多沟道碳化硅MOSFET器件及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种多沟道碳化硅MOSFET器件及其制造方法，该碳化硅MOSFET器件包括第一、第二沟槽，第一导电类型衬底、外延层和源区，第二导电类型阱区。沿垂直于xz平面的方向通过刻蚀形成第一、第二沟槽，第一、第二沟槽沿x方向贯穿器件有源区。于第一、第二沟槽中形成栅介质和栅电极，正向导通工作条件下，栅电极、栅介质以及第二导电类型阱区形成了五条不同位置的沟道，有效增大了沟道宽度。本结构通过引入沟槽结构以增大沟道宽度，同时规避了沟槽结构固有的栅介质易击穿问题。通过增大沟道宽度，在不损害击穿特性的前提下，明显降低了沟道电阻，进而有效提升器件的导通特性。本发明专利技术同时公开了所述器件结构的制造方法。同时公开了所述器件结构的制造方法。同时公开了所述器件结构的制造方法。

【技术实现步骤摘要】
多沟道碳化硅MOSFET器件及其制造方法


[0001]本专利技术属于半导体器件
，具体涉及一种多沟道碳化硅MOSFET器件及其制造方法。

技术介绍

[0002]电力电子系统的核心电子元器件是功率半导体器件。目前，硅基功率器件占据了功率半导体器件的主要市场。然而受限于硅材料的物理化学性质，传统硅基功率器件的性能逐渐达到瓶颈。
[0003]因其更高的热导率、更大的禁带宽度、更高的电子饱和速度、更高的临界击穿电场强度等优点，碳化硅（SiC）材料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。
[0004]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。然而传统的平面栅型SiC MOSFET器件存在沟道密度较小、沟道迁移率较低等问题，严重限制了器件的导通能力。
[0005]相比平面栅型SiC MOSFET，沟槽型SiC MOSFET器件具有沟道迁移率较高、消除了寄生结型场效应晶体管效应等优点，可以实现更高的导通特性，然而沟槽拐角处的电场集聚效应使得栅介质易于击穿，降低了器件的可靠性。

技术实现思路

[0006]针对上述平面型、沟槽型SiC MOSFET器件的不足，本专利技术提供一种多沟道碳化硅MOSFET器件及其制造方法。本专利技术的目的是在规避栅介质可靠性问题的前提下，将沟槽结构引入平面型SiC MOSFET器件，以增大沟道宽度。通过增大沟道宽度，减小沟道电阻，进而减小器件的导通电阻，提升电流密度。/>[0007]一种多沟道碳化硅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；第一沟槽，位于所述第二导电类型阱区之中并沿器件的长度方向，即x轴方向贯穿第一导电类型外延层、第一导电类型源区；第二沟槽，位于所述第一沟槽之上、第一导电类型外延层之中、第二导电类型阱区之中、第一导电类型源区之中；栅介质层，位于所述第一沟槽底部及侧壁、第二沟槽底部及侧壁、第一导电类型外延层之上、第二导电类型阱区之上及部分第一导电类型源区之上；栅极电极，位于所述第一沟槽内并被栅介质层包裹，位于所述第二沟槽内并被栅
介质层包裹，位于所述第一导电类型外延层之上、第二导电类型阱区之上及部分第一导电类型源区之上并被栅介质层隔开；隔离介质层，位于所述栅介质层和栅极电极两侧及之上；源极金属，位于所述隔离介质层两侧及之上。
[0008]多沟道的碳化硅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，在第二导电类型阱区中形成第一导电类型源区；步骤3、对第一导电类型外延层进行刻蚀，形成第二沟槽；步骤4、对第二沟槽底部进行刻蚀，形成第一沟槽；步骤5、在第一导电类型外延层顶部及第一、第二沟槽内部形成栅介质层；步骤6、在第一导电类型外延层顶部的栅介质层之上，以及第一、第二沟槽中的栅介质层之内形成图形化的栅极电极材料，形成栅极电极；步骤7、在栅极电极材料的顶部及两侧形成图形化的隔离介质层；步骤8、通过源极电极窗口淀积源极金属，形成源极欧姆接触，在背面淀积漏极金属，形成漏极欧姆接触；步骤9、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]作为多沟道碳化硅MOSFET器件的进一步优化方案，器件采用的半导体材料可以是3C
‑
SiC、4H
‑
SiC或6H
‑
SiC。
[0010]作为多沟道碳化硅MOSFET器件的进一步优化方案，栅介质层材料可以是氧化硅、氮化硅、硼磷硅玻璃、氧化铝、蓝宝石或氧化铪。
[0011]作为多沟道碳化硅MOSFET器件的进一步优化方案，栅极电极材料可以是金属或掺杂多晶硅。
[0012]作为多沟道碳化硅MOSFET器件的进一步优化方案，第二沟槽深度0.5
µ
m ~ 2.5
µ
m，第一沟槽深度0.1
µ
m ~ 1.0
µ
m。
[0013]作为多沟道碳化硅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。
[0014]作为多沟道碳化硅MOSFET器件的进一步优化方案，第二导电类型阱区的掺杂浓度为5e16cm
‑3~ 5e17cm
‑3。
[0015]作为多沟道碳化硅MOSFET器件的进一步优化方案，所述隔离介质层可以是二氧化硅或者氮化物或者复合物。
[0016]本专利技术采用上述技术方案，具有如下有益效果：（1）本专利技术提出的多沟道碳化硅MOSFET器件，沿垂直于xz平面的方向通过刻蚀形成第一、第二沟槽，第一、第二沟槽沿x方向贯穿器件有源区。于第一、第二沟槽中形成栅介质和栅电极。
[0017]（2）本专利技术提出的多沟道碳化硅MOSFET器件，在正向导通工作条件下，借助沟槽结构，栅电极、栅介质以及第二导电类型阱区形成了五条不同位置的沟道，通过控制第一、第二沟槽的深度和宽度，可以调节五种沟道的长度，进而控制器件整体的沟道宽度增加量。本
结构有效增加了沟道宽度，使得器件的沟道电阻大幅降低，明显提升了器件的导通特性。
[0018]（3）本专利技术提出的多沟道碳化硅MOSFET器件在平面型SiC MOSFET器件的基础上，引入了沟槽结构。通过第二导电类型阱区的保护，规避了沟槽结构固有的栅介质易击穿问题。在不损害击穿特性的前提下，有效提升了器件的导通特性。另外，沟槽大部分完全包裹于第二导电类型阱区之中的设计，有效减小了栅漏电容，减小了器件的开关损耗，进而提升器件的开关特性。
附图说明
[0019]图1为实施例1的多沟道碳化硅MOSFET器件的结构示意图。
[0020]图2为实施例1的多沟道碳化硅MOSFET器件的xy平面剖面图。
[0021]图3为实施例1的多沟道碳化硅MOSFET器件AA
’
轴线所在的yz平面剖面图。
[0022]图4为实施例2的多沟道碳化硅MOSFET器件的结构示意图。
[0023]图5~图11为实施例1的多沟道碳化硅MOSFET器件的制备流程示意图。
[0024]附图标记说明：1、漏极电极；2、第一导电类型衬底；3、第一导电类型外延层；4、第二导电类型阱区；5、第一导电类型源区；6、栅介质层；7、栅极电极；8、隔离介质层；9、源极金属；10、第一沟槽；11、第二沟槽；12、第一导电类型电流扩展层。
实施方式
[0025]以下结合实施例对本专利技术作进一步的描述，实施例仅用于对本专利技术进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域技术人员可以想到的其他替代手段，均在本专利技术权利要求范围内。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多沟道碳化硅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；第一沟槽，位于所述第二导电类型阱区之中并沿器件的长度方向，即x轴方向贯穿第一导电类型外延层、第一导电类型源区；第二沟槽，位于所述第一沟槽之上、第一导电类型外延层之中、第二导电类型阱区之中、第一导电类型源区之中；栅介质层，位于所述第一沟槽底部及侧壁、第二沟槽底部及侧壁、第一导电类型外延层之上、第二导电类型阱区之上及部分第一导电类型源区之上；栅极电极，位于所述第一沟槽内并被栅介质层包裹，位于所述第二沟槽内并被栅介质层包裹，位于所述第一导电类型外延层之上、第二导电类型阱区之上及部分第一导电类型源区之上并被栅介质层隔开；隔离介质层，位于所述栅介质层和栅极电极两侧及之上；源极金属，位于所述隔离介质层两侧及之上。2.根据权利要求1所述的一种多沟道碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述第二导电类型阱区深度大于所述第一沟槽、第二沟槽深度之和，二者之差不小于0.2μm。3.根据权利要求1所述的一种多沟道碳化硅MOSFET器件，其特征在于，所述第一沟槽宽度大于第二沟槽宽度，二者之差不小于0.1μm。4.根据权利要求1所述的一种多沟道碳化硅MOSFET器件，其特征在于，第一沟槽与第二沟槽个数相同，且至少为两个；相邻第二沟槽之间沿z轴方向的间距不小于0.5μm，不大于2.5μm；相邻第一沟槽之间沿z轴方向的间距不小于0.2μm，不大于2μm，第一沟槽沿z轴方向与器件边缘距离不小于0.5μm。5.根据权利要求1所述的一种多沟道碳化硅MOSFET器件，其特征在于，第二导电类型阱区的底部高于第一沟槽的底部，第二导电类型阱区分为不接触的两部分，且对称设置在第一导电类型外延层中的两侧上部，第二导电类型阱区的两部分之间是第一导电类型外延层；第一导电类型源区分为不接触的两部分，分别设置在第二导电类型阱区两部分中的两侧上部。6.根据权利要求1所述的一种多沟道碳化硅MOSFET器件，其特征在于，正向导通工作条件下，存在五种不同位置的沟道，其中，第一沟道位于第二导电类型阱区顶部表面，第二沟道位于第二沟槽侧壁附近的第二导电类型阱区表面，第三沟道位于第一沟槽上边界附近的第二导电类型阱区表面，第四沟道位于第一沟槽侧壁附近的第二导电类型阱区表面，第五沟道位于第一沟槽底部附近的第二导电类型阱区表面。7.根据权利要求6所述的一种多沟道碳化硅MOSFET器件，其特征在于，固定元胞尺寸下，第一沟道的长度由第二沟槽宽度决定，第二沟道的长度由第二沟槽深度决定，第三沟道的长度由第一沟槽宽度决定，第四沟道的长度由第一沟槽深度决定，第五沟道的长度由第一沟槽...

【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：