CN118198134A - 一种上下分栅碳化硅场效应晶体管结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种上下分栅碳化硅场效应晶体管结构及其制造方法。该碳化硅场效应晶体管结构自下而上依次包括:漏极,N型掺杂的碳化硅衬底,碳化硅N型漂移层,N型层,P阱区;沟槽,贯穿P阱区和N型层;P型埋层,形成在沟槽的底部的***;高功函数介质层,形成在所述沟槽底部作为源极,与N型漂移层形成肖特基二极管;第一绝缘介质层,形成在沟槽的底部;栅极绝缘介质层,形成在沟槽的侧壁;栅极,完全填充所述沟槽;N+源区和P+源区,形成在沟槽之间的P阱区上部,N+源区形成在沟槽两侧,P+源区与N+源区相接;第二绝缘介质层,形成在所述栅极上方并延伸覆盖部分N+源区;以及金属源极,覆盖所述第二绝缘介质层,N+源区和P+源区。

Description

一种上下分栅碳化硅场效应晶体管结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术领域,具体涉及一种上下分栅碳化硅场效应晶体管结构及其制造方法。
背景技术
电子电力技术是对电能功率进行变化和控制的技术,所以电力电子器件也被称为功率半导体器件。高性能功率半导体器件可以大大提高能源传输效率和能源利用效率。Si材料中,为了改善伴随高耐压化而引起的导通电阻增大的问题,主要采用双极型器件绝缘栅极双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。但是IGBT存在着导通压降(Von)和关断损耗(Eoff)间的折衷关系。最终开关产生的发热限制了IGBT的高频应用。如今性能更优异的碳化硅(SiC)在功率器件领域已经有了广泛的研究和应用。
作为宽禁带材料,碳化硅的带隙较宽,是Si的3倍,并且SiC的热导率也是Si的3倍多,因此SiC功率器件即使在高温下也可以稳定工作;SiC的绝缘击穿场强是Si的10倍,在同样耐压等级下,SiC功率器件中的漂移层能采用更高的杂质浓度和更薄的厚度。因此采用SiC可以得到单位面积导通电阻非常低的高耐压器件。而碳化硅场效应晶体管(SiCMOSFET)作为多数载流子器件,开关损耗比IGBT低,从而同时具备高耐压、低导通电阻、高频这三个特性。根据高斯定律,SiO2中的电场是SiC中的2.5倍。与Si IGBT相比,SiC材料更高的临界电场使得SiC MOSFET中SiO2的电场更高。因此降低SiC MOSFET中栅极氧化层高电场是目前的重要研究方向。然而,在本征SiC MOSFET中存在双极退化现象。当工作在反向导通状态时,如果是采用SiC本征二极管导通,则器件处于双极性运行(PN结,体二极管),电子与空穴的复合所释放出的能量导致堆垛层错在基底面位错处蔓延,双极退化会在SiC中积累,最终只会使SiC器件的有源区域减小。
现有的沟槽型SiC MOSFET技术中为了解决栅极氧化层质量不佳及沟槽栅底部电场强度高的问题,获得稳定的击穿电压和更高的可靠性,主要采取增加源极深沟槽或源极深扩散的方法,使得沟槽栅附件的电势下降。但是这种方法存在明显的缺陷:会增大导通电阻,导致器件的静态功耗增大;同时,栅极电容的增加会使得器件的开关速度减小,进而造成器件关断损耗的增加。解决双极退化的主要方法是引入肖特基势垒二极管,但现有技术需要考虑肖特基二极管额外的版图面积及掺杂调整。
发明内容
本发明公开一种新型上下分栅碳化硅场效应晶体管结构及其造方法,通过上下***栅极,在栅极下方引入源极,在沟槽底部引入P型埋层,来解决传统沟槽型SiC MOSFET中沟槽栅拐角电场强度高、可靠性不好、正向及反向导通功耗大、开关断损耗高、双极退化等问题。
具体而言,该上下分栅碳化硅场效应晶体管结构,自下而上依次包括:漏极,N型掺杂的碳化硅衬底,碳化硅N型漂移层,N型层,P阱区;沟槽,贯穿P阱区和N型层;P型埋层,形成在沟槽的底部的***;高功函数介质层,形成在所述沟槽底部作为源极,与N型漂移层形成肖特基二极管;第一绝缘介质层,形成在沟槽的底部;栅极绝缘介质层,形成在沟槽的侧壁;栅极,完全填充所述沟槽;N+源区和P+源区,形成在沟槽之间的P阱区上部,N+源区形成在沟槽两侧,P+源区与N+源区相接;第二绝缘介质层,形成在所述栅极上方并延伸覆盖部分N+源区;以及金属源极,覆盖所述第二绝缘介质层层,N+源区和P+源区。
本发明的上下分栅碳化硅场效应晶体管结构中,优选为,所述高功函数介质层为钨、铂或多晶硅。
本发明还公开一种上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法,包括以下步骤:在N型掺杂的碳化硅衬底上外延生长碳化硅N型漂移层;而后注入P型离子,在碳化硅N型漂移层的上部形成P阱区;再注入N型离子,在P阱区下方形成N型层;在P阱区上部形成交替分布的N+源区和P+源区,N+源区和P+源区相接;刻蚀形成彼此间隔的沟槽,沟槽贯穿N+源区,P阱区和N型层;注入P型离子,在沟槽底部***区域形成P型埋层,退火激活杂质;
在沟槽内填充高功函数介质层并回刻,作为源极,从而与N型漂移层形成肖特基二极管;在沟槽填充第一绝缘介质层并回刻;在沟槽侧壁氧化生长栅极绝缘介质层,而后在沟槽内填充导电介质层作为栅极;淀积第二绝缘介质层,在掩蔽层遮挡下刻蚀第二绝缘介质层,使P+源区的上表面和与之相邻接的N+源区的部分上表面露出形成源极窗口,淀积金属作为源极;在背部淀积金属作为漏极。
本发明的上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法中,形成N+源区和P+源区的步骤具体包括:形成掩蔽层,在掩蔽层遮挡下,先注入N型离子,在P阱区上部形成彼此间隔的N+源区;而后在N+源区上方形成新的掩蔽层,在掩蔽层遮挡下,注入P型离子,在P阱区上部的N+源区之间形成P+源区,使之与N+源区相邻接。
本发明的上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法中,优选为,离子注入形成N型漂移层的注入剂量为1e12~1e13/cm2,注入能量为100~800keV。
本发明的上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法中,优选为,离子注入形成N型层的注入剂量为1e11~5e12/cm2,注入能量为0.5~2MeV。
本发明的上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法中,优选为,离子注入P型埋层的注入剂量为1e14~1e16/cm2,注入能量为30~600keV,退火温度为1500~1900℃,退火时间为60~600min。
有益效果:
P型埋层的引入,将耐压结改变为P型埋层与N型漂移区间的PN结,从而可以降低栅极沟槽底部附近的电势,从而减低栅氧化层的电场强度,提高器件的可靠性。
在沟槽下方引入高功函数介质层形成肖特基二极管,从而使器件工作在单极导电模式,避免出现双击退化现象。
同时,采用了上下***沟槽栅的结构,降低了栅极与漏极间的耦合,减低了米勒电容,从而提高了器件的开关速度,进一步降低了器件的开关损耗。
改进结构后的沟槽型分栅SiC MOSFET制造工艺流程,与原有SiC MOSFET工艺流程兼容。
附图说明
图1是上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法的流程图。
图2~图12是上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法各阶段的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、“垂直”“水平”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发明和简化描述,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发明的限制。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。
此外,在下文中描述了本发明的许多特定的细节,例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术,以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样,可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出,器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成,或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。
图1是上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法的流程图。如图1所示,上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法包括以下步骤:
步骤S1,在N型掺杂的碳化硅衬底100上外延生长碳化硅N型漂移层101,所得结构如图2所示。而后在碳化硅N型漂移层101中注入P型离子,在碳化硅N型漂移层101的上部形成P阱区102,所得结构如图3所示。其中,离子注入剂量为1e12~1e13/cm2,注入能量为100~800keV。再注入N型离子,在P阱区102下方形成N型层103形成JFET,所得结构如图4所示,其中,注入剂量为1e11~5e12/cm2,注入能量为0.5~2MeV。
步骤S2,形成掩蔽层104,在掩蔽层遮挡下,先注入N型离子,在P阱区102上部形成彼此间隔的N+源区105,所得结构如图5所示;而后在N+源区105上方形成新的掩蔽层104,在掩蔽层遮挡下,注入P型离子,在P阱区102上部的N+源区105之间形成P+源区106,使之与N+源区105相邻接,所得结构如图6所示。
步骤S3,形成新的掩蔽层104,刻蚀出彼此间隔的沟槽,沟槽贯穿N+源区105,P阱区102和N型层103,底部位于N型漂移层101,所得结构如图7所示。淀积注入保护层,随后注入P型离子,在沟槽底部***区域形成P型埋层107,所得结构如图8所示。P型埋层107位于N型层103下方,也即P型埋层104不超过N型层103下表面。其中,离子注入剂量为1e14~1e16/cm2,注入能量为30~600keV。去除掩蔽层104和保护层介质,退火激活杂质,其中退火温度为1500~1900℃,退火时间为60~600min。
步骤S4,在沟槽底部填充高功函数介质层108并回刻,作为源极,从而与N型漂移层101形成肖特基二极管,所得结构如图9所示。其中,高功函数介质层为钨、铂、多晶硅等。在沟槽内所述高功函数介质层108上填充第一绝缘介质层109并回刻,所得结构如图10所示。
步骤S5,在沟槽侧壁氧化生长栅极绝缘介质110,而后在沟槽内填充导电介质,使之完全填充沟槽,作为栅极111,所得结构如图11所示。
步骤S6,淀积第二绝缘介质层112,在掩蔽层遮挡下刻蚀第二绝缘介质层112,使P+源区106的上表面和与之相邻接的N+源区105的部分上表面露出,形成源极窗口。随后,淀积金属,使之覆盖N+源区105,P+源区106和绝缘介质层112,作为源极113。在背部淀积金属作为漏极114,所得结构如图12所示。
如图12所示,上下分栅碳化硅场效应晶体管结构,自下而上依次包括:漏极114,N型掺杂的碳化硅衬底100,碳化硅N型漂移层101,N型层103,P阱区102;沟槽,贯穿P阱区102和N型层103;P型埋层107,形成在沟槽的底部的***;高功函数介质层,形成在沟槽底部作为源极108,与N型漂移层101形成肖特基二极管;第一绝缘介质层109,形成在沟槽内的高功函数介质层108上;栅极绝缘介质层110,形成在沟槽的侧壁;栅极111,覆盖第一绝缘介质层109和栅极绝缘介质层110,并完全填充所述沟槽;N+源区105和P+源区106,形成在沟槽之间的P阱区102上部,N+源区105形成在沟槽两侧,P+源区106与N+源区105相接;第二绝缘介质层112,形成在栅极111上方并延伸覆盖部分N+源区105;金属源极112,覆盖第二绝缘介质层112,N+源区105和P+源区106。
其中,P型埋层的引入,将耐压结改变为P型埋层与N型漂移区间的PN结,从而可以降低栅极沟槽底部附近的电势,从而减低栅氧化层的电场强度,提高器件的可靠性。在沟槽下方引入高功函数介质形成肖特基二极管,从而使器件反向导通时能工作在单极导电模式,避免出现双极退化现象。同时,采用了上下***沟槽栅的结构,降低了栅极与漏极间的耦合,减低了米勒电容,从而提高了器件的开关速度,进一步降低了器件的开关损耗。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种上下分栅碳化硅场效应晶体管结构,其特征在于,
自下而上依次包括:漏极,N型掺杂的碳化硅衬底,碳化硅N型漂移层,N型层,P阱区;
沟槽,贯穿P阱区和N型层;
P型埋层,形成在沟槽的底部的***;
高功函数介质层,形成在所述沟槽底部作为源极,与N型漂移层形成肖特基二极管;
第一绝缘介质层,形成在沟槽的底部;栅极绝缘介质层,形成在沟槽的侧壁;
栅极,完全填充所述沟槽;
N+源区和P+源区,形成在沟槽之间的P阱区上部,N+源区形成在沟槽两侧,P+源区与N+源区相接;
第二绝缘介质层,形成在所述栅极上方并延伸覆盖部分N+源区;以及
金属源极,覆盖所述第二绝缘介质层,N+源区和P+源区。
2.根据权利要求1所述的上下分栅碳化硅场效应晶体管结构,其特征在于,
所述高功函数介质层为钨、铂或多晶硅。
3.一种上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法,其特征在于,
包括以下步骤:
在N型掺杂的碳化硅衬底上外延生长碳化硅N型漂移层;而后注入P型离子,在碳化硅N型漂移层的上部形成P阱区;再注入N型离子,在P阱区下方形成N型层;
在P阱区上部形成交替分布的N+源区和P+源区,N+源区和P+源区相接;
刻蚀形成彼此间隔的沟槽,沟槽贯穿N+源区,P阱区和N型层;
注入P型离子,在沟槽底部***区域形成P型埋层,退火激活杂质;
在沟槽内填充高功函数介质层并回刻,作为源极,从而与N型漂移层形成肖特基二极管;
在沟槽填充第一绝缘介质层并回刻;在沟槽侧壁氧化生长栅极绝缘介质层,而后在沟槽内填充导电介质层作为栅极;
淀积第二绝缘介质层,在掩蔽层遮挡下刻蚀第二绝缘介质层,使P+源区的上表面和与之相邻接的N+源区的部分上表面露出形成源极窗口,淀积金属作为源极;
在背部淀积金属作为漏极。
4.根据权利要求3所述的上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法,其特征在于,
形成N+源区和P+源区的步骤具体包括:
形成掩蔽层,在掩蔽层遮挡下,先注入N型离子,在P阱区上部形成彼此间隔的N+源区;
而后在N+源区上方形成新的掩蔽层,在掩蔽层遮挡下,注入P型离子,在P阱区上部的N+源区之间形成P+源区,使之与N+源区相邻接。
5.根据权利要求3所述的上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法,其特征在于,
离子注入形成N型漂移层的注入剂量为1e12~1e13/cm2,注入能量为100~800keV。
6.根据权利要求3所述的上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法,其特征在于,
离子注入形成N型层的注入剂量为1e11~5e12/cm2,注入能量为0.5~2MeV。
7.根据权利要求3所述的上下分栅碳化硅场效应晶体管结构制造方法,其特征在于,
离子注入P型埋层的注入剂量为1e14~1e16/cm2,注入能量为30~600keV,退火温度为1500~1900℃,退火时间为60~600min。
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