CN117727792B - 超结碳化硅晶体管的结构、制造方法及电子设备 - Google Patents

Abstract

一种超结碳化硅晶体管的结构、制造方法及电子设备，属于半导体技术领域，包括左右对称的两个子场效应管结构，对称的切面为矢状面，子场效应管结构包括衬底、漂移层、第一阱、第一有源层、栅极结构、源极沟槽、半导体柱、第一有源区至第三有源区；衬底、漂移层、第一阱、第一有源层至下而上依次设置；栅极结构覆盖漂移层、第一阱和第一有源区，位于矢状面一侧的源极沟槽均贯穿第一有源区和第三有源区；第一有源区位于漂移层上表面且设置于源极沟槽侧面；第二有源区位于源极沟槽底部和侧面下方且设置于半导体柱上表面；第三有源区位于第一有源区和第二有源区之间且设置于源极沟槽侧面；续流通道易于开启，减小导通损耗和芯片面积，简化工艺。

Description

超结碳化硅晶体管的结构、制造方法及电子设备

技术领域

本申请属于半导体技术领域，尤其涉及一种超结碳化硅晶体管的结构、制造方法及电子设备。

背景技术

平面栅碳化硅（SiC）功率金属-氧化-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET)由于其工艺简单而被广泛应用。

然而平面栅MOSFET元胞面积较大且其栅极下方存在JEFT区，这导致了较大的导通电阻，增加了导通损耗。此外在实际应用电路中存在电感元件，在电路开关瞬间会产生很大的反向电流，冲击MOSFET，此时需要二极管导通使大的电感电流通过，避免电感电流对MOSFET造成损坏；通常硅基MOSFET采用体二极管反向续流，但是对于SiC MOSFET，其材料带隙较宽，体二极管开启电压（约2.7V）远高于硅基MOSFET（约1.5V），续流通道难以开启，因此应用中可能造成器件损坏，影响器件可靠性。

通常将SiC MOSFET与肖特基势垒二极管（schottky barrier diode, SBD)或结型场效应管（junction field-effect transistor，JFET）反并联集成可以起到反向续流作用，但通常并联在平面，其会使芯片面积有所增大；也有相关的碳化硅晶体管通过***栅在控制续流通道的开启，但其存在栅极可靠性、工艺复杂以及电流密度低的问题。

故相关的平面栅碳化硅晶体管存在续流通道难以开启，导通损耗大、芯片面积大、可靠性差、工艺复杂以及电流密度低的缺陷。

发明内容

本申请的目的在于提供一种超结碳化硅晶体管的结构、制造方法及电子设备，旨在解决相关的平面栅碳化硅晶体管续流通道难以开启，导通损耗大、芯片面积大、可靠性差、工艺复杂以及电流密度低的问题。

本申请实施例提供了一种超结碳化硅晶体管的结构，包括左右对称的两个子场效应管结构，左右对称的切面为矢状面，所述子场效应管结构包括：

衬底；

位于所述衬底的上表面的漂移层；

位于所述漂移层上表面的第一阱；

位于所述第一阱上表面的第一有源层；

位于远离所述矢状面一侧且覆盖所述漂移层、所述第一阱和所述第一有源层的栅极结构；

位于所述漂移层上表面且设置于源极沟槽侧面的第一有源区；

位于源极沟槽底部并位于所述源极沟槽侧面下方且设置于半导体柱的上表面的第二有源区；

位于所述第一有源区和所述第二有源区之间且设置于所述源极沟槽侧面的第三有源区；

位于所述矢状面一侧且贯穿所述第一有源区和所述第三有源区的源极沟槽；

位于所述第二有源区下表面的所述半导体柱；

其中，所述半导体柱、所述第一阱、所述第一有源区和所述第二有源区为第一类型；所述衬底、所述漂移层、第一有源层和所述第三有源区为第二类型。

在其中一个实施例中，所述子场效应管结构还包括：

位于所述漂移层和所述第一阱之间的电荷存储层；

所述第一有源区位于所述电荷存储层上表面且设置于源极沟槽侧面；

第二有源区位于源极沟槽底部并位于所述源极沟槽侧面下方且设置于所述半导体柱上表面。

在其中一个实施例中，所述子场效应管结构还包括：

设置于半导体柱内部且位于所述第二有源区下表面的介电柱。

在其中一个实施例中，所述第一类型为P型，所述第二类型为N型；或者

所述第一类型为N型，所述第二类型为P型。

在其中一个实施例中，还包括：

覆盖所述第一有源层、所述第一有源区和所述源极沟槽的第一金属层；

位于所述衬底的下表面的第二金属层；

与所述栅极结构连接的第三金属层；

所述第一金属层为所述超结碳化硅晶体管的源极电极，所述第二金属层为所述超结碳化硅晶体管的漏极电极，所述第三金属层为所述超结碳化硅晶体管的栅极电极。

在其中一个实施例中，所述栅极结构的材料包括二氧化硅和多晶硅；所述半导体柱、所述漂移层、所述第一阱、所述第一有源层、所述第一有源区、所述第二有源区和所述第三有源区的材料包括碳化硅。

本申请实施例还提供一种超结碳化硅晶体管的制造方法，超结碳化硅晶体管左右对称，且左右对称的切面为矢状面，所述制造方法包括：

在衬底的上表面形成漂移层；

在所述漂移层中的矢状面一侧形成半导体柱；

在半导体柱上表面形成第二有源区，并在所述第二有源区上表面形成第三有源区；

在所述漂移层上表面形成第一阱，在所述第一阱上表面形成第一有源层，且在所述第三有源区的上表面形成第一有源区；

在所述矢状面一侧形成源极沟槽；其中，所述源极沟槽均贯穿所述第一有源区和所述第三有源区；

在远离矢状面一侧形成覆盖所述漂移层、所述第一阱和所述第一有源区的栅极结构。

在其中一个实施例中，所述在衬底的上表面形成漂移层之后还包括：

在所述漂移层的上表面和所述半导体柱的上表面形成电荷存储层；

所述在所述漂移层上表面形成第一阱，在所述第一阱上表面形成第一有源层，且在所述第三有源区的上表面形成第一有源区具体为：

在所述电荷存储层上表面形成第一阱，在所述第一阱上表面形成第一有源层，且在所述第三有源区的上表面形成第一有源区。

在其中一个实施例中，所述在所述漂移层中的矢状面一侧形成半导体柱具体为：

在所述漂移层中的矢状面一侧形成半导体柱，且在所述半导体柱内部形成介电柱；

所述在半导体柱上表面形成第二有源区，并在所述第二有源区上表面形成第三有源区具体为：

所述在半导体柱上表面和所述介电柱上表面形成第二有源区，并在所述第二有源区上表面形成第三有源区。

本申请实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的超结碳化硅晶体管的结构。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：由于漂移层和衬底作为漏极，第一阱作为栅极，第一有源层作为源极；当超结碳化硅晶体管加正向电压时，漏极和源极导通，第一有源区和第三有源区构成的PN结由于耗尽作用而使得侧壁续流通道关闭，即续流通道截止。当超结碳化硅晶体管加反向电压时，漏极和源极关断，第一有源区和第三有源区构成的PN结正偏，耗尽层消失，使得侧壁续流通道导通，从而无需将SiC MOSFET与肖特基势垒二极管或结型场效应管反并联集成即可以起到反向续流作用，续流通道易于开启，减小了导通损耗和芯片面积，增大了可靠性和电流密度，简化了工艺。同时，漂移层和半导体柱交替形成耗尽层，使得超结碳化硅晶体管在同等耐压下允许更高的掺杂浓度，加正向电压时降低了导通电阻，加反向电压时具有更大的续流能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术发明，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的超结碳化硅晶体管的结构的一种结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的超结碳化硅晶体管的结构的另一种结构示意图；

图3为本申请一实施例提供的超结碳化硅晶体管的结构的另一种结构示意图；

图4为本申请一实施例提供的超结碳化硅晶体管的结构的另一种结构示意图；

图5为本申请实施例提供的超结碳化硅晶体管的制造方法中形成漂移层的一种示意图；

图6为本申请实施例提供的超结碳化硅晶体管的制造方法中形成半导体柱的一种示意图；

图7为本申请实施例提供的超结碳化硅晶体管的制造方法中形成第二有源区和第三有源区的一种示意图；

图8为本申请实施例提供的超结碳化硅晶体管的制造方法中形成第一阱、第一有源层和第一有源区的一种示意图；

图9为本申请实施例提供的超结碳化硅晶体管的制造方法中形成源极沟槽的一种示意图；

图10为本申请实施例提供的超结碳化硅晶体管的制造方法中形成栅极结构的一种示意图；

图11为本申请实施例提供的超结碳化硅晶体管的制造方法中形成电荷存储区的一种示意图；

图12为本申请实施例提供的超结碳化硅晶体管的制造方法中形成介电柱的一种示意图。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图1示出了本发明实施例提供的超结碳化硅晶体管的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

超结碳化硅晶体管的结构，包括左右对称的两个子场效应管结构，左右对称的切面为矢状面，子场效应管结构包括衬底90、漂移层01、第一阱02、第一有源层03、栅极结构04、源极沟槽05、半导体柱09、第一有源区06、第二有源区07和第三有源区08。

漂移层01位于衬底90的上表面。

第一阱02位于漂移层01上表面。

第一有源层03位于第一阱02上表面。

栅极结构04位于远离矢状面一侧且覆盖漂移层01、第一阱02和第一有源层03。

源极沟槽05位于矢状面一侧且贯穿第一有源区06和第三有源区08。

第一有源区06位于漂移层01上表面且设置于源极沟槽05侧面。

第二有源区07位于源极沟槽05底部并位于源极沟槽05侧面下方且设置于半导体柱09的上表面。

第三有源区08位于第一有源区06和第二有源区07之间且设置于源极沟槽05侧面。

半导体柱09位于第二有源区07下表面。

其中，半导体柱09、第一阱02、第一有源区06和第二有源区07为第一类型；衬底90、漂移层01、第一有源层03和第三有源区08为第二类型。

具体实施中，漂移层01和衬底90作为漏极，第一阱02作为栅极，第一有源层03作为源极。以第一类型为P型且第二类型为N型为例，当超结碳化硅晶体管加正向电压时，源极接低电位，漏极和源极导通，第一有源区06和第三有源区08构成的PN结由于耗尽作用而使得侧壁续流通道关闭，即续流通道截止。当超结碳化硅晶体管加反向电压时，源极接高电位，漏极和源极关断，第一有源区06和第三有源区08构成的PN结正偏，耗尽层消失，使得侧壁续流通道导通，从而无需将SiC MOSFET与SBD或结型场效应管JFET反并联集成即可以起到反向续流作用，续流通道易于开启，减小了导通损耗和芯片面积，增大了可靠性和电流密度，简化了工艺。同时，漂移层01和半导体柱09交替形成耗尽层，使得超结碳化硅晶体管在同等耐压下允许更高的掺杂浓度，加正向电压时降低了导通电阻，加反向电压时具有更大的续流能力。值得强调的是，由于源极沟槽05两侧均并联了续流通道，故进一步提高了续流能力。

源极沟槽05底部的第二有源区07可以起到保护栅极结构04底部拐角的栅氧的作用，同时，隔绝了源极沟槽05底部到漏极的漏电。

如图2所示，子场效应管结构还包括电荷存储层10（charge storage layer，CSL）。

电荷存储层10位于漂移层01和第一阱02之间。

第一有源区06位于电荷存储层10上表面且设置于源极沟槽05侧面。

第二有源区07位于源极沟槽05底部并位于源极沟槽05侧面下方且设置于半导体柱09上表面。

需要说明的是，电荷存储层10的掺杂类型为第二类型。电荷存储层10的掺杂浓度大于漂移层01的掺杂浓度且小于第三有源区08的掺杂浓度。电荷存储区的材料为碳化硅。

为保证续流通道常关，电荷存储层10厚度介于0.1μm至0.2μm，第三有源区08的掺杂浓度约为1E19，电荷存储层10的掺杂浓度在1E16至8E16之间。

通过设置电荷存储层10，提升了超结碳化硅晶体管的正向导通电流，降低了正向导通电阻。

需要说明的是，第一类型为P型，第二类型为N型；或者

第一类型为N型，第二类型为P型。

如图3所示，子场效应管结构还包括介电柱20。

介电柱20设置于半导体柱09内部且位于第二有源区07下表面。

通过设置介电柱20，使得导电柱和漂移层01形成的耗尽层的宽度可控，从而提高了控制正向导通电阻和反向续流能力的灵活性。

需要说明的是，栅极结构04包括介电层和导电柱。

介电层位于远离矢状面一侧且覆盖漂移层01、第一阱02和第一有源层03；导电柱设置于介电层中。

如图4所示，超结碳化硅晶体管的结构还包括第一金属层70、第二金属层80和第三金属层。

第一金属层70覆盖第一有源层03、第一有源区06和源极沟槽05。

第二金属层80位于衬底90的下表面。

第三金属层与栅极结构04连接。

需要说明的是，第一金属层70为超结碳化硅晶体管的源极电极，第二金属层80为超结碳化硅晶体管的漏极电极，第三金属层为超结碳化硅晶体管的栅极电极。

值得强调的是，述栅极结构04的材料包括二氧化硅和多晶硅；半导体柱09、漂移层01、第一阱02、第一有源层03、第一有源区06、第二有源区07和第三有源区08的材料包括碳化硅。

作为示例而非限定，第三有源区08和源极沟槽05的底部的距离大于等于0.5微米。

由于第三有源区08和源极沟槽05的底部的距离大于等于0.5微米，减小了电场在第三有源区08聚集导致地击穿的可能性，降低了对耐压的影响。

与一种超结碳化硅晶体管实施例相对应，本发明还提供了一种超结碳化硅晶体管的制造方法的一种实施例。

一种超结碳化硅晶体管的制造方法，超结碳化硅晶体管左右对称，且左右对称的切面为矢状面100，方法包括步骤401至步骤406。

在步骤401中，如图5所示，在衬底90的上表面形成漂移层01。

通过气相沉积或溅射在衬底90的上表面形成漂移层01。

在步骤402中，如图6所示，在漂移层01中的矢状面一侧形成半导体柱09。

通过离子注入在漂移层01中的矢状面一侧形成半导体柱09。

在步骤403中，如图7所示，在半导体柱09上表面形成第二有源区07，并在第二有源区07上表面形成第三有源区08。

通过离子注入在半导体柱09上表面形成第二有源区07，并通过离子注入在第二有源区07上表面形成第三有源区08。

在步骤404中，如图8所示，在漂移层01上表面形成第一阱02，在第一阱02上表面形成第一有源层03，且在第三有源区08的上表面形成第一有源区06。

通过外延工艺和离子注入在漂移层01上表面形成第一阱02，通过外延工艺和离子注入在第一阱02上表面形成第一有源层03，且通过离子注入在第三有源区08的上表面形成第一有源区06。

在步骤405中，如图9所示，在矢状面一侧形成源极沟槽05；其中，源极沟槽05均贯穿第一有源区06和第三有源区08。

通过刻蚀在矢状面一侧形成源极沟槽05。

在步骤406中，如图10所示，在远离矢状面一侧形成覆盖漂移层01、第一阱02和第一有源区06的栅极结构04。

形成覆盖漂移层01、第一阱02和第一有源区06的介电层，在介电层中刻蚀第一沟槽，在第一沟槽中填充导电柱，以形成栅极结构04。

具体实施中，步骤402之后还包括步骤402-2。

在步骤402-2中，如图11所示，在漂移层01的上表面和半导体柱09的上表面形成电荷存储层10。

在漂移层01上表面形成第一阱02，在第一阱02上表面形成第一有源层03，且在第三有源区08的上表面形成第一有源区06具体为：

在电荷存储层10上表面形成第一阱02，在第一阱02上表面形成第一有源层03，且在第三有源区08的上表面形成第一有源区06。

需要强调的是，如图12所示，在漂移层01中的矢状面一侧形成半导体柱09可以具体为：在漂移层01中的矢状面一侧形成半导体柱09，且在半导体柱09内部形成介电柱20。在半导体柱09上表面形成第二有源区07，并在第二有源区07上表面形成第三有源区08可以具体为：在半导体柱09上表面和介电柱20上表面形成第二有源区07，并在第二有源区07上表面形成第三有源区08。

具体实施中，步骤406之后还可以还包括步骤407至步骤409。

在步骤407中，在第一有源层上表面、第一有源区的上表面和源极沟槽的内部形成第一金属层。

在步骤408中，在衬底的下表面形成第二金属层。

在步骤409中，形成与栅极结构连接的第三金属层。

值得强调的是，第一金属层为超结碳化硅晶体管的源极电极，第二金属层为超结碳化硅晶体管的漏极电极，第三金属层为超结碳化硅晶体管的栅极电极。

值得注意的是，金属层可以为金或钯。各个金属层的接触可以为欧姆接触。

本发明实施例包括左右对称的两个子场效应管结构，左右对称的切面为矢状面，所述子场效应管结构包括衬底、漂移层、第一阱、第一有源层、栅极结构、源极沟槽、半导体柱、第一有源区、第二有源区和第三有源区；位于所述衬底的上表面的漂移层；第一阱位于漂移层上表面；第一有源层位于第一阱上表面；栅极结构位于远离矢状面一侧且覆盖漂移层、第一阱和第一有源层；源极沟槽位于矢状面一侧且贯穿第一阱和第一有源层；第一有源区位于漂移层上表面且设置于源极沟槽侧面；第二有源区位于源极沟槽底部并位于源极沟槽侧面下方且设置于半导体柱的上表面；第三有源区位于第一有源区和第二有源区之间且设置于源极沟槽侧面；半导体柱位于第二有源区下表面；其中，半导体柱、第一阱、第一有源区和第二有源区为第一类型；衬底、漂移层、电荷存储层、第一有源层和第三有源区为第二类型；续流通道易于开启，减小了导通损耗和芯片面积，增大了可靠性和电流密度，简化了工艺，减小了正向导通电阻并增大了反向续流能力。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超结碳化硅晶体管的结构，其特征在于，包括左右对称的两个子场效应管结构，左右对称的切面为矢状面，所述子场效应管结构包括：

衬底；

位于所述衬底的上表面的漂移层；

位于所述漂移层上表面的电荷存储层；

位于所述电荷存储层上表面的第一阱；

位于所述第一阱上表面的第一有源层；

位于所述电荷存储层上表面且设置于源极沟槽侧面的第一有源区；

位于远离所述矢状面一侧且覆盖所述电荷存储层、所述第一阱和所述第一有源层的栅极结构；

位于源极沟槽底部并位于所述源极沟槽侧面下方且设置于半导体柱的上表面的第二有源区；

位于所述第一有源区和所述第二有源区之间且设置于所述源极沟槽侧面的第三有源区；

位于所述矢状面一侧且贯穿所述第一有源区和所述第三有源区的源极沟槽；

位于所述第二有源区下表面的所述半导体柱；

覆盖所述第一有源层、所述第一有源区和所述源极沟槽的第一金属层；所述第一金属层为所述超结碳化硅晶体管的源极电极；

所述源极电极与所述第一有源区、所述第二有源区和所述第三有源区接触；

其中，所述半导体柱、所述第一阱、所述第一有源区和所述第二有源区为第一导电类型；所述衬底、所述漂移层、所述电荷存储层、所述第一有源层和所述第三有源区为第二导电类型。

2.如权利要求1所述的超结碳化硅晶体管的结构，其特征在于，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型；或者

所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。

3.如权利要求1所述的超结碳化硅晶体管的结构，其特征在于，还包括：

位于所述衬底的下表面的第二金属层；

与所述栅极结构连接的第三金属层；

所述第二金属层为所述超结碳化硅晶体管的漏极电极，所述第三金属层为所述超结碳化硅晶体管的栅极电极。

4.如权利要求1至3任意一项所述的超结碳化硅晶体管的结构，其特征在于，所述栅极结构的材料包括二氧化硅和多晶硅；所述半导体柱、所述漂移层、所述电荷存储层、所述第一阱、所述第一有源层、所述第一有源区、所述第二有源区和所述第三有源区的材料包括碳化硅。

5.一种超结碳化硅晶体管的制造方法，其特征在于，超结碳化硅晶体管左右对称，且左右对称的切面为矢状面，所述制造方法包括：

在衬底的上表面形成漂移层；在所述漂移层中的矢状面一侧形成半导体柱；

在所述漂移层的上表面和所述半导体柱的上表面形成电荷存储层；

在半导体柱上表面形成第二有源区，并在所述第二有源区上表面形成第三有源区；

在所述电荷存储层上表面形成第一阱，在所述第一阱上表面形成第一有源层，且在所述第三有源区的上表面形成第一有源区；

在所述矢状面一侧形成源极沟槽；其中，所述源极沟槽均贯穿所述第一有源区和所述第三有源区；

在远离矢状面一侧形成覆盖所述电荷存储层、所述第一阱和所述第一有源层的栅极结构；

其中，所述半导体柱、所述第一阱、所述第一有源区和所述第二有源区为第一导电类型；所述衬底、所述漂移层、所述电荷存储层、第一有源层和所述第三有源区为第二导电类型。

6.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至4任意一项所述的超结碳化硅晶体管的结构。