一种沟槽型碳化硅MOSFET器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种沟槽型碳化硅MOSFET器件及其制备方法，器件包括漏极金属及其上方的N型衬底、N型外延层、N型JFET区、P型体区、N型源区和源极金属，在N型外延层的一端设有纵向沟槽，纵向沟槽的上端位于源极金属的内部，下端延伸至N型JFET区中，在纵向沟槽内部设有沟槽栅多晶硅，且沟槽栅多晶硅的上表面被栅极介质层覆盖，下表面和侧面被沟槽栅氧化层包裹；相邻两个纵向沟槽之间间隔设置P型屏蔽区，P型屏蔽区部分包裹纵向沟槽的表面，并且P型屏蔽区的上表面通过源极金属与N型源区相连接，P型屏蔽区的正下方设置有P型埋层区，P型埋层区N型JFET区进入N型外延层中。本发明专利技术沟槽型碳化硅器件的导通电阻大大降低。器件的导通电阻大大降低。器件的导通电阻大大降低。

【技术实现步骤摘要】
一种沟槽型碳化硅MOSFET器件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种半导体器件，尤其是一种沟槽型碳化硅MOSFET器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]碳化硅(Silicon Carbide)材料作为第三代宽禁带半导体材料的代表之一，与现有的硅材料相比，具有禁带宽度宽、临界击穿电场高、饱和漂移速度高等优势，以SiC材料制备的MOSFET器件，与相同耐压水平的硅基MOSFET相比，又具有导通电阻低，尺寸小，开关速度快等优势，使其在大功率、高温及高频电力电子领域具有广阔的应用前景。
[0003]碳化硅功率MOSFET器件结构的发展从LDMOS（横向平面双扩散MOSFET），VVMOS（V型槽MOSFET）到平面VDMOS（垂直双扩散MOSFET），再到沟槽型MOSFET（Trench MOSFET）。LDMOS结构简单，但扩散区和沟道区在器件表面，芯片面积利用率不高。VVMOS是在芯片的背面形成漏极，所以扩散区和沟道区位于垂直方向，因此可以大大提高芯片的导通电流，但是VVMOS的缺点是V型槽尖刺会导致电场集中而降低击穿电压特性。碳化硅沟槽MOSFET与VDMOS器件相比，导电沟道位于垂直方向，消除了平面VDMOS的寄生JFET电阻，减小了元胞尺寸，提高了元胞密度，从而使得电流密度显著提高，大幅度降低了器件的导通电阻。
[0004]目前传统的沟槽型碳化硅MOSFET器件结构如图2所示，其中主流的碳化硅沟槽栅结构都通过减小元胞尺寸的方式，提高电流密度，从而降低器件的导通电阻，但是随着元胞尺寸的减小，刻蚀沟槽的难度随之增加，这种方法也开始逐渐遇到了瓶颈。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种沟槽型碳化硅MOSFET器件及其制备方法，本结构在器件反向耐压状态时，栅极接地电位或者负电位，此时的P型屏蔽区与源极相连，能够保护栅极沟槽中的栅氧化层，提高器件的击穿电压，同时P型屏蔽区下方的处于N型外延层中的P型埋层区能够增加器件的横向耗尽，使得可以使用较高掺杂的N型外延层，大幅度降低器件的特征导通电阻，该结构与传统结构元胞相比，同样存在两条导电沟道。
[0006]为实现以上技术目的，本专利技术的技术方案是：第一方面，本专利技术实施例提供了一种沟槽型碳化硅MOSFET器件，包括漏极金属及所述漏极金属上方的N型衬底，在所述N型衬底上方依次为N型外延层、N型JFET区、P型体区以及N型源区和源极金属，其中N型外延层作为器件的漂移区，在所述N型外延层远离所述N型衬底的一端设有纵向沟槽，所述纵向沟槽贯穿所述N型源区以及P型体区，上端位于源极金属的内部，下端延伸至N型JFET区中，在所述纵向沟槽内部设有沟槽栅多晶硅，且所述沟槽栅多晶硅的上表面被栅极介质层覆盖，下表面和侧面被沟槽栅氧化层包裹；相邻两个纵向沟槽之间间隔设置P型屏蔽区，所述P型屏蔽区部分包裹所述纵向沟槽的表面，并且所述P型屏蔽区的上表面通过源极金属与N型源区相连接，所述P型屏蔽区的正下方设置有P型埋层区，所述P型埋层区穿过所述N型JFET区进入所述N型外延层中；
所述P型屏蔽区部分包裹所述纵向沟槽的外侧面和底部，所述P型屏蔽区的上端连接源极金属，下端延伸至N型JFET区内部；所述P型埋层区上表面连接所述P型屏蔽区，下表面深入所述N型外延层中。
[0007]进一步地，相邻两个纵向沟槽构成一个元胞结构，其中元胞结构中存在两个栅极，除被P型屏蔽区所包裹的纵向沟槽两侧外还存在两条导电沟道。
[0008]进一步地，所述P型埋层区的掺杂浓度小于所述P型屏蔽区的掺杂浓度。
[0009]第二方面，本专利技术实施例提供了沟槽型碳化硅MOSFET器件的制备方法，应用于第一方面所述的沟槽型碳化硅MOSFET器件，包括以下步骤：步骤一：选取N型衬底作为高浓度N型漏极，并生长N型外延层；步骤二：在所述N型外延层远离N型衬底的一端注入施主离子形成N型JFET区；步骤三：在所述N型外延层上，利用掩膜层选择性高能注入受主离子形成P型埋层区，并选择性注入受主离子形成P型体区；步骤四：在所述N型外延层顶部，利用掩膜层选择性注入受主离子形成P型屏蔽区；步骤五：在所述N型外延层顶部，利用掩膜层选择性刻蚀出纵向沟槽，所述纵向沟槽穿过P型体区延伸至N型JFET区中，并且纵向沟槽的深度小于所述P型屏蔽区的深度；步骤六：在所述纵向沟槽内生长氧化层作为沟槽栅氧化层，并在所述纵向沟槽内淀积多晶硅形成沟槽栅多晶硅，去除多余的氧化层和多晶硅；步骤七：在所述N型外延层表面淀积二氧化硅层，利用掩膜层选择性注入施主离子形成N型源区，接着选择性刻蚀，保留部分二氧化硅层形成栅极介质层；步骤八：在所述N型外延层上表面和下表面分别淀积金属，形成源极金属和漏极金属。
[0010]第三方面，本专利技术实施例提供了一种沟槽型碳化硅MOSFET器件的制备方法，应用于第一方面所述的沟槽型碳化硅MOSFET器件，包括如下步骤：步骤S1：选取N型衬底作为高浓度N型漏极，接着生长第一层N型外延层；步骤S2：在所述第一层N型外延层上，利用掩膜层，选择性注入受主离子形成P型埋层区；步骤S3：在所述第一层N型外延层顶部，通过外延生长的方法形成N型JFET区或者继续生长第二层外延层，用离子注入的方法注入施主离子形成N型JFET区；步骤S4：在所述N型JFET区顶部，通过外延生长或者注入受主离子的方法形成P型体区；步骤S5
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S9同第二方面中的步骤四
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步骤八。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的主要优点如下：本专利技术沟槽型碳化硅MOSFET器件中的P型屏蔽区在器件反向耐压时对器件的栅极有良好的屏蔽作用，提高了栅氧可靠性，使得器件的击穿电压得到提高，同时器件结构中的P型埋层区通过离子注入的形式形成，设置于P型屏蔽区下方以及纵向沟槽的下方，伸入到N型外延层中，增加了N型外延层的横向耗尽，使得在设计器件时可以选用较高浓度的N型外延层，显著降低了器件的导通电阻。
附图说明
[0012]图1为实施例1中沟槽型碳化硅MOSFET器件的剖面结构示意图。
[0013]图2为传统的沟槽型碳化硅MOSFET器件的剖面结构示意图。
[0014]图3为本专利技术实施例1提供的沟槽型碳化硅MOSFET器件与传统沟槽型碳化硅MOSFET器件的IV曲线图。
[0015]图4为本专利技术实施例1形成N型外延层后的剖面结构示意图。
[0016]图5为本专利技术实施例1形成N型JFET区后的剖面结构示意图。
[0017]图6为本专利技术实施例1形成P型体区和P型埋层区后的剖面结构示意图。
[0018]图7为本专利技术实施例1形成P型屏蔽区后的剖面结构示意图。
[0019]图8为本专利技术实施例1形成纵向沟槽后的剖面结构示意图。
[0020]图9为本专利技术实施例1形成沟槽栅氧化层和栅极后的剖面结构示意图。
[0021]图10为本专利技术实施例1形成栅极介质层后的剖面结构示意图。
[0022]图11为本专利技术实施例2形成P型埋层区后的剖面结构示意图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种沟槽型碳化硅MOSFET器件，其特征在于，包括漏极金属（12）及所述漏极金属（12）上方的N型衬底（11），在所述N型衬底（11）上方依次为N型外延层（10）、N型JFET区（08）、P型体区（04）以及N型源区（03）和源极金属（01），其中N型外延层（10）作为器件的漂移区，在所述N型外延层（10）远离所述N型衬底（11）的一端设有纵向沟槽（07），所述纵向沟槽（07）贯穿所述N型源区（03）以及P型体区（04），上端位于源极金属（01）的内部，下端延伸至N型JFET区（08）中，在所述纵向沟槽（07）内部设有沟槽栅多晶硅（05），且所述沟槽栅多晶硅（05）的上表面被栅极介质层（02a）覆盖，下表面和侧面被沟槽栅氧化层（02b）包裹；相邻两个纵向沟槽（07）之间间隔设置P型屏蔽区（06），所述P型屏蔽区（06）部分包裹所述纵向沟槽（07）的表面，并且所述P型屏蔽区（06）的上表面通过源极金属（01）与N型源区（03）相连接，所述P型屏蔽区（06）的正下方设置有P型埋层区（09），所述P型埋层区（09）穿过所述N型JFET区（08）进入所述N型外延层（10）中；所述P型屏蔽区（06）部分包裹所述纵向沟槽（07）的外侧面和底部，所述P型屏蔽区（06）的上端连接源极金属（01），下端延伸至N型JFET区（08）内部；所述P型埋层区（09）上表面连接所述P型屏蔽区（06），下表面深入所述N型外延层（10）中。2.根据权利要求1所述的沟槽型碳化硅MOSFET器件，其特征在于，相邻两个纵向沟槽（07）构成一个元胞结构，其中元胞结构中存在两个栅极，除被P型屏蔽区（06）所包裹的纵向沟槽（07）两侧外还存在两条导电沟道。3.根据权利要求1所述的沟槽型碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述P型埋层区（09）的掺杂浓度小于所述P型屏蔽区（06）的掺杂浓度。4.一种沟槽型碳化硅MOSFET器件的制备方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的沟槽型碳化硅MOSFET器件，包括以下步骤：步骤一：选取N型...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱袁正，杨卓，朱晨凯，黄薛佺，叶鹏，
申请(专利权)人：无锡新洁能股份有限公司，
类型：发明
国别省市：