一种碳化硅MOSFET器件及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种碳化硅MOSFET器件及其制造方法，本发明专利技术通过在传统碳化硅UMOSFET结构的基础上，通过改进器件结构设计并最终集成了具有整流特性的肖特基接触或异质结接触。该改进在优化传统碳化硅UMOSFET结构基本特性的同时，实现了多子整流器件的集成，极大地优化了器件第三象限工作性能，另外，本发明专利技术还针对器件动态性能进行了优化，具有更短的开关时间；除此之外，本发明专利技术还具有工艺简单、易于实现的特点。

A Silicon Carbide MOSFET Device and Its Manufacturing Method

The invention provides a silicon carbide MOSFET device and its manufacturing method. Based on the traditional silicon carbide UMOSFET structure, the invention improves the device structure design and finally integrates a Schottky contact or a heterojunction contact with rectification characteristics. The improvement not only optimizes the basic characteristics of traditional SiC UMOSFET structure, but also realizes the integration of multi-sub-rectifier components, greatly optimizes the third quadrant performance of the device. In addition, the invention also optimizes the dynamic performance of the device and has shorter switching time. In addition, the invention also has the characteristics of simple process and easy realization.

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅MOSFET器件及其制造方法
本专利技术属于功率半导体技术，具体的说，是涉及一种金属氧化物半导体场效应(MOSFET)器件结构及其制造方法。
技术介绍
人类纪元已进入21世纪，虽然出现了多种形式的新型能源，如风能、核能、太阳能以及地热能等，但世界能源生产和消费仍以化石能源为主，且化石能源依然将在很长的一段时期内占领着人类众多能源需求最重要的一席。化石能源的大量、长期使用必将导致一系列的问题，这些问题与当下全球变暖等全球环境问题的恶化息息相关。而化石能源中有相当大的比例转化为电能。电能作为人类可直接利用能源的主要形式之一，对其使用效率提升是应对世界能源问题的重要解决途径。电力系统是人类利用电能和提高电能使用效率的必要途径，电力系统对电能输运、管理以及使用效率的高低，体现着电力系统的现代化程度，进而体现着人类对于能源资源利用效率的高低。能源资源的高效率使用，对于人类可持续发展具有重大意义。具体来说，电力系统主要是对电能的产生过程进行调节、测量、控制、保护、调度和通信等，这个过程中，功率半导体器件起到了核心的作用。也就是所，功率半导体器件性能的高低，决定着大小电力系统性能。从某种程度上来说，功率半导体器件及其模块性能的优劣，关乎着人类可持续发展。功率器件当下由硅基功率器件主导，主要以晶闸管、功率PIN器件、功率双极结型器件、肖特基势垒二极管、功率MOSFET以及绝缘栅场效应晶体管为主，在全功率范围内均得到了广泛的应用，以其悠久历史、十分成熟的设计技术和工艺技术占领了功率半导体器件的主导市场。然而，因研究人员对其机理研究较为透彻，性能均已接近硅材料的理论极限，已经很难通过对硅基功率器件的设计和优化达到性能上的大幅度提升。以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等为代表的宽禁带半导体材料，亦称下一代半导体材料，以其优异的材料特性引起了科研人员的兴趣。碳化硅材料是第三代半导体材料的典型代表，也是目前晶体生长技术和器件制造水平最成熟、应用最广泛的宽禁带半导体材料之一。其相比于硅材料具有较大的禁带宽度，较高的热导率，较高的电子饱和漂移速度以及10倍于硅材料的临界击穿电场，使其在高温、高频、大功率、抗辐射应用场合下成为十分理想的半导体材料。由于碳化硅功率器件可显著降低电子设备的能耗，故碳化硅功率器件享有“带动“新能源革命”的“绿色能源”器件”美名。碳化硅MOSFET器件是以宽禁带半导体材料碳化硅制造的下一代半导体器件。该器件因其绝佳的材料优势在高压应用中受到了广泛的关注，甚至被认为有望在全功率等级上取代传统硅基IGBT。尽管如此,因MOS沟道的不理想导致MOS沟道迁移率过低，极大地限制了碳化硅MOSFET通态电流密度。因此，具有更高沟道密度、从而具有更大通态电流密度的碳化硅UMOSFET受到的广泛关注和研究。尽管碳化硅UMOSFET具有更低通态电阻以及更紧凑的元胞布局，由于底部栅氧化层电场过高的问题，给碳化硅UMOSFET长久使用带来可靠性问题。传统的碳化硅UMOSFET如图1所示。碳化硅MOSFET器件在众多应用场合中，通常需要与一个二极管反并联使用。一般认为有两种方式可以达到这个目的。第一种方法是直接使用该器件碳化硅P+区(或碳化硅P-base区)与碳化硅N-漂移区、碳化硅N+衬底形成的寄生二极管。该寄生碳化硅二极管导通压降大(碳化硅PN结导通压降约为3.1V)，且反向恢复特性差(正向导通时漂移区电导调制注入大量过剩载流子)造成了高的功率损耗，另外该寄生二极管存在的双极退化，均使其不利于其在功率市场中的推广；同时因工作速度低而导致工作效率低下，对于碳化硅MOSFET器件在逆变电路、斩波电路等应用中极为不利；第二种方法是通过将器件与外部二极管反并联使用。该方法增加了金属互连数目，增加了系统寄生电感，不利于系统可靠性的提升；同时，由于器件数目的增加，导致系统体积增大，配套的散热需求也有所提升，封装成本也有所上升。以上种种问题使得碳化硅MOSFET器件在众多实际应用中的推广受到了一定的阻碍。
技术实现思路
本专利技术需要解决的，即针对上述问题，在碳化硅UMOSFET结构的基础上，提出一种能优化碳化硅MOSFET器件在实际电路应用中存在的栅介质电场过高、功率损耗高、工作效率低、生产成本较高等问题的碳化硅MOSFET器件及其制造方法。本专利技术通过在传统碳化硅UMOSFET结构(如图1所示)的基础上，通过改进器件结构设计，使呈现台面结构突出的特点。并通过设计，最终于碳化硅MOSFET内部集成了具有整流特性的肖特基接触或异质结接触。当淀积的材料为金属时，所形成的接触，其势垒高度可以通过改变金属材料、工艺控制以及碳化硅N-外延浓度进行调节，最终形成较低导通压降(Von)的肖特基接触。通常该接触Von处于0.8V～1.5V的范围。从而实现正向电学性能优于寄生二极管的肖特基二极管的体内集成。由于该二极管为多子器件，反向恢复过程中由于不存在少子存储，具有更快的反向恢复时间、更低的反向恢复损耗以及更加的反向恢复可靠性，故相对于寄生二极管，具有更佳的反向恢复性能。该改进相对于体外反并联一个二极管的方式，显著减小了电力电子系统体积，降低了封装花费。同时由于不具有与二极管之间的金属引线，避免了金属引线带来的寄生效应，从而提高了系统应用可靠性；当淀积的材料为多晶硅时，所形成的接触为异质结接触。其特性与肖特基接触近似：同为多子器件，同时也具有整流特性。其正向导通压降Von约为1.1V，优于碳化硅MOSFET的体二极管特性，对于优化器件第三象限工作特性同样具有极佳的作用。另外，在肖特基接触金属材料或多晶硅下方的碳化硅P+区在对肖特基接触金属材料或多晶硅起到保护作用的同时，也大幅降低了器件栅介质电场，优化了器件电场分布，提升了器件耐压水平；同时，由于器件耐压能力的提升，器件JFET区域掺杂也可以做得更高，从而器件具有更低的比导Ron.sp。故本专利技术结构具有优异的电学特性。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种碳化硅MOSFET器件，元胞结构包括自下而上依次设置的漏极金属1、碳化硅N+衬底2及碳化硅N-外延层3；所述碳化硅N-外延层3左上方具有碳化硅P+区4，所述碳化硅N-外延层3右上方具有台面结构，所述台面结构包括碳化硅Pbase区10、碳化硅N+源区11和碳化硅P+接触区12，所述碳化硅N+源区11和碳化硅P+接触区12位于碳化硅Pbase区10上方，所述台面结构左侧、碳化硅N-外延层3上方具有栅极结构，所述栅极结构包括栅介质层5、多晶硅栅6以及栅电极9，多晶硅栅6由栅介质层5包围，其上方通过栅电极9引出；所述栅电极9底部高度等于所述台面结构顶部高度，所述台面结构深度浅于栅极结构，所述碳化硅Pbase区10、碳化硅N+源区11与栅极结构紧密接触，所述栅极结构左侧、碳化硅P+区4上方以及部分碳化硅N-外延层3上方具有肖特基接触金属13，肖特基接触金属13与碳化硅N-外延层3表面直接接触，形成具有整流特性的肖特基接触；所述器件表面由一层源极金属7覆盖，所述源极金属7与栅电极9通过硼磷硅玻璃BPSG8相互隔离。作为优选方式，所述肖特基接触金属13右侧覆盖了栅极结构底部区域。作为优选方式，所述栅极结构底部区域具有碳化硅P+区4。作为优选方式，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硅MOSFET器件，其特征在于：元胞结构包括自下而上依次设置的漏极金属(1)、碳化硅N+衬底(2)及碳化硅N‑外延层(3)；所述碳化硅N‑外延层(3)左上方具有碳化硅P+区(4)，所述碳化硅N‑外延层(3)右上方具有台面结构，所述台面结构包括碳化硅Pbase区(10)、碳化硅N+源区(11)和碳化硅P+接触区(12)，所述碳化硅N+源区(11)和碳化硅P+接触区(12)位于碳化硅Pbase区(10)上方，所述台面结构左侧、碳化硅N‑外延层(3)上方具有栅极结构，所述栅极结构包括栅介质层(5)、多晶硅栅(6)以及栅电极(9)，多晶硅栅(6)由栅介质层(5)包围，其上方通过栅电极(9)引出；所述栅电极(9)底部高度等于所述台面结构顶部高度，所述台面结构深度浅于栅极结构，所述碳化硅Pbase区(10)、碳化硅N+源区(11)与栅极结构紧密接触，所述栅极结构左侧、碳化硅P+区(4)上方以及部分碳化硅N‑外延层(3)上方具有肖特基接触金属(13)，肖特基接触金属(13)与碳化硅N‑外延层(3)表面直接接触，形成具有整流特性的肖特基接触；所述器件表面由一层源极金属(7)覆盖，所述源极金属(7)与栅电极(9)通过硼磷硅玻璃BPSG(8)相互隔离。...

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅MOSFET器件，其特征在于：元胞结构包括自下而上依次设置的漏极金属(1)、碳化硅N+衬底(2)及碳化硅N-外延层(3)；所述碳化硅N-外延层(3)左上方具有碳化硅P+区(4)，所述碳化硅N-外延层(3)右上方具有台面结构，所述台面结构包括碳化硅Pbase区(10)、碳化硅N+源区(11)和碳化硅P+接触区(12)，所述碳化硅N+源区(11)和碳化硅P+接触区(12)位于碳化硅Pbase区(10)上方，所述台面结构左侧、碳化硅N-外延层(3)上方具有栅极结构，所述栅极结构包括栅介质层(5)、多晶硅栅(6)以及栅电极(9)，多晶硅栅(6)由栅介质层(5)包围，其上方通过栅电极(9)引出；所述栅电极(9)底部高度等于所述台面结构顶部高度，所述台面结构深度浅于栅极结构，所述碳化硅Pbase区(10)、碳化硅N+源区(11)与栅极结构紧密接触，所述栅极结构左侧、碳化硅P+区(4)上方以及部分碳化硅N-外延层(3)上方具有肖特基接触金属(13)，肖特基接触金属(13)与碳化硅N-外延层(3)表面直接接触，形成具有整流特性的肖特基接触；所述器件表面由一层源极金属(7)覆盖，所述源极金属(7)与栅电极(9)通过硼磷硅玻璃BPSG(8)相互隔离。2.根据权利要求1所述的一种碳化硅MOSFET器件，其特征在于：所述肖特基接触金属(13)右侧覆盖了栅极结构底部区域。3.根据权利要求1或2任意一项所述的一种碳化硅MOSFET器件，其特征在于：所述栅极结构底部区域具有碳化硅P+区(4)。4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种碳化硅MOSFET器件，其特征在于：所述栅极结构底部区域具有split-gate结构。5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种碳化硅MOSFET器件，其特征在于：所述肖特基接触金属(13)区域替代为多晶硅(14)。6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种碳化硅MOSFET器件，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金平，邹华，罗君轶，赵阳，李泽宏，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51