CN117727793B - 垂直型碳化硅晶体管的结构、制造方法及电子设备 - Google Patents
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Abstract
一种垂直型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、第一有源层、第二有源层、栅极结构、源极沟槽、第一有源区至第三有源区；衬底、漂移层、第一有源层、第二有源层至下而上依次设置；远离矢状面一侧的栅极结构贯穿第一有源层和第二有源层；源极沟槽位于矢状面一侧；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半部分且设置于漂移层中；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；减小续流通道开启电压和芯片面积，增大可靠性和电流密度，简化工艺。
Description
技术领域
本申请属于半导体技术领域，尤其涉及一种垂直型碳化硅晶体管的结构、制造方法及电子设备。
背景技术
碳化硅（SiC）功率金属-氧化-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor，MOSFET)由于其更快的开关速度、更低的开关损耗和更高的工作温度范围，已成为电动汽车和光伏逆变器等高功率应用中硅绝缘栅双极晶体管（IGBT）的有力竞争对手。在实际应用中，MOSFET 需要反并联二极管来处理反向电流，硅基MOSFET常采用体二极管来反向续流，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。
通常将碳化硅晶体管将SiC MOSFET与肖特基势垒二极管（schottky barrierdiode, 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。
故相关的碳化硅晶体管存在续流通道难以开启、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垂直型碳化硅晶体管的结构、制造方法及电子设备，旨在解决相关的垂直型碳化硅晶体管续流通道难以开启、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垂直型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有源层；
位于所述第一有源层上表面的第二有源层；
位于远离所述矢状面一侧且贯穿所述第一有源层和所述第二有源层的栅极结构；
位于所述矢状面一侧且贯穿第一有源区和第三有源区的源极沟槽；
位于所述漂移层上表面且设置于源极沟槽侧面的所述第一有源区；
位于源极沟槽底部和所述源极沟槽侧面下半部分且设置于所述漂移层中的第二有源区；
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所述第三有源区；
其中，所述第一有源层、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、第二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：
位于所述矢状面一侧且所述漂移层中且位于所述第二有源区下表面的高K介质柱；
所述高K介质柱的材料包括高K介质且绝缘的材料。
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有源层之间的电荷存储层；
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和所述源极沟槽侧面下半部分且设置于所述漂移层上表面。
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；
所述第三有源区和所述源极沟槽的底部的距离大于或等于0.5微米。
在其中一个实施例中，还包括：
覆盖所述第二有源层、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垂直型碳化硅晶体管的源极电极，所述第二金属层为所述垂直型碳化硅晶体管的漏极电极，所述第三金属层为所述垂直型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；所述漂移层、所述第一有源层、所述第二有源层、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。
本申请实施例提供了还一种垂直型碳化硅晶体管的制造方法，垂直型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；
在所述矢状面一侧形成第二有源区，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有源层，在所述第一有源层上表面形成第二有源层，且在所述第三有源区的上表面形成第一有源区；
在远离所述矢状面一侧形成第一沟槽，在所述矢状面一侧形成源极沟槽；其中，所述第一沟槽贯穿所述第一有源层和所述第二有源层；所述源极沟槽均贯穿所述第一有源区和所述第三有源区；
在所述第一沟槽内形成栅极结构。
在其中一个实施例中，在衬底的上表面形成漂移层之后还包括：
在所述漂移层中所述矢状面一侧形成高K介质柱，且在所述高K介质柱的上表面和所述漂移层的上表面延展所述漂移层。
在其中一个实施例中，在两个所述栅极结构之间形成多个第二有源层之后还包括：
在所述第二有源层上表面、所述第一有源区的上表面和所述源极沟槽的内部形成第一金属层；
在所述衬底的下表面形成第二金属层；
形成与所述栅极结构连接的第三金属层。
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垂直型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，第一有源层作为栅极，第二有源层作为源极；当垂直型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。当垂直型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，减小了续流通道开启电压和芯片面积，续流通道易于开启，增大了可靠性和电流密度，简化了工艺。
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垂直型碳化硅晶体管的结构的第一种结构示意图；
图2为本申请一实施例提供的垂直型碳化硅晶体管的结构的第二种结构示意图；
图3为本申请一实施例提供的垂直型碳化硅晶体管的结构的第三种结构示意图；
图4为本申请一实施例提供的垂直型碳化硅晶体管的结构的第四种结构示意图；
图5为本申请实施例提供的垂直型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垂直型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7为本申请实施例提供的垂直型碳化硅晶体管的制造方法中形成第一有源层、第二有源层和第一有源区的一种示意图；
图8为本申请实施例提供的垂直型碳化硅晶体管的制造方法中形成第一沟槽和源极沟槽的一种示意图；
图9为本申请实施例提供的垂直型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10为本申请实施例提供的垂直型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11为本申请实施例提供的垂直型碳化硅晶体管的制造方法中形成高K介质柱的一种示意图；
其中，附图标记说明如下：
01为漂移层，02为第一有源层，03为第二有源层，04为第一有源区，05为第二有源区，06为第三有源区，07为栅极结构，08为源极沟槽，09为电荷存储层，071为第一沟槽，072为介电层，073为导电柱，77为高K介质柱，70为第一金属层，80为第二金属层，90为衬底，100为矢状面。
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。
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。
在本发明第一实施例中，图1示出了本发明实施例提供的垂直型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：
垂直型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100，子场效应管结构包括衬底90、漂移层01、第一有源层02、第二有源层03、栅极结构07、源极沟槽08、第一有源区04、第二有源区05和第三有源区06。
漂移层01位于衬底90的上表面。
第一有源层02位于漂移层01上表面。
第二有源层03位于第一有源层02上表面。
栅极结构07位于远离矢状面100一侧且贯穿第一有源层02和第二有源层03。
源极沟槽08位于矢状面100一侧且贯穿第一有源区04和第三有源区06。
第一有源区04位于漂移层01上表面且设置于源极沟槽08侧面。
第二有源区05位于源极沟槽08底部和源极沟槽08侧面下半部分且设置于漂移层01中。
第三有源区06位于第一有源区04和第二有源区05之间且设置于源极沟槽08侧面。
其中，第一有源层02、第一有源区04和第二有源区05为第一类型；衬底90、漂移层01、第二有源层03和第三有源区06为第二类型。
具体实施中，漂移层01和衬底90作为漏极，第一有源层02作为栅极，第二有源层03作为源极。以第一类型为P型且第二类型为N型为例，当垂直型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04和第三有源区06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。当垂直型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04和第三有源区06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，减小了续流通道开启电压和芯片面积，续流通道易于开启，增大了可靠性和电流密度，简化了工艺。值得强调的是，由于源极沟槽08两侧均并联了续流通道，故进一步提高了续流能力。
源极沟槽08底部的第二有源区05可以起到保护栅极结构07底部拐角的栅氧的作用，同时，隔绝了源极沟槽08底部到漏极的漏电。
在本发明第二实施例中，如图2所示，子场效应管结构还包括电荷存储层09（charge storage layer，CSL）。
电荷存储层09位于漂移层01和第一有源层02之间。
第一有源区04位于电荷存储层09上表面且设置于源极沟槽08侧面。
第二有源区05位于源极沟槽08底部和源极沟槽08侧面下半部分且设置于漂移层01上表面。
需要说明的是，电荷存储层09的掺杂类型为第二类型。电荷存储层09的掺杂浓度大于漂移层01的掺杂浓度且小于第三有源区06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09厚度介于0.1-0.2μm，第三有源区06的掺杂浓度约为1E19，电荷存储层09的掺杂浓度在1E16至8E16之间。
通过设置电荷存储层09，提升了垂直型碳化硅晶体管的正向导通电流，降低了正向导通电阻。
在本发明第二实施例中，如图3所示，子场效应管结构还包括高K介质柱77。
高K介质柱77位于矢状面100一侧且漂移层01中且位于第二有源区05下表面；高K介质柱77的材料包括高K介质且绝缘的材料。
漂移层和高K介质柱交替形成耗尽层，使得高K介质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，且由于高K介质柱具有高介电常数，减小了源极沟槽至漏极的漏电流。
如图1所示，栅极结构07包括第一沟槽071、介电层072和导电柱073。
第一沟槽071从第二有源层03的上表面纵向向下穿过第二有源层03、第一有源层02；
介电层072覆盖在第一沟槽071的内表面；
导电柱073填充在介电层072内部。
介电层072的材料可以包括二氧化硅，导电柱073的材料可以包括多晶硅。
上述栅极结构07简单可靠。
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。
在本发明第四实施例中，如图4所示，垂直型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覆盖第二有源层03、第一有源区04和源极沟槽08。
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07连接。
需要说明的是，第一金属层70为垂直型碳化硅晶体管的源极电极，第二金属层80为垂直型碳化硅晶体管的漏极电极，第三金属层为垂直型碳化硅晶体管的栅极电极。
其中，图1至图4为垂直型碳化硅晶体管的剖面图，第一沟槽071、介电层072和导电柱073均沿着剖面的垂直方向延伸，介电层072在延伸预设距离的位置开口，第三金属层在该开口处与导电柱073连接。
值得强调的是，栅极结构07的材料包括二氧化硅和多晶硅；漂移层01、第一有源层02、第二有源层03、第一有源区04、第二有源区05和第三有源区06的材料包括碳化硅。
作为示例而非限定，第三有源区06和源极沟槽08的底部的距离大于或等于0.5微米。
由于第三有源区06和源极沟槽08的底部的距离大于或等于0.5微米，减小了电场在第三有源区06聚集导致地击穿的可能性，降低了对耐压的影响。
与一种垂直型碳化硅晶体管实施例相对应，本发明还提供了一种垂直型碳化硅晶体管的制造方法的一种实施例。
一种垂直型碳化硅晶体管的制造方法，垂直型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405。
在步骤401中，如图5所示，在衬底90的上表面形成漂移层01。
通过溅射或气相沉积在衬底90的上表面形成漂移层01。
在步骤402中，如图6所示，在矢状面100一侧形成第二有源区05，并在第二有源区05上表面形成第三有源区06。
通过离子注入在矢状面100一侧形成第二有源区05，并通过离子注入在第二有源区05上表面形成第三有源区06。
在步骤403中，如图7所示，在漂移层01上表面形成第一有源层02，在第一有源层02上表面形成第二有源层03，且在第三有源区06的上表面形成第一有源区04。
通过溅射或气相沉积在漂移层01上表面形成第一有源层02，通过溅射或气相沉积在第一有源层02上表面形成第二有源层03，且离子注入在第三有源区06的上表面形成第一有源区04。
在步骤404中，如图8所示，在远离矢状面100一侧形成第一沟槽071，在矢状面100一侧形成源极沟槽08；其中，第一沟槽071贯穿第一有源层02和第二有源层03；源极沟槽08均贯穿第一有源区04和第三有源区06。
通过刻蚀在远离矢状面100一侧形成第一沟槽071，通过刻蚀在矢状面100一侧形成源极沟槽08。
在步骤405中，如图9所示，在第一沟槽071内形成栅极结构07。
具体实施中，首先，在第一沟槽071内侧形成介电层072；然后在介电层072中填充导电柱073；最后在导电柱073的上表面形成介电层072。
具体实施中，步骤401之后还包括步骤401-2。
在步骤401-2中，如图10所示，在漂移层01的上表面形成电荷存储层09。
具体实施中，步骤401之后还包括步骤401-3。
在步骤401-3中，如图11所示，在漂移层01中矢状面100一侧形成高K介质柱77，且在高K介质柱77的上表面和漂移层01的上表面延展漂移层01。
在漂移层01中矢状面100一侧形成第二沟槽，在第二沟槽中填充高K介质柱77，且在高K介质柱77的上表面和漂移层01的上表面延展漂移层01。
在所述漂移层上表面形成第一有源层，在第一有源层上表面形成第二有源层，且在第三有源区的上表面形成第一有源区具体为：在电荷存储层上表面形成第一有源层，在第一有源层上表面形成第二有源层，且在第三有源区的上表面形成第一有源区。
具体实施中，步骤405之后还可以还包括步骤406至步骤408。
在步骤406中，在第二有源层上表面、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407中，在衬底的下表面形成第二金属层。
在步骤408中，形成与栅极结构连接的第三金属层。
值得强调的是，第一金属层为垂直型碳化硅晶体管的源极电极，第二金属层为垂直型碳化硅晶体管的漏极电极，第三金属层为垂直型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、第一有源层、第二有源层、栅极结构、源极沟槽、第一有源区、第二有源区和第三有源区；漂移层位于衬底的上表面；第一有源层位于漂移层上表面；第二有源层位于第一有源层上表面；栅极结构位于远离矢状面一侧且贯穿第一有源层和第二有源层；源极沟槽位于矢状面一侧且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源极沟槽侧面下半部分且设置于漂移层中；第三有源区位于第一有源层和第二有源层之间且设置于源极沟槽侧面；其中，第一有源层、第一有源区和第二有源区为第一类型；衬底、漂移层、第二有源层和所述第三有源区为第二类型；减小了续流通道开启电压和芯片面积，续流通道易于开启，增大了可靠性和电流密度，简化了工艺。
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 (10)
1.一种垂直型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第一有源层；
位于所述第一有源层上表面的第二有源层；
位于远离所述矢状面一侧且贯穿所述第一有源层和所述第二有源层的栅极结构；
位于所述矢状面一侧且贯穿第一有源区和第三有源区的源极沟槽；
位于所述漂移层上表面且设置于源极沟槽侧面的所述第一有源区；
位于源极沟槽底部和所述源极沟槽侧面下半部分且设置于所述漂移层中的第二有源区；
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所述第三有源区；
其中，所述第一有源层、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、第二有源层和所述第三有源区为第二类型。
2.如权利要求1所述的垂直型碳化硅晶体管的结构，其特征在于，所述子场效应管结构还包括：
位于所述矢状面一侧且所述漂移层中且位于所述第二有源区下表面的高K介质柱；
所述高K介质柱的材料包括高K介质且绝缘的材料。
3.如权利要求1所述的垂直型碳化硅晶体管的结构，其特征在于，所述子场效应管结构还包括：
位于所述漂移层和所述第一有源层之间的电荷存储层；
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和所述源极沟槽侧面下半部分且设置于所述漂移层上表面。
4.如权利要求1所述的垂直型碳化硅晶体管的结构，其特征在于，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；
所述第三有源区和所述源极沟槽的底部的距离大于或等于0.5微米。
5.如权利要求1所述的垂直型碳化硅晶体管的结构，其特征在于，还包括：
覆盖所述第二有源层、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垂直型碳化硅晶体管的源极电极，所述第二金属层为所述垂直型碳化硅晶体管的漏极电极，所述第三金属层为所述垂直型碳化硅晶体管的栅极电极。
6.如权利要求1至5任意一项所述的垂直型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；所述漂移层、所述第一有源层、所述第二有源层、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。
7.一种垂直型碳化硅晶体管的制造方法，其特征在于，垂直型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；
在所述矢状面一侧形成第二有源区，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有源层，在所述第一有源层上表面形成第二有源层，且在所述第三有源区的上表面形成第一有源区；
在远离所述矢状面一侧形成第一沟槽，在所述矢状面一侧形成源极沟槽；其中，所述第一沟槽贯穿所述第一有源层和所述第二有源层；所述源极沟槽均贯穿所述第一有源区和所述第三有源区；
在所述第一沟槽内形成栅极结构。
8.如权利要求7所述的垂直型碳化硅晶体管的制造方法，其特征在于，在衬底的上表面形成漂移层之后还包括：
在所述漂移层中所述矢状面一侧形成高K介质柱，且在所述高K介质柱的上表面和所述漂移层的上表面延展所述漂移层。
9.如权利要求7所述的垂直型碳化硅晶体管的制造方法，其特征在于，在两个所述栅极结构之间形成多个第二有源层之后还包括：
在所述第二有源层上表面、所述第一有源区的上表面和所述源极沟槽的内部形成第一金属层；
在所述衬底的下表面形成第二金属层；
形成与所述栅极结构连接的第三金属层。
10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至6任意一项所述的垂直型碳化硅晶体管的结构。
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