集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件及制造方法技术

本发明专利技术公开了一种集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件及制造方法，器件包括第一沟槽、第二沟槽、第一导电类型衬底、外延层、源区和沟道二极管源区、第二导电类型阱区、沟道二极管阱区。本发明专利技术于第一沟槽中形成栅极电极，于第一沟槽和第二沟槽中形成沟道二极管控制栅，在不增加元胞尺寸的前提下，于元胞中集成沟道二极管。在第三象限工作条件下，沟道二极管充当器件的续流二极管，抑制了体二极管的导通，避免了双极退化效应，有效减小了功率损耗。同时，沟道二极管的引入明显减小了器件的栅电容，有效改善了器件的开关特性。有效改善了器件的开关特性。有效改善了器件的开关特性。

【技术实现步骤摘要】
集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件及制造方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件
，尤其涉及一种集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件及制造方法。

技术介绍

[0002]电力电子系统的发展对半导体器件在高温、高频、抗辐照、高压等方面的性能提出了更高的要求。传统的硅材料器件制作工艺成熟，但材料本身的性能限制了硅器件在极端工作环境下的应用。与硅材料相比，碳化硅（SiC）材料因其更高的热导率、更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场强度等优点，成为制作能够适应极端环境的大功率器件的最重要半导体材料之一。
[0003]SiC功率器件中，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）因其栅极驱动简单、开关速度快等优点得到广泛应用。常规的平面栅型SiC MOSFET器件存在寄生结型场效应晶体管结构，且沟道迁移率较低，这两点使得器件的导通电阻较大。而沟槽型SiC MOSFET器件通过在沟槽侧壁形成沟道，既提高了沟道迁移率，又消除了JFET效应，使得器件导通电阻大大减小，并且缩小了元胞尺寸，增大了功率密度。但沟槽型SiC MOSFET器件在实际制作和应用中存在以下两个问题：其一是在高压下，沟槽底部的电场集中效应会影响栅介质的可靠性，导致器件提前击穿；其二是沟槽型SiC MOSFET器件的栅电容较大，导致其开关特性较差。
[0004]另外，SiC MOSFET器件在应用中，通常需要与一个二极管反并联使用，目前一般有两种方案。其一，使用SiC MOSFET器件内部的寄生二极管，但寄生二极管的开启电压较高、反向恢复特性较差、功率损耗较大。其二，将SiC MOSFET器件与外部二极管反并联使用，但该方案会增加成本，且金属连线会降低器件的可靠性。

技术实现思路

[0005]技术目的：针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件及其制造方法，在不增加元胞尺寸的前提下，在元胞中集成沟道二极管，从而提升沟槽型SiC MOSFET器件栅介质可靠性，降低栅电容，同时避免体二极管导通引起的双极退化问题。
[0006]技术方案：为实现上述技术目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0007]一种集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件，包括，漏极电极；第一导电类型衬底，位于所述漏极电极之上；第一导电类型外延层，位于所述第一导电类型衬底之上；第二导电类型沟道二极管阱区，位于所述第一导电类型外延层之中；第一导电类型沟道二极管源区，位于所述第二导电类型沟道二极管阱区之中；第二沟槽，位于所述第一导电类型沟道二极管源区和第二导电类型沟道二极管阱区之上；
第一沟槽，位于所述第二沟槽之上；第二导电类型阱区，位于所述第一导电类型外延层之中；第一导电类型源区，位于所述第二导电类型阱区之中；第一栅极电极和第二栅极电极，分别位于所述第一沟槽左右两侧；沟道二极管控制栅，位于所述第一沟槽、第二沟槽之中；第一栅介质层，位于所述第二沟槽之中，所述沟道二极管控制栅的底部；第二栅介质层，位于所述第一沟槽之中、所述第一栅极电极远离沟道二极管控制栅的一侧、所述第二栅极电极远离沟道二极管控制栅的一侧；第三栅介质层，位于所述第一沟槽、第二沟槽之中、所述第一栅极电极与沟道二极管控制栅之间、所述第二栅极电极与沟道二极管控制栅之间；隔离介质层，位于所述第一导电类型外延层之上，分为左右两部分，完全覆盖栅极电极；源极电极，位于所述第一导电类型外延层之上，所述隔离介质层两侧及之上。
[0008]一种集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在第一导电类型衬底上外延生长形成第一导电类型外延层；步骤2、在第一导电类型外延层中形成第二导电类型阱区和第一导电类型源区；步骤3、对第一导电类型外延层进行刻蚀，形成第一沟槽；步骤4、对第一沟槽底部进行刻蚀，形成与第一沟槽相连通的第二沟槽；步骤5、在第二沟槽底部形成第一导电类型沟道二极管源区和第二导电类型沟道二极管阱区；步骤6、在第一沟槽、第二沟槽的侧壁及第二沟槽的底部形成第一栅介质层、第二栅介质层，于第一栅介质层、第二栅介质层之间形成填满第一沟槽、第二沟槽的沟道二极管控制栅材料；步骤7、去除部分沟道二极管控制栅材料，形成沟道二极管控制栅，于沟道二极管控制栅两侧形成第三栅介质层，于第二栅介质层和第三栅介质层之间形成第一栅极电极和第二栅极电极；步骤8、在第一导电类型外延层表面形成隔离介质层；步骤9、在第一导电类型外延层表面形成源极欧姆接触，在第一导电类型衬底底层形成漏极欧姆接触，在源极欧姆接触层表面形成源极电极，在漏极欧姆接触表面形成漏极电极。
[0009]作为集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件的进一步优化方案，器件采用的半导体材料，即第一导电类型衬底2和第一导电类型外延层3采用的材料，可以是3C
‑
SiC、4H
‑
SiC或6H
‑
SiC。
[0010]作为集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件的进一步优化方案，第一导电类型为N型或P型，所述第二导电类型为P型或N型。
[0011]作为集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件的进一步优化方案，本专利技术所述的集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件作为元胞时，元胞排列方式可以是条形、六角形、方形或原子晶格形。
[0012]作为集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件的进一步优化方案，第一沟槽深度
0.6
µ
m ~ 2.5
µ
m，宽度0.6
µ
m ~ 1.5
µ
m，第一沟槽深度大于第二导电类型阱区深度，二者之差不小于0.2
µ
m。
[0013]作为集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件的进一步优化方案，第二沟槽深度0.2
µ
m ~ 1.0
µ
m，宽度1.0
µ
m ~ 2.5
µ
m，第二沟槽宽度大于第一沟槽宽度，二者之差不小于0.2
µ
m。
[0014]作为集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件的进一步优化方案，第一导电类型外延层的掺杂浓度为1e15cm
‑3~ 1e17cm
‑3。
[0015]作为集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件的进一步优化方案，第一导电类型沟道二极管源区的深度0.1
µ
m ~ 0.5
µ
m，宽度0.5
µ
m ~ 2.5
µ
m，掺杂浓度5e18cm
‑3~ 5e19cm
‑3。
[0016]作为集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件的进一步优化方案，第二导电类型沟道二极管阱区的深度0.3
µ
m ~ 1.5
µ
m，第二导电类型沟道二极管阱区的深度大于第一导电类型沟道二极管源区的深度，且二者之差不小于0.2
µ
m。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件，其特征在于，包括，漏极电极；第一导电类型衬底，位于所述漏极电极之上；第一导电类型外延层，位于所述第一导电类型衬底之上；第二导电类型沟道二极管阱区，位于所述第一导电类型外延层之中；第一导电类型沟道二极管源区，位于所述第二导电类型沟道二极管阱区之中；第二沟槽，位于所述第一导电类型沟道二极管源区和第二导电类型沟道二极管阱区之上；第一沟槽，位于所述第二沟槽之上；第二导电类型阱区，位于所述第一导电类型外延层之中；第一导电类型源区，位于所述第二导电类型阱区之中；第一栅极电极和第二栅极电极，分别位于所述第一沟槽左右两侧；沟道二极管控制栅，位于所述第一沟槽、第二沟槽之中；第一栅介质层，位于所述第二沟槽之中、所述沟道二极管控制栅的底部；第二栅介质层，位于所述第一沟槽之中、所述第一栅极电极远离沟道二极管控制栅的一侧、所述第二栅极电极远离沟道二极管控制栅的一侧；第三栅介质层，位于所述第一沟槽、第二沟槽之中、所述第一栅极电极与沟道二极管控制栅之间、所述第二栅极电极与沟道二极管控制栅之间；隔离介质层，位于所述第一导电类型外延层之上，分为左右两部分，完全覆盖栅极电极；源极电极，位于所述第一导电类型外延层之上、所述隔离介质层两侧及之上。2.根据权利要求1所述的一种集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件，其特征在于，所述沟道二极管控制栅、第一导电类型沟道二极管源区、第二导电类型沟道二极管阱区与源极电极短接。3.根据权利要求1所述的一种集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件，其特征在于，所述第二导电类型沟道二极管阱区的宽度大于第一导电类型沟道二极管源区的宽度，二者之差的一半等于沟道二极管的沟道长度，二者之差不小于1.0
µ
m。4.根据权利要求1所述的一种集成沟道二极管的碳化硅槽栅MOSFET器件，其特征在于，所述第一栅介质层厚度为5nm~30nm，所述第二栅介质层厚度为20nm~90nm，所述第三栅介质层厚度为90nm~300nm，所述第二导电类型沟道二极管阱区掺杂浓度为5e16cm
‑
3 ~ 2e17cm
‑3，隔离介质层包括第一隔离介质层和第二隔离介质层，所述第一隔离介质层和第二隔离介质层的间距不小于0.1
µ
m，所述第二沟槽宽度大于第一沟...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃，张腾，黄润华，柏松，杨勇，
申请(专利权)人：南京第三代半导体技术创新中心，
类型：发明
国别省市：