一种横向MOSFET器件及其制备方法技术

一种横向MOSFET器件，属于功率半导体器件技术领域。本发明专利技术通过挖槽填充将传统横向MOSFET器件结构中接触区及其下方部分区域替换为多晶硅区或肖特基接触金属区，用以形成具有整流特性的异质结或者肖特基接触，由于异质结或者肖特基接触为多子器件且导通压降相较传统寄生二极管更低，故可以优化器件的反向恢复特性，且实现优异的第三象限通态性能；相对于体外反并联二极管方式，显著减小了电子电力系统体积，降低封装成本，减少互联线及互联线所带来的寄生效应，从而提高了系统的可靠性。同时，针对器件栅介质电场过高问题进行了优化设计，使得器件长久应用可靠性能得以提升。此外，本发明专利技术器件的制备方法简单可控、易于实现，促进了半导体功率器件在众多实际应用中的推广。

A Transverse MOSFET Device and Its Fabrication Method

A transverse MOSFET device belongs to the technical field of power semiconductor devices. The invention replaces the contact area and the lower part of the traditional transverse MOSFET device structure with polycrystalline silicon area or Schottky contact metal area by trench filling to form a rectifying heterojunction or Schottky contact. Because the heterojunction or Schottky contact is a multi-sub device and the on-voltage drop is lower than that of the traditional parasitic diode, the reverse recovery of the device can be optimized. Complex characteristics and excellent third quadrant on-state performance are achieved. Compared with the external anti-parallel diode mode, it significantly reduces the size of the electronic power system, reduces packaging costs, and reduces parasitic effects caused by interconnection lines and interconnection lines, thus improving the reliability of the system. At the same time, the problem of high electric field in gate dielectrics is optimized, which improves the reliability of devices in long-term application. In addition, the preparation method of the device is simple, controllable and easy to realize, which promotes the popularization of the semiconductor power device in many practical applications.

【技术实现步骤摘要】
一种横向MOSFET器件及其制备方法
本专利技术属于功率半导体
，具体涉及一种横向金属氧化物半导体场效应管Lateral-MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor,Lateral-MOSFET器件及其制备方法。
技术介绍
进入21世纪以来，世界能源生产和消费仍以化石能源为主。结合当下能源资源的开发及利用的情况来说，化石能源在较长时期内仍然是人类生存和发展的能源基础。而化石能源终将枯竭，且易引发环境污染问题，由此引发的环境与可持续发展问题是人类必须面对的难题。电能作为人类可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、管理以及使用的效率的高低，体现着电力系统的现代化程度。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，功率半导体器件作为电子电力技术的核心，其性能的优劣直接影响着电力系统得性能。从某种程度上来说，功率半导体器件性能的优劣，也关乎着节能减排效益高低。在大量的应用场合，半导体功率器件需要和一个反并联的二极管一起作为续流使用。传统的做法是使用分立的功率开关器件和分立的续流二极管，在外电路上将其反并联起来。该方法增加了互联线，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。自1996年S.Coffa等人提出将作为主开关元件的半导体功率器件和续流二极管制作在同一块半导体芯片上，功率集成器件便成为功率器件研究的一个重要方向。功率集成器件可显著降低成本、大幅度缩小体积、并且提高可靠性，然而目前此类集成及其存在的最大问题是集成器件中续流二极管开关速度慢，不能满足其在高频领域中应用的要求，因此如何提高集成二极管的开关性能一直以来是国内外研究的前沿课题。传统功率器件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受到了功率器件设计人员的高度青睐。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，故碳化硅功率器件也被誉为“新能源革命”的“绿色能源”器件。碳化硅功率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，在高温、高压、强辐射以及高速领域具有极佳的适用场合。传统横向碳化硅MOSFET器件元胞结构示意图如图1所示。该器件存在靠近漏极一端的栅介质层电场过高的问题。栅介质层电场过高，将导致氧化层击穿，造成器件永久性损坏；而即便栅介质层电场还未达到8MV/cm的击穿电场水平，其较高的电场分布，也极易导致器件时变击穿，造成器件长久应用可靠性能低下的问题。同时，针对与MOSFET反并联二极管的采用问题，业内具体是直接使用碳化硅MOSFET器件的P-base区、N-漂移区和N+漏区形成的寄生二极管作为续流二极管，该寄生二极管导通压降大(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)致使高的功率损耗，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器件在实际应用中极为不利。上述种种问题不仅体现在碳化硅材料制成的功率器件，同时也体现在其余半导体材料制成的功率器件，这些问题阻碍了半导体功率器件在众多实际应用中的推广。
技术实现思路
本专利技术针对现有功率半导体器件在实际电路应用存在栅介质层电场过高导致的长久应用可靠性差、反向恢复特性差致使功率损耗高、工作速度低等问题，提供了一种横向MOSFET器件。通过挖槽填充将传统横向MOSFET器件结构中接触区及其底部替换为多晶硅区或肖特基接触金属区，用以形成具有整流特性的异质结或者肖特基接触，由于异质结或者肖特基接触为多子器件且导通压降相较传统寄生二极管更低，故可以优化器件的反向恢复特性，且实现优异的第三象限通态性能；相对于体外反并联二极管方式，显著减小了电子电力系统体积，降低封装成本，减少互联线及互联线所带来的寄生效应，从而提高了系统的可靠性。同时，针对栅介质层电场过高的问题，本专利技术还于栅结构附近提出了优化方式，在对器件正向性能影响较小的同时，降低了器件阻态下栅介质层电场，从而在整体上优化了器件性能。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：技术方案一：一种横向MOSFET器件，包括自下而上依次层叠设置的衬底电极12、第二导电类型半导体衬底11和第一导电类型半导体外延层9，第一导电类型半导体外延层9一侧的顶层设置有第一导电类型半导体漏区10，另一侧的顶层设置有第一导电类型半导体源区7；所述第一导电类型半导体漏区10的上表面设置有漏极金属5；其特征在于：第一导电类型半导体外延层9的顶层还设置有窄禁带半导体区13；所述窄禁带半导体区13紧挨第一导电类型半导体源区7且设置在远离漏极金属5的一侧；所述窄禁带半导体区13的上表面和部分第一导电类型半导体源区7的上表面设置有源极金属1；第一导电类型半导体源区7与第一导电类型半导体外延层9之间隔着第二导电类型半导体base区8；第一导电类型半导体外延层9的表面具有栅极结构，所述栅极结构由栅介质层4、栅电极3和栅极金属2构成；其中栅电极3与栅极金属2接触，且通过栅介质层4与第一导电类型半导体源区7、第二导电类型半导体base区8和第一导电类型半导体外延层9接触；所述栅极金属2、源极金属1和漏极金属5相互隔离；第一导电类型半导体源区7、第二导电类型半导体base区8和第一导电类型半导体外延层9与窄禁带半导体区13的侧面接触，第一导电类型半导体外延层9与窄禁带半导体区13的底面接触，所述半导体材料与窄禁带半导体材料在其接触界面形成具有整流特性的异质结。根据本专利技术实施例，本专利技术窄禁带半导体区13所用窄禁带半导体材料为多晶硅，所用半导体为碳化硅。进一步的，本专利技术第一导电类型半导体外延层9内部具有体内第二导电类型半导体区15，体内第二导电类型半导体区15设置在第二导电类型半导体base区8的下方，其一侧延伸到第一导电类型半导体源区7的下方且靠近窄禁带半导体区13设置，其另一侧延伸超过栅极结构，降低了多子器件附近的电场水平，使得窄禁带半导体区13和栅极结构底部的电场集中效应得到改善。对于所集成具有整流特性的异质结具有良好的屏蔽效果。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种横向MOSFET器件，包括自下而上依次层叠设置的衬底电极(12)、第二导电类型半导体衬底(11)和第一导电类型半导体外延层(9)，第一导电类型半导体外延层(9)一侧的顶层设置有第一导电类型半导体漏区(10)，另一侧的顶层设置有第一导电类型半导体源区(7)；所述第一导电类型半导体漏区(10)的上表面设置有漏极金属(5)；其特征在于：第一导电类型半导体外延层(9)的顶层还设置有窄禁带半导体区(13)；所述窄禁带半导体区(13)紧挨第一导电类型半导体源区(7)且设置在远离漏极金属(5)的一侧；所述窄禁带半导体区(13)的上表面和部分第一导电类型半导体源区(7)的上表面设置有源极金属(1)；第一导电类型半导体源区(7)与第一导电类型半导体外延层(9)之间隔着第二导电类型半导体base区(8)；第一导电类型半导体外延层(9)的表面具有栅极结构，所述栅极结构由栅介质层(4)、栅电极(3)和栅极金属(2)构成；其中栅电极(3)与栅极金属(2)接触，且通过栅介质层(4)与第一导电类型半导体源区(7)、第二导电类型半导体base区(8)和第一导电类型半导体外延层(9)接触；所述栅极金属(2)、源极金属(1)和漏极金属(5)相互隔离；第一导电类型半导体源区(7)、第二导电类型半导体base区(8)和第一导电类型半导体外延层(9)与窄禁带半导体区(13)的侧面接触，第一导电类型半导体外延层(9)与窄禁带半导体区(13)的底面接触。...

【技术特征摘要】
1.一种横向MOSFET器件，包括自下而上依次层叠设置的衬底电极(12)、第二导电类型半导体衬底(11)和第一导电类型半导体外延层(9)，第一导电类型半导体外延层(9)一侧的顶层设置有第一导电类型半导体漏区(10)，另一侧的顶层设置有第一导电类型半导体源区(7)；所述第一导电类型半导体漏区(10)的上表面设置有漏极金属(5)；其特征在于：第一导电类型半导体外延层(9)的顶层还设置有窄禁带半导体区(13)；所述窄禁带半导体区(13)紧挨第一导电类型半导体源区(7)且设置在远离漏极金属(5)的一侧；所述窄禁带半导体区(13)的上表面和部分第一导电类型半导体源区(7)的上表面设置有源极金属(1)；第一导电类型半导体源区(7)与第一导电类型半导体外延层(9)之间隔着第二导电类型半导体base区(8)；第一导电类型半导体外延层(9)的表面具有栅极结构，所述栅极结构由栅介质层(4)、栅电极(3)和栅极金属(2)构成；其中栅电极(3)与栅极金属(2)接触，且通过栅介质层(4)与第一导电类型半导体源区(7)、第二导电类型半导体base区(8)和第一导电类型半导体外延层(9)接触；所述栅极金属(2)、源极金属(1)和漏极金属(5)相互隔离；第一导电类型半导体源区(7)、第二导电类型半导体base区(8)和第一导电类型半导体外延层(9)与窄禁带半导体区(13)的侧面接触，第一导电类型半导体外延层(9)与窄禁带半导体区(13)的底面接触。2.根据权利要求1所述的一种横向MOSFET器件，其特征在于，所述半导体材料与窄禁带半导体材料在其接触界面形成具有整流特性的异质结。3.根据权利要求2所述的一种横向MOSFET器件，其特征在于，所述窄禁带半导体区(13)的底层设置为相互独立的窄禁带半导体分区，若干个窄禁带半导体分区之间通过第一导电类型半导体外延层(9)隔离。4.根据权利要求2所述的一种横向MOSFET器件，其特征在于，栅极结构为三维栅结构，其中与靠近第二导电类型半导体base区(8)的第一导电类型半导体源区(7)一侧、第二导电类型半导体base区(8)以及与靠近第二导电类型半导体base区(8)的第一导电类型半导体外延层(9)一侧接触部分的栅极结构设置成凹槽型平面栅结构。5.根据权利要求4所述的一种横向MOSFET器件，其特征在于，所述三维栅极结构凹槽内靠近第一导电类型半导体漏区(10)一侧具有split-gate结构(23),且split-gate结构内部多晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金平，邹华，赵阳，罗君轶，刘竞秀，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