碳化硅器件的元胞结构、其制备方法及碳化硅器件技术

本公开提供一种碳化硅器件的元胞结构、其制备方法及碳化硅器件，所述元胞结构包括：多个间隔设置于所述漂移层表面内的第二导电类型阱区；位于所述阱区表面内的源区；位于相邻两个所述阱区之间的栅极沟槽；位于所述漂移层内且纵向间隔设置于所述栅极沟槽下方的第二导电类屏蔽区；其中，所述屏蔽区的顶部与所述栅极沟槽的底部和所述阱区的底部接触。通过在栅极沟槽底部设置纵向间隔的第二导电类型的屏蔽区，可大幅降低阻断状态下器件的栅极介质层的电场应力，大幅提高器件的长期使用可靠性；所述屏蔽区与源极金属层电连接，可以提高器件的开关频率，降低开关损耗。

【技术实现步骤摘要】
碳化硅器件的元胞结构、其制备方法及碳化硅器件
本公开涉及半导体器件
，具体涉及一种碳化硅器件的元胞结构、其制备方法及碳化硅器件。
技术介绍
随着新能源电动汽车市场的兴起，新型宽禁带半导体碳化硅(SiC)功率器件迎来快速发展契机，这要归结于碳化硅材料具有出色的物理、化学和电性能，例如，碳化硅的击穿电场强度是硅的10倍、导热率是硅的3倍等。尤其是碳化硅金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET)器件，已有多家厂商推出了商业化产品。但是，碳化硅功率器件(MOSFET)也仍存在一些基本问题，尤其是平面栅碳化硅功率器件(MOSFET)，在碳化硅和栅极介质层界面存在大量的缺陷，使沟道的载子迁移率大幅降低。而沟槽栅碳化硅功率器件(MOSFET)可利用碳化硅材料的各向异性，使用接近晶面以获得相对较高的沟道载流子迁移率，传统沟槽栅碳化硅功率器件(MOSFET)的元胞结构100如图1所示，包括衬底101、漂移层102、阱区103、第一源区104、第二源区105、栅极介质层106、栅极107、层间介质层108、源极金属层109和漏极金属层110。然而沟槽栅碳化硅功率器件(MOSFET)由于碳化硅材料与栅极介质层材料的介电常数差异，根据高斯定律，介质层内部的电场强度是碳化硅内部电场峰值的2.5倍，且碳化硅材料本身具有较高的临界击穿电场，这将导致栅极介质层电场应力过大，进而影响器件长期可靠性，甚至导致器件失效。
技术实现思路
针对上述问题，本公开提供了一种碳化硅器件的元胞结构、其制备方法及碳化硅器件，解决了现有技术中碳化硅器件在阻断状态下由于电场应力损害栅极介质层导致器件失效及可靠性变差的技术问题。第一方面，本公开提供一种碳化硅器件的元胞结构，包括：第一导电类型碳化硅衬底；位于所述衬底上方的第一导电类型漂移层；多个间隔设置于所述漂移层表面内的第二导电类型阱区；位于所述阱区表面内的源区；位于相邻两个所述阱区之间的栅极沟槽；其中，所述栅极沟槽的侧壁同时与所述阱区和所述源区接触，所述栅极沟槽的深度大于所述阱区的深度；位于所述漂移层内且纵向间隔设置于所述栅极沟槽下方的第二导电类屏蔽区；其中，所述屏蔽区的顶部与所述栅极沟槽的底部和所述阱区的底部接触。根据本公开的实施例，优选地，所述源区包括第一导电类型第一源区，以及纵向间隔设置于所述第一源区内的第二导电类型第二源区；其中，所述第一源区的两端分别与两侧的所述栅极沟槽的侧壁接触，所述第二源区不与所述栅极沟槽的侧壁接触。根据本公开的实施例，优选地，相邻两个所述栅极沟槽下方的所述屏蔽区交错设置。根据本公开的实施例，优选地，还包括：位于所述栅极沟槽下方的第一导电类型存储区；其中，所述存储区和所述屏蔽区在纵向上间隔交替设置，所述存储区的顶部与所述栅极沟槽的底部和所述阱区的底部接触。根据本公开的实施例，优选地，相邻两个所述栅极沟槽下方的所述屏蔽区对齐设置。根据本公开的实施例，优选地，所述源区包括在纵向上交替设置第一导电类型第一源区和第二导电类型第二源区；其中，所述第二源区与所述屏蔽区横向对齐设置，所述第一源区和所述第二源区的两端分别与两侧的所述栅极沟槽的侧壁接触。根据本公开的实施例，优选地，所述栅极沟槽的深度为0.4至2.0μm；所述栅极沟槽的宽度为0.15至3.0μm。根据本公开的实施例，优选地，所述屏蔽区的离子掺杂浓度大于1E15cm-3；所述屏蔽区的深度为0.2至5μm。根据本公开的实施例，优选地，还包括：设置于所述栅极沟槽的侧壁和底部的栅极介质层以及填充于所述栅极沟槽内的栅极；位于所述源区上方且与所述源区形成电连接的源极金属层；其中，所述栅极通过层间介质层与所述源极金属层隔离，所述屏蔽区通过所述阱区和所述源区与所述源极金属层电连接；位于所述衬底下方并与所述衬底形成欧姆接触的漏极金属层。第二方面，本公开提供一种碳化硅器件的元胞结构的制备方法，包括：提供第一导电类型碳化硅衬底；在所述衬底上方形成第一导电类型漂移层；在所述漂移层表面内形成多个间隔设置的第二导电类型阱区；在所述阱区表面内形成源区；在相邻两个所述阱区之间形成栅极沟槽；其中，所述栅极沟槽的侧壁同时与所述阱区和所述源区接触，所述栅极沟槽的深度大于所述阱区的深度；通过倾斜离子注入的方式在所述漂移层内于所述栅极沟槽下方形成纵向间隔设置的第二导电类型屏蔽区；其中，所述屏蔽区的顶部与所述栅极沟槽的底部和所述阱区的底部接触。根据本公开的实施例，优选地，所述源区包括第一导电类型第一源区，以及纵向间隔设置于所述第一源区内的第二导电类型第二源区；所述在所述阱区表面内形成源区的步骤，包括以下步骤：在所述阱区表面内形成第一导电类型第一源区；其中，所述第一源区的两端分别与两侧的所述栅极沟槽的侧壁接触；在所述第一源区内形成纵向间隔设置的第二导电类型第二源区；其中，所述第二源区不与所述栅极沟槽的侧壁接触。根据本公开的实施例，优选地，相邻两个所述栅极沟槽下方的所述屏蔽区交错设置。根据本公开的实施例，优选地，所述通过倾斜离子注入的方式在所述漂移层内于所述栅极沟槽下方形成纵向间隔设置的第二导电类型屏蔽区的步骤之后，所述方法还包括：在所述栅极沟槽下方形成第一导电类型存储区；其中，所述存储区和所述屏蔽区在纵向上间隔交替设置，所述存储区的顶部与所述栅极沟槽的底部和所述阱区的底部接触。根据本公开的实施例，优选地，相邻两个所述栅极沟槽下方的所述屏蔽区对齐设置。根据本公开的实施例，优选地，所述源区包括在纵向上交替设置第一导电类型第一源区和第二导电类型第二源区；所述在所述阱区表面内形成源区的步骤，包括以下步骤：在所述阱区表面内形成在纵向上交替设置第一导电类型第一源区和第二导电类型第二源区；其中，所述第二源区与所述屏蔽区横向对齐设置，所述第一源区和所述第二源区的两端分别与两侧的所述栅极沟槽的侧壁接触。根据本公开的实施例，优选地，所述通过倾斜离子注入的方式在所述漂移层内于所述栅极沟槽下方形成纵向间隔设置的第二导电类型屏蔽区的步骤之后，所述方法还包括：在所述栅极沟槽的侧壁和底部形成栅极介质层；在所述栅极沟槽内填充多晶硅，以形成栅极；在所述栅极上方形成覆盖所述栅极的层间介质层；在所述源区上方形成与所述源区电连接的源极金属层；其中，所述栅极通过所述层间介质层与所述源极金属层隔离，所述屏蔽区通过所述阱区和所述源区与所述源极金属层电连接；在所述衬底下方形成与所述衬底欧姆接触的漏极金属层。第三方面，本公开提供一种碳化硅器件，包括若干如第一方面中任一项所述的碳化硅器件的元胞结构。采用上述技术方案，至少能够达到如下技术效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硅器件的元胞结构，其特征在于，包括：/n第一导电类型碳化硅衬底；/n位于所述衬底上方的第一导电类型漂移层；/n多个间隔设置于所述漂移层表面内的第二导电类型阱区；/n位于所述阱区表面内的源区；/n位于相邻两个所述阱区之间的栅极沟槽；其中，所述栅极沟槽的侧壁同时与所述阱区和所述源区接触，所述栅极沟槽的深度大于所述阱区的深度；/n位于所述漂移层内且纵向间隔设置于所述栅极沟槽下方的第二导电类屏蔽区；其中，所述屏蔽区的顶部与所述栅极沟槽的底部和所述阱区的底部接触。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅器件的元胞结构，其特征在于，包括：
第一导电类型碳化硅衬底；
位于所述衬底上方的第一导电类型漂移层；
多个间隔设置于所述漂移层表面内的第二导电类型阱区；
位于所述阱区表面内的源区；
位于相邻两个所述阱区之间的栅极沟槽；其中，所述栅极沟槽的侧壁同时与所述阱区和所述源区接触，所述栅极沟槽的深度大于所述阱区的深度；
位于所述漂移层内且纵向间隔设置于所述栅极沟槽下方的第二导电类屏蔽区；其中，所述屏蔽区的顶部与所述栅极沟槽的底部和所述阱区的底部接触。


2.根据权利要求1所述的碳化硅器件的元胞结构，其特征在于，
所述源区包括第一导电类型第一源区，以及纵向间隔设置于所述第一源区内的第二导电类型第二源区；
其中，所述第一源区的两端分别与两侧的所述栅极沟槽的侧壁接触，所述第二源区不与所述栅极沟槽的侧壁接触。


3.根据权利要求2所述的碳化硅器件的元胞结构，其特征在于，相邻两个所述栅极沟槽下方的所述屏蔽区交错设置。


4.根据权利要求2所述的碳化硅器件的元胞结构，其特征在于，还包括：
位于所述栅极沟槽下方的第一导电类型存储区；
其中，所述存储区和所述屏蔽区在纵向上间隔交替设置，所述存储区的顶部与所述栅极沟槽的底部和所述阱区的底部接触。


5.根据权利要求1所述的碳化硅器件的元胞结构，其特征在于，
相邻两个所述栅极沟槽下方的所述屏蔽区对齐设置。


6.根据权利要求5所述的碳化硅器件的元胞结构，其特征在于，所述源区包括在纵向上交替设置第一导电类型第一源区和第二导电类型第二源区；
其中，所述第二源区与所述屏蔽区横向对齐设置，所述第一源区和所述第二源区的两端分别与两侧的所述栅极沟槽的侧壁接触。


7.根据权利要求1所述的碳化硅器件的元胞结构，其特征在于，还包括：
设置于所述栅极沟槽的侧壁和底部的栅极介质层以及填充于所述栅极沟槽内的栅极；
位于所述源区上方且与所述源区电连接的源极金属层；其中，所述栅极通过层间介质层与所述源极金属层隔离，所述屏蔽区通过所述阱区和所述源区与所述源极金属层电连接；
位于所述衬底下方并与所述衬底形成欧姆接触的漏极金属层。


8.一种碳化硅器件的元胞结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供第一导电类型碳化硅衬底；
在所述衬底上方形成第一导电类型漂移层；
在所述漂移层表面内形成多个间隔设置的第二导电类型阱区；
在所述阱区表面内形成源区；
在相邻两个所述阱区之间形成栅极沟槽；其中，所述栅极沟槽的侧壁同时与所述阱区和所述源区接触，所述栅极沟槽的深度大于所述阱区的深度；
通过倾斜离子注入的方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚飞，罗海辉，李诚瞻，陈喜明，罗烨辉，周才能，张文杰，
申请(专利权)人：株洲中车时代半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43