CN108198857A - 一种集成凸块状肖特基二极管的碳化硅mosfet器件元胞结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成凸块状肖特基二极管的碳化硅MOSFET器件元胞结构，所述碳化硅MOSFET器件元胞结构之间集成了凸块状肖特基二极管，并且所述凸块状肖特基二极管两侧的MOSFET元胞P‑well区边缘设置有P‑Plus的深注入区将凸块状肖特基二极管环绕在中间保护起来。本申请通过在MOSFET元胞之间集成了凸块状肖特基二极管，在器件工作时，起续流二极管的作用，提高了电路工作的效率与可靠性，降低了电路制作成本。而凸块状肖特基二极管在受到反向电压时，两侧MOSFET的深P‑Plus区会把肖特基凸块区域完全掩蔽，从而使凸块SBD能承受更高的耐压，实现高压大电流的器件优化设计。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种集成凸块状肖特基二极管的碳化硅MOSFET器件元胞结构。
背景技术
SiC材料因其优良特性在高功率方面具有强大的吸引力，成为高性能功率MOSFET的理想材料之一。SiC垂直功率MOSFET器件主要有横向型的双扩散DMOSFET以及垂直栅槽结构的UMOSFET，其结构如图1所示。DMOSFET结构采用了平面扩散技术，采用难熔材料，如多晶硅栅作掩膜，用多晶硅栅的边缘定义P基区和N+源区。DMOS的名称就源于这种双扩散工艺。利用P型基区和n+源区的侧面扩散差异来形成表面沟道区域。而垂直栅槽结构的UMOSFET，其命名源于U型沟槽结构。该U型沟槽结构利用反应离子刻蚀在栅区形成。
SiC基功率器件的理论最高工作电压范围大于10kV，高于硅基绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件的工作电压；作为单极性器件，其开关速度快于双极型的硅基IGBT，所需外延层更是由于SiC十倍于硅基的临界击穿电场而减小，因此被视为替代硅基IGBT器件的理想选择。对于可控开关型的电力电子器件如：IGBT、金属氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)等，其在应用时，往往与二极管反并联以在电路中起续流作用。硅基IGBT一般是将反并联的二极管同时封装成为功率模块，而硅基MOSFET则由于P阱与漂移区自然形成了反并联二极管，因此不需额外增加二极管来并联封装。
SiC基功率MOSFET虽然也具有自然形成的反并联二极管，但是由于SiC的禁带宽度高，其PN结二极管的开启电压高，达到3V左右，当使用SiC MOSFET内部的反并联二极管时，会大大的增加电路中的功耗；同时，由于SiC材料中的基矢面位错会由于PN结的工作诱导出层错(也被称为bipolar degradation)，因此，采用其内部PN结二极管作反并联二极管会影响器件的可靠性。使用SiC MOSFET器件时，一般需要在其外部反并联SiC肖特基二极管，但是这样会增加器件的制作成本。业界有研究在SiC MOSFET的cell之间的N型区上直接制作肖特基金属集成平面型SBD，但这样形成的SBD区域的面积有限，耐压和可靠性在高压大电流器件中受到严重的制约和挑战。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种集成凸块状肖特基二极管的碳化硅MOSFET器件元胞结构，其通过在MOSFET元胞之间集成了凸块状肖特基二极管，在器件工作时，起续流二极管的作用，提高了电路工作的效率与可靠性，降低了电路制作成本。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种集成凸块状肖特基二极管的碳化硅MOSFET器件元胞结构，所述碳化硅MOSFET器件元胞结构之间集成了凸块状肖特基二极管，并且所述凸块状肖特基二极管两侧的MOSFET元胞P-well区边缘设置有P-Plus的深注入区将凸块状肖特基二极管环绕在中间保护起来。
进一步，所述碳化硅MOSFET器件元胞结构为平面栅结构或者V槽、U槽沟槽栅结构。
进一步，所述凸块状肖特基二极管的凸块区的N型区可以是先表面高浓度注入然后直接刻蚀形成，也可以是二次外延稍高浓度的N-Epi层后再刻蚀形成，掺杂浓度高于其底下MOSFET区域的N-epi漂移区，以优化肖特基势垒和减小肖特基区的导通阻抗。
本发明具有以下有益技术效果：
本申请通过在MOSFET元胞之间集成了凸块状肖特基二极管，并且二极管两侧的MOSFET元胞P-well区边缘有P-Plus的深注入区将凸块SBD环绕在中间保护起来，从而使凸块SBD能承受更高的耐压，实现高压大电流的器件优化设计。
本申请通过在MOSFET元胞之间集成了凸块状肖特基二极管，在器件工作时，起续流二极管的作用，提高了电路工作的效率与可靠性，降低了电路制作成本。
附图说明
图1为现有技术中横向DMOSFET(左)和U沟槽UTMOSFET(右)的原胞结构示意图；
图2为本发明的集成凸块肖特基二极管的碳化硅平面栅MOSFET器件元胞结构示意图；
图3为本发明实施例中凸块状肖特基二极管区域的直接刻蚀工艺流程图；
图4为本发明实施例中先做二次高浓度N型肖特基接触区外延，再刻蚀形成凸块状肖特基二极管区域的工艺流程图。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
如图2所示，本发明提供了一种集成凸块状肖特基二极管的碳化硅MOSFET器件元胞结构，该碳化硅MOSFET器件元胞结构之间集成了凸块状肖特基二极管1，并且凸块状肖特基二极管2两侧的MOSFET元胞P-well区边缘设置有P-Plus的深注入区2将凸块状肖特基二极管1环绕在中间保护起来。本申请通过在MOSFET元胞之间集成了凸块状肖特基二极管1，在器件工作时，起续流二极管的作用，提高了电路工作的效率与可靠性，降低了电路制作成本。而凸块状肖特基二极管1在受到反向电压时，两侧MOSFET的深P-Plus的深注入区2会把肖特基凸块区域完全掩蔽，从而使凸块SBD能承受更高的耐压，实现高压大电流的器件优化设计。该碳化硅MOSFET器件元胞结构还包括源极3、栅极4、漏极5、N+-Sub区、N-epi漂移区以及肖特基接触6。
碳化硅MOSFET器件元胞结构为平面栅结构或者V槽、U槽沟槽栅结构。
如图3所示，凸块状肖特基二极管的N型区7可以是直接刻蚀形成。
如图4所示，凸块状肖特基二极管的N型区7也可以是二次外延稍高浓度的N-Epi层8后再刻蚀(ICP/RIE离子蚀刻形成SBD凸块区)形成，掺杂浓度可以高于其底下MOSFET区域的N-epi漂移区，以优化肖特基势垒和减小肖特基区的导通阻抗。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种集成凸块状肖特基二极管的碳化硅MOSFET器件元胞结构，其特征在于，所述碳化硅MOSFET器件元胞结构之间集成了凸块状肖特基二极管，并且所述凸块状肖特基二极管两侧的MOSFET元胞P-well区边缘设置有P-Plus的深注入区将凸块状肖特基二极管环绕在中间保护起来。
2.根据权利要求1所述的集成凸块状肖特基二极管的碳化硅MOSFET器件元胞结构，其特征在于，所述碳化硅MOSFET器件元胞结构为平面栅结构或者V槽、U槽沟槽栅结构。
3.根据权利要求1所述的集成凸块状肖特基二极管的碳化硅MOSFET器件元胞结构，其特征在于，所述凸块状肖特基二极管的凸块区的N型区可以是先表面高浓度注入然后直接刻蚀形成，也可以是二次外延稍高浓度的N-Epi层后再刻蚀形成，掺杂浓度高于其底下MOSFET区域的N-epi漂移区，以优化肖特基势垒和减小肖特基区的导通阻抗。
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