等材料的高热导率特性还有利于新型VDMOS器件的散热，器件的性能进一步得到了有效改善。附图说明图1是本专利技术的结构示意图。其中，1-源极；2-栅氧化层；3-栅极；4-源极；5-P+沟道衬底接触(P+型体区)；6-N+型源区；7-P型基区；801-N型碳化硅外延层；802-P型碳化硅电荷补偿块；803-N+型衬底；9-漏极。具体实施方式下面结合附图以N沟道VDMOS为例介绍本专利技术。如图1所示，本实施例的结构包括：碳化硅材料的N+型衬底803；在N+型衬底803上表面形成的碳化硅半导体材料的N型外延层，记为N型碳化硅外延层801；多层P型碳化硅电荷补偿块802；多层P型电荷补偿块802层数可随N型碳化硅外延层801纵向厚度的增大依次增加；P型电荷补偿块802的横向宽度从P型基区7到N+型衬底803呈现依次减小的趋势，其最大横向宽度不超过P型基区7的横向宽度；P型电荷补偿块802的掺杂浓度从P型基区7到N+型衬底803则呈现依次增大的趋势；多层P型电荷补偿块802横向宽度依次递减10％～40％；多层P型电荷补偿块802中最大的横向宽度为P型基区7横向宽度的70％～90％；最小的横向宽度为P型基区7横向宽度的10％～40％；横向宽度最大(即最靠近P型基区)的P型电荷补偿块802与P型基区7之间的纵向距离为N型碳化硅外延层801纵向厚度的5％～20％；横向宽度最小(即最接近N+型衬底)的P型电荷补偿块802与N+型衬底803之间纵向距离为N型碳化硅外延层801纵向厚度的5％～20％；相邻两层P型电荷补偿块(802)之间的纵向距离相等，且为N型碳化硅外延层801纵向厚度的5％～20％；所述多层P型电荷补偿块802纵向厚度之和为N型碳化硅外延层801纵向厚度的40％～80％；在N型碳化硅外延层801上部形成的两处P型基区7；在每一处P型基区7中形成的沟道以及N+型源区6和P+沟道衬底接触5，其中N+型源区6与沟道邻接，P+沟道衬底接触5相对于N+型源区6位于沟道远端；栅氧化层2，位于N型碳化硅外延层801上表面，覆盖两处P型基区7之间的部分以及相应的两处沟道；栅极3，位于栅氧化层2上表面；源极1、4，覆盖P+沟道衬底接触5与N+型源区6相接区域的上表面；两处源极1、4共接；漏极9，位于N+型衬底803下表面。该器件具体可以通过以下步骤进行制备：在碳化硅半导体材料的N+型衬底803的上表面形成N型碳化硅外延层801；在形成所述N型碳化硅外延层801的同时，形成多层P型碳化硅电荷补偿块802，其中N型碳化硅外延层801的掺杂浓度比N+型衬底803的掺杂浓度低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有电荷补偿块的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，包括：半导体材料的N+型衬底(803)，兼作漏区；在所述N+型衬底(803)上表面形成的相同半导体材料的N型外延层(801)；在所述N型外延层(801)上部区域靠近两侧形成的两处P型基区(7)；在每一处P型基区(7)中形成的沟道以及N+型源区(6)和P+沟道衬底接触(5)，其中N+型源区(6)与沟道邻接，P+沟道衬底接触(5)相对于N+型源区(6)位于沟道远端；栅氧化层(2)，位于所述N型外延层(801)上表面，覆盖两处P型基区(7)之间的部分以及相应的两处沟道；栅极(3)，位于栅氧化层(2)上表面；源极(1、4)，覆盖于P+沟道衬底接触(5)与N+型源区(6)相接区域的上表面；两处源极(1、4)共接；漏极(9)，位于所述N+型衬底(803)下表面；其特征在于：所述N+型衬底(803)和N型外延层(801)均为宽带隙半导体材料；在所述N型外延层(801)中，对应于两处P型基区(7)，分别沿纵向间隔分布有多层相同半导体材料的P型电荷补偿块(802)；P型电荷补偿块(802)的横向宽度从P型基区(7)到N+型衬底(803)呈现依次减小的趋势，其最大横向宽度不超过P型基区(7)的横向宽度；P型电荷补偿块(802)的掺杂浓度从P型基区(7)到N+型衬底(803)则呈现依次增大的趋势；N型外延层(801)的掺杂浓度比N+型衬底(803)的掺杂浓度低4‑6个数量级，P型电荷补偿块(802)的掺杂浓度比N+型衬底(803)的掺杂浓度低3‑5个数量级。...

【技术特征摘要】
1.具有电荷补偿块的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，包括：半导体材料的N+型衬底(803)，兼作漏区；在所述N+型衬底(803)上表面形成的相同半导体材料的N型外延层(801)；在所述N型外延层(801)上部区域靠近两侧形成的两处P型基区(7)；在每一处P型基区(7)中形成的沟道以及N+型源区(6)和P+沟道衬底接触(5)，其中N+型源区(6)与沟道邻接，P+沟道衬底接触(5)相对于N+型源区(6)位于沟道远端；栅氧化层(2)，位于所述N型外延层(801)上表面，覆盖两处P型基区(7)之间的部分以及相应的两处沟道；栅极(3)，位于栅氧化层(2)上表面；源极(1、4)，覆盖于P+沟道衬底接触(5)与N+型源区(6)相接区域的上表面；两处源极(1、4)共接；漏极(9)，位于所述N+型衬底(803)下表面；其特征在于：所述N+型衬底(803)和N型外延层(801)均为宽带隙半导体材料；在所述N型外延层(801)中，对应于两处P型基区(7)，分别沿纵向间隔分布有多层相同半导体材料的P型电荷补偿块(802)；P型电荷补偿块(802)的横向宽度从P型基区(7)到N+型衬底(803)呈现依次减小的趋势，其最大横向宽度不超过P型基区(7)的横向宽度；P型电荷补偿块(802)的掺杂浓度从P型基区(7)到N+型衬底(803)则呈现依次增大的趋势；N型外延层(801)的掺杂浓度比N+型衬底(803)的掺杂浓度低4-6个数量级，P型电荷补偿块(802)的掺杂浓度比N+型衬底(803)的掺杂浓度低3-5个数量级。2.根据权利要求1所述的具有电荷补偿块的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于：所述宽带隙半导体材料为氮化镓、碳化硅或金刚石。3.根据权利要求1所述的具有电荷补偿块的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于：所述P型基区(7)、N+型源区(6)、P+沟道衬底接触(5)以及沟道，是在N型外延层(801)上部区域采用离子注入以及双扩散技术形成的。4.根据权利要求1所述的具有电荷补偿块的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：段宝兴，杨鑫，孙李诚，王彦东，杨银堂，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61