CN118136681A - 不对称沟槽型碳化硅mosfet功率器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件及其制备方法，包括设于所述第一导电类型碳化硅外延层中部上方且贯穿所述第一导电类型源区并将所述第一导电类型源区分成两部分的栅沟槽；设于所述栅沟槽两侧壁与底部的栅介质层；设于所述栅沟槽之中且被所述栅介质层三面包围的栅极电极；设于所述栅沟槽一侧且包裹该侧第一导电类型源区的第二导电类型阱区；设于所述栅沟槽另一侧且包裹该侧第一导电类型源区与部分栅沟槽侧壁和底部的第二导电类型深掩蔽区；本发明能够在避免损失沟道密度和JFET区电阻的前提下，实现对栅介质的有效保护。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件及其制备方法。
背景技术
作为电力电子***中的基本单元，功率半导体器件对于电能的传输和转化发挥着不可替代的作用。目前，Si基绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率器件已经广泛应用于工业生产和日常设备中，但其固有的拖尾电流增加了开关损耗，限制了最高工作频率，逐渐难以满足电力电子***高频率、低损耗的要求。
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，受寄生结型场效应晶体管（JFET）结构以及沟道迁移率难以提升的困扰，平面栅型SiC MOSFET器件导通电阻较大且集成度较低，而沟槽栅型SiCMOSFET器件通过在沟槽侧壁形成沟道，既提高了沟道迁移率，又减小了原胞尺寸，明显降低了器件导通电阻。
然而沟槽栅型SiC MOSFET器件在实际制作和应用中存在可靠性问题，高压下沟槽底角的电场集聚效应会影响栅介质的可靠性，导致器件提前击穿，业界普遍认为需要将关断状态下栅介质场强降至3MV/cm以下，方能保证器件可靠性。
现有技术中的半包沟槽型SiC MOSFET结构如图4所示，这种结构通过MeV能量级别的离子注入形成屏蔽区，从而实现对栅介质的有效保护，然而该结构的屏蔽区掺杂浓度较大，因此牺牲了一侧的导电沟道，使得沟道密度减小了一半。另外，该结构的第二导电类型屏蔽区边缘会发生明显的横扩，进而增大了JFET区电阻，进一步减小了器件的电流密度。此外，MeV级离子注入会对半导体材料造成严重的晶格损伤，进而影响电学性能与可靠性。
发明内容
技术目的：针对上述提到的现有半包沟槽型SiC MOSFET器件的不足，本发明公开了一种不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件及其制备方法，能够在避免损失沟道密度和JFET区电阻的前提下，实现对栅介质的有效保护。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件，包括：
漏极电极；
设于所述漏极电极上方的第一导电类型碳化硅衬底；
设于所述第一导电类型碳化硅衬底之上的第一导电类型碳化硅外延层；
设于所述第一导电类型碳化硅外延层内部上方的第一导电类型源区；
设于所述第一导电类型碳化硅外延层内部上方且贯穿所述第一导电类型源区并将所述第一导电类型源区分成两部分的栅沟槽；
设于所述栅沟槽两侧壁与底部的栅介质层；
设于所述栅沟槽之中且被所述栅介质层三面包围的栅极电极；
设于所述栅沟槽一侧且两面包围该侧第一导电类型源区的第二导电类型阱区；
设于所述栅沟槽另一侧且两面包围该侧第一导电类型源区与部分栅沟槽侧壁和底部的第二导电类型深掩蔽区；
设于所述第一导电类型碳化硅外延层之上且完全覆盖栅极电极的隔离介质层；
设于所述隔离介质层两侧及之上的源极电极。
优选地，所述栅沟槽未被所述第二导电类型深掩蔽区包裹的底部长度不小于0.1μm，所述第二导电类型深掩蔽区与所述栅沟槽深度之差不小于1.5μm。
优选地，所述第二导电类型深掩蔽区的深度范围为2.0µm ~ 5.0µm，掺杂浓度范围为5e16cm-3~ 1e18cm-3；所述栅沟槽的深度范围为0.7µm ~ 2.5µm，宽度范围为0.6µm ~2.5µm；所述第二导电类型阱区的深度范围为0.7µm ~ 1.5µm，掺杂浓度范围为1e17cm-3~5e18cm-3。
优选地，被所述第二导电类型深掩蔽区包裹的栅沟槽侧壁和底部附近的区域中，第二导电类型离子掺杂浓度不大于5e17cm-3。
优选地，所述第一导电类型源区的深度范围为0.1µm ~ 0.4µm，掺杂浓度范围为1e19cm-3~ 3e20cm-3；所述第一导电类型碳化硅外延层的掺杂浓度范围为1e15cm-3~1e17cm-3。
一种不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件的制备方法，用于制备以上所述的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件，包括：
步骤1、在第一导电类型碳化硅衬底上外延生长形成第一导电类型碳化硅外延层；
步骤2、通过离子注入工艺或外延生长工艺形成第二导电类型阱区和第一导电类型源区；
步骤3、通过沟道注入工艺形成第二导电类型深掩蔽区；
步骤4、对第一导电类型碳化硅外延层进行刻蚀，形成贯穿第二导电类型阱区和第一导电类型源区的栅沟槽；
步骤5、在栅沟槽的侧壁及底部形成栅介质层，在栅介质层之中形成栅极电极；
步骤6、在栅极电极之上形成完全覆盖栅极电极的隔离介质层，在隔离介质层的两侧及之上形成源极金属，形成源极欧姆接触，在第一导电类型碳化硅衬底的底层淀积金属层，形成漏极欧姆接触，在源极欧姆接触表面形成源极电极，在漏极欧姆接触表面形成漏极电极。
优选地，所述步骤3中，沟道注入与第一导电类型碳化硅外延层的倾角为4°，第二导电类型深掩蔽区的注入离子为Al或B。
优选地，所述步骤2中，在采用离子注入工艺形成第二导电类型阱区和第一导电类型源区时，离子注入的特点是随机注入。
优选地，所述步骤4中采用电感耦合等离子体（Inductive Coupled Plasma，ICP）刻蚀工艺，采用的刻蚀气体为SF6、HBr、Cl2、O2、Ar气体中的一种或多种，所述栅沟槽的侧壁角度不小于80°。
有益效果：本发明的所提供的一种不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件及其制备方法具有如下有益效果：
本发通过沟道注入工艺在栅沟槽的一侧形成第二导电类型深掩蔽区，相比现有技术中的半包结构，本发明通过利用在沟道注入时控制与第一导电类型碳化硅外延层的倾角为4°，实现了相同注入条件下2~3倍的掩蔽区结深、更加陡直的掩蔽区边缘，显著增大的第二导电类型深掩蔽区结深使得第二导电类型深掩蔽区与第一导电类型碳化硅外延层形成的PN结延伸至远离半导体表面处，关断状态下可以实现对电场分布的有效调制，进而减小栅介质承受的电场强度，防止器件提前击穿，另外，借助沟道注入工艺形成较深的掩蔽区，可以有效避免MeV级离子注入带来的晶格损伤，更加陡直的掩蔽区边缘有利于获得更低的JFET区电阻，从而进一步提升了电流密度。
本发明提出的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件，第二导电类型深掩蔽区一侧沟道附近第二导电类型离子掺杂浓度显著减小，正向导通状态下，栅沟槽两侧的沟道均可以参与导电，因此解决了现有技术半包结构必须牺牲一侧导电沟道的问题，实现了更高的沟道密度，正向导通特性随之提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。
图1为本发明实施例1的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件结构示意图；
图2为本发明实施例2的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件结构示意图；
图3为本发明实施例3的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件结构示意图；
图4为现有技术中的半包结构碳化硅槽栅MOSFET功率器件结构示意图；
图5~图11为本发明实施例1的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件的制备流程示意图。
图中：1、漏极电极；2、第一导电类型碳化硅衬底；3、第一导电类型碳化硅外延层；4、第二导电类型深掩蔽区；5、第二导电类型阱区；6、第一导电类型源区；7、栅沟槽；8、栅介质层；9、栅极电极；9-1、第一栅极电极；9-2、第二栅极电极；10、隔离介质层；11、源极电极；12、第一导电类型柱区；13、第二导电类型屏蔽区。
具体实施方式
下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
如图1所示，一种不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件，包括：漏极电极1；设于所述漏极电极1上方的第一导电类型碳化硅衬底2；设于所述第一导电类型碳化硅衬底2之上的第一导电类型碳化硅外延层3；设于所述第一导电类型碳化硅外延层3内部上方的第一导电类型源区6；设于所述第一导电类型碳化硅外延层3内部上方且贯穿所述第一导电类型源区6并将所述第一导电类型源区6分成两部分的栅沟槽7；设于所述栅沟槽7两侧壁与底部的栅介质层8，本发明的栅介质层8可以是氧化硅、氮化硅、硼磷硅玻璃、氧化铝、蓝宝石或氧化铪；设于所述栅沟槽7之中且被所述栅介质层8三面包围的栅极电极9，本发明中的栅极电极9的材料可以是金属或掺杂多晶硅；设于所述栅沟槽7一侧且两面包围该侧第一导电类型源区6的第二导电类型阱区5；设于所述栅沟槽7另一侧且两面包围该侧第一导电类型源区6与部分栅沟槽7侧壁和底部的第二导电类型深掩蔽区4，且被所述第二导电类型深掩蔽区4包裹的栅沟槽7侧壁和底部附近区域中，第二导电类型离子掺杂浓度不大于5e17cm-3，被所述第二导电类型深掩蔽区4包裹的栅沟槽7侧壁和底部附近区域的范围为临近的0.1μm；设于所述第一导电类型碳化硅外延层3之上且完全覆盖栅极电极9的隔离介质层10，所述隔离介质层10可以是二氧化硅或者氮化物或者二氧化硅与氮化物的复合物；设于所述隔离介质层10两侧及之上的源极电极11，本发明器件采用的半导体材料可以是3C-SiC、4H-SiC或6H-SiC。
在本发明中，所述栅沟槽未被所述第二导电类型深掩蔽区包裹的底部长度L1不小于0.1μm，且L1的长度不超过栅沟槽宽度的一半，所述第二导电类型深掩蔽区与所述栅沟槽深度之差D1不小于1.5μm。
如图5~图11所示，为上述不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、如图5和图6所示，在第一导电类型碳化硅衬底2上通过外延生长形成第一导电类型碳化硅外延层3，第一导电类型碳化硅外延层的掺杂浓度为1e15cm-3~ 1e17cm-3；
步骤2、如图7所示，通过低压化学气相沉积工艺、光刻工艺及刻蚀工艺在步骤1制备的第一导电类型碳化硅外延层3的表面形成图形化的离子注入掩膜层，然后通过图形化的离子注入掩膜层进行离子注入，离子注入的特点是随机注入，然后形成第二导电类型阱区5，随后将图形化的离子注入掩膜层去除，再用同样的方式形成第一导电类型源区6，其中所述第二导电类型阱区5的深度为0.7µm ~ 1.5µm，掺杂浓度为1e17cm-3~ 5e18cm-3，所述第一导电类型源区6深度为0.1µm ~ 0.4µm，掺杂浓度为1e19cm-3~ 3e20cm-3；
步骤3、如图8所示，通过低压化学气相沉积工艺、光刻工艺及刻蚀工艺在步骤2制备得到的第一导电类型碳化硅外延层3的表面形成图形化的离子注入掩膜层，然后利用图形化的离子注入掩膜层进行离子注入，离子注入的特点是沟道注入，沟道注入与第一导电类型碳化硅外延层3的倾角为4°，保持沟道注入时倾角为4°能够形成深度较大的第二导电类型深掩蔽区结深，更加陡直的掩蔽区边缘，第二导电类型深掩蔽区4的注入离子为Al或B，此处和第二导电类型阱区5注入的离子相同，从而形成第二导电类型深掩蔽区4，随后去除图形化的离子注入掩膜层，所述第二导电类型深掩蔽区4的深度范围为2.0µm ~ 5.0µm，掺杂浓度范围为5e16cm-3~ 1e18cm-3；
通过控制注入离子的剂量，保证所述第二导电类型深掩蔽区4的掺杂浓度范围维持在5e16cm-3~ 1e18cm-3，通过调整注入的离子的能量，并且利用沟道注入的离子的分布特点，保证掩蔽区掺杂浓度分布曲线中，被所述第二导电类型深掩蔽区4包裹的栅沟槽7侧壁和底部附近区域中，第二导电类型离子掺杂浓度不大于5e17cm-3。
步骤4、如图9所示，通过低压化学气相沉积工艺、光刻工艺及刻蚀工艺在步骤3制备得到的器件表面形成图形化的刻蚀掩膜层，然后利用图形化的刻蚀掩膜层对第一导电类型碳化硅外延层3进行ICP刻蚀，形成栅沟槽7，随后去除图形化的刻蚀掩膜层，所述栅沟槽7的深度为0.7µm ~ 2.5µm，宽度为0.6µm ~2.5µm，且所述栅沟槽7的深度大于所述第二导电类型阱区5的深度，两者的深度之差不小于0.1μm，所述栅沟槽的侧壁角度不小于80°，采用的刻蚀气体为SF6、HBr、Cl2、O2、Ar气体中的一种或多种；
步骤5、如图10所示，通过低压化学气相沉积工艺在栅沟槽7的侧壁及底部形成栅介质层8，对栅介质层8进行高温退火处理，然后通过低压化学气相沉积工艺在栅沟槽7之中形成栅极电极材料，栅极电极的材料选用多晶硅，对栅极电极材料进行注入以及激活退火，再通过光刻工艺及刻蚀工艺去除台面介质层和栅极电极材料，通过化学机械抛光工艺形成栅极电极9；
步骤6、如图11所示，通过低压化学气相沉积工艺、光刻工艺及刻蚀工艺在步骤5制备得到的器件表面形成隔离介质层10，隔离介质层10完全覆盖栅极电极9，在隔离介质层的两侧及之上淀积源极金属，形成源极欧姆接触，在第一导电类型碳化硅衬底的底层淀积漏极金属，形成漏极欧姆接触，最后在源极欧姆接触表面形成源极电极11，在漏极欧姆接触表面形成漏极电极1。
实施例2
如图2所示，一种不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件，与本发明实施例1的区别在于在第一导电类型碳化硅外延层之中形成了第一导电类型柱区12，所述第一导电类型柱区的一侧与所述第二导电类型深掩蔽区4相接触形成了半超结结构，可以大幅度的降低漂移区电阻，进一步提升正向导通特性，其中第一导电类型柱区12可以通过深槽刻蚀和外延回填工艺或者二次外延工艺形成。
实施例3
如图3所示，一种不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件，与本发明的实施例1的区别在于本实施例的栅极电极9采用分栅结构，由第一栅极电极9-1和第二栅极电极9-2共同组成栅极电极，采用分栅结构可以显著减小栅漏交叠面积，进而减小栅漏电容，提升开关特性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件，其特征在于，包括：
漏极电极；
设于所述漏极电极上方的第一导电类型碳化硅衬底；
设于所述第一导电类型碳化硅衬底之上的第一导电类型碳化硅外延层；
设于所述第一导电类型碳化硅外延层内部上方的第一导电类型源区；
设于所述第一导电类型碳化硅外延层内部上方且贯穿所述第一导电类型源区并将所述第一导电类型源区分成两部分的栅沟槽；
设于所述栅沟槽两侧壁与底部的栅介质层；
设于所述栅沟槽之中且被所述栅介质层三面包围的栅极电极；
设于所述栅沟槽一侧且两面包围该侧第一导电类型源区的第二导电类型阱区；
设于所述栅沟槽另一侧且两面包围该侧第一导电类型源区与部分栅沟槽侧壁和底部的第二导电类型深掩蔽区；
设于所述第一导电类型碳化硅外延层之上且完全覆盖栅极电极的隔离介质层；
设于所述隔离介质层两侧及之上的源极电极。
2.根据权利要求1所述的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件，其特征在于，所述栅沟槽未被所述第二导电类型深掩蔽区包裹的底部长度不小于0.1μm，所述第二导电类型深掩蔽区与所述栅沟槽深度之差不小于1.5μm。
3.根据权利要求1所述的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件，其特征在于，所述第二导电类型深掩蔽区的深度范围为2.0µm ~ 5.0µm，掺杂浓度范围为5e16cm-3 ~ 1e18cm-3；所述栅沟槽的深度范围为0.7µm ~ 2.5µm，宽度范围为0.6µm ~2.5µm；所述第二导电类型阱区的深度范围为0.7µm ~ 1.5µm，掺杂浓度范围为1e17cm-3 ~ 5e18cm-3。
4.根据权利要求1所述的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件，其特征在于，被所述第二导电类型深掩蔽区包裹的栅沟槽侧壁和底部附近的区域中，第二导电类型离子掺杂浓度不大于5e17cm-3。
5.根据权利要求1所述的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件，其特征在于，所述第一导电类型源区的深度范围为0.1µm ~ 0.4µm，掺杂浓度范围为1e19cm-3 ~ 3e20cm-3；所述第一导电类型碳化硅外延层的掺杂浓度范围为1e15cm-3 ~ 1e17cm-3。
6.一种不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件的制备方法，用于制备权利要求1-5任一所述的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件，其特征在于，包括：
步骤1、在第一导电类型碳化硅衬底上外延生长形成第一导电类型碳化硅外延层；
步骤2、通过离子注入工艺或外延生长工艺形成第二导电类型阱区和第一导电类型源区；
步骤3、通过沟道注入工艺形成第二导电类型深掩蔽区；
步骤4、对第一导电类型碳化硅外延层进行刻蚀，形成贯穿第二导电类型阱区和第一导电类型源区的栅沟槽；
步骤5、在栅沟槽的侧壁及底部形成栅介质层，在栅介质层之中形成栅极电极；
步骤6、在栅极电极之上形成完全覆盖栅极电极的隔离介质层，在隔离介质层的两侧及之上形成源极金属，形成源极欧姆接触，在第一导电类型碳化硅衬底的底层淀积金属层，形成漏极欧姆接触，在源极欧姆接触表面形成源极电极，在漏极欧姆接触表面形成漏极电极。
7.根据权利要求6所述的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，沟道注入与第一导电类型碳化硅外延层的倾角为4°，第二导电类型深掩蔽区的注入离子为Al或B。
8.根据权利要求6所述的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，在采用离子注入工艺形成第二导电类型阱区和第一导电类型源区时，离子注入的特点是随机注入。
9.根据权利要求6所述的不对称沟槽型碳化硅MOSFET功率器件的制备方法，其特征在于，所述步骤4中采用ICP刻蚀工艺，采用的刻蚀气体为SF6、HBr、Cl2、O2、Ar气体中的一种或多种，所述栅沟槽的侧壁角度不小于80°。
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