CN218351473U - 一种反向导通压降的SiC MOSFET器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种反向导通压降的SiC MOSFET器件，包括其元胞；元胞包括N型耐压层、与N型耐压层的背面接触的N型缓冲、与N型缓冲的背面接触的衬底、与衬底的背面接触的漏极金属层，所述N型耐压层的正面与基区接触；所述元胞的正面还加工有n个深槽将基区分割，所述深槽内的源极金属与源极金属层接触。本实用新型屏蔽区与连通区连接形成接地的电气接触，从而避免了需要采用终端区接地带来的问题；并且可以调节沟槽数目来调节沟道密度，灵活地调节器件的反向导通压降和比导通电阻。

Description

一种反向导通压降的SiC MOSFET器件

技术领域

本实用新型涉及一种反向导通压降的SiC MOSFET器件。

背景技术

半导体功率器件是电子电力技术的核心元器件，通常电子电力***要求功率器件具有导通电阻、高耐压、反向导通压降、高开关速度和易于驱动等特性。SiC材料由于其材料的固有优势，诸如其临界击穿电场强度约是硅10倍，热导率是约是硅的3，因而SiC MOSFET在功率密度、损耗以及散热等方面相较于硅基器件有显著优势。然而，由于高的临界击穿电场强度(约3E6 V/cm)导致关态耐压时槽栅氧化层电场强度过高，带来一系列可靠性问题。所以在SiC MOSFET 元胞设计中必须考虑对氧化层中电场抑制。如公开号为 CN111697077A的一种SiC沟槽栅功率MOSFET器件，目前，最常见有效的方法是在槽栅底部设置一个接地的P型电场屏蔽区。该电场屏蔽区一般通过结终端接地。随着芯片电流增大，元胞区到结终端区域距离增加，导致长距离的P型电场屏蔽区的分布电阻增加，从而接地效果变差，最终将导致SiC MOSFET动态电阻增加，动态损耗增加。所以，该方案会限制单芯片的电流大小。

如公开号为CN109427869A的一种半导体，其在N型基底设置了槽单元，并在槽内设置P型电场屏蔽区，但其P型电场屏蔽区并未与其源极金属层形成电气连接，所以其同样导致长距离的P型电场屏蔽区的分布电阻增加，从而接地效果变差。

此外，SiC材料大的禁带宽度特性决定了其自身集成的反并联PiN 二极管反向导通压降约为3V，导致其反向导通损耗过高。所以，如公开号为CN103441148B的一种集成肖特基二极管的槽栅VDMOS器件，在同一芯片内集成低导通压降的反并联肖特基二极管Schottky Barrier Diode:SBD成为SiC MOSFET的一个重要发展方向。但是，引入的肖特基二极管的泄露电流会在关态强电场下急剧增加，增加关态损耗、降低击穿电压。因而，需要在肖特基结周围设置P型电场屏蔽区来抑制肖特基势垒降低效应，降低关态泄漏电流，避免击穿电压下降。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种反向导通压降的 SiC MOSFET器件。

本实用新型通过以下技术方案得以实现。

本实用新型提供的一种反向导通压降的SiC MOSFET器件，包括其元胞；元胞包括N型耐压层、与N型耐压层的背面接触的N型缓冲、与N型缓冲的背面接触的衬底、与衬底的背面接触的漏极金属层，所述N型耐压层的正面与基区接触；所述元胞的正面还加工有n个深槽将基区分割，在元胞边缘的基区上端设置有第一掺杂区，在相邻深槽之间的基区上设置有第一掺杂区和第二掺杂区，深槽的下端设置有屏蔽区，深槽内填充有多晶硅栅或源极金属，所述多晶硅栅和深槽之间设置有栅介质层,栅介质层底部设置有屏蔽区，所述屏蔽区通过栅介质层侧面的连通区与源极金属层电气连接，所述深槽内的源极金属与源极金属层接触。

所述多晶硅栅上端覆盖有钝化层。

所述n个深槽的数量大于2。

以元胞任一边缘的第一个深槽为第1深槽，则1至第n-1个深槽中填充有多晶硅栅，第n个深槽内填充有源极金属。

所述衬底、第二掺杂区均为N型重掺杂半导体，第一掺杂区为P 型重掺杂半导体。

所述第一掺杂区和基区的一端与连通区接触，相邻第一掺杂区和第二掺杂区之间接触，第二掺杂区的一端与栅介质层接触。

所述屏蔽区为P型电场屏蔽区。

所述连通区为P型电场连通区。

进一步，所述P型基区下方设置有掺杂浓度高于耐压层的N型电流通路区。所述N型电流通路区的浓度至少是耐压区的两倍。

本实用新型的有益效果在于：屏蔽区与连通区连接形成接地的电气接触，从而避免了需要采用终端区接地带来的问题；并且可以调节沟槽数目来调节沟道密度，灵活地调节器件的反向导通压降和比导通电阻。

附图说明

图1是本实用新型的单槽栅器件结构示意图；

图2是本实用新型的多槽栅器件结构示意图；

图3是本实用新型的单槽栅器件增加N型电流通路区的结构示意图；

图4是本实用新型的多槽栅器件增加N型电流通路区的结构示意图；

图中：1-N型耐压层，2-N型缓冲，3-衬底，4-漏极金属层，5-屏蔽区，6-连通区，7-基区，8-第一掺杂区，9-第二掺杂区，10-栅介质层，11-多晶硅栅，12-钝化层，13-源极金属层，14-N型电流通路区。

具体实施方式

下面进一步描述本实用新型的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

实施例1

本实施例提供一种反向导通压降的SiC MOSFE器件，其结构如图1所示，需要说明的是，为避免附图标记的冗杂，相同类型的半导体区域采用同一附图标记；具体来讲，元胞包括：

1.一种反向导通压降的SiC MOSFET器件，其元胞结构包括：

N型耐压层1；

设置在N型耐压层下表面的N型缓冲层2，设置在N型缓冲层下表面的N型重掺杂半导体衬底3，以及设置在N型重掺杂半导体下表面的漏极金属4；

N型耐压层1内设置有P型电场屏蔽区5，P型电场连通区6，以及P型半导体基区7；

元胞表面设置有第一深槽和第二深槽；所述第一深槽由位于槽壁的栅介质层10与位于槽内的多晶硅栅11构成，上表面覆盖有钝化层12；所述第二深槽内部填充与源极金属层13相同的源极金属；所述第一深槽和第二深槽底部均设置有P型电场屏蔽区5，并且第一深槽底部的P型电场屏蔽区通过P型电场连通区6与表面的源极金属层 13电气相连；

所述P型电场连通区6与第一深槽侧壁及第一深槽底部的P型电场屏蔽区5相接触，上表面覆盖有钝化层12；

所述P型电场连通区6、第一深槽和第二深槽将P型半导体基区 7分隔，从左至右依次形成第1个P型半导体基区子区、第2个P型半导体基区子区和第3个P型半导体基区子区；

所述第1个P型半导体基区子区上表面设置有第1个重掺杂P 型半导体区8，且第1个重掺杂P型半导体区上表面覆盖有源极金属层13；所述第1个重掺杂P型半导体区8与所述P型电场连通区6 相接触；

所述第2个P型半导体基区子区上表面设置有相邻接的第1个重掺杂N型半导体区9和第2个重掺杂P型半导体区8，所述第1个重掺杂N型半导体区9与所述栅介质10接触，且二者上表面均覆盖有源极金属层13；

所述第3个P型半导体基区子区上表面设置有第3个重掺杂P 型半导体区8，且第3个重掺杂P型半导体区上表面覆盖有源极金属层13。

所述第一掺杂区和第二掺杂区的掺杂浓度为1e19 cm^-3。

所述源极金属层13位于第二个深槽内的部分侧壁金属与N型耐压区1直接接触并且形成N型肖特基二极管。

本实施例中，上述反向导通压降的SiC MOSFET器件，在深槽内的源极金属与N型耐压区1接触形成反并联的肖特基二极管，用于降低器件的反向导通压降；所述P型电场屏蔽区5将栅氧化层和肖特基结表面的电场强度屏蔽在一个较低的值，从而将关态的泄漏电流维持在一个较低的值，同时避免器件的击穿电压降低，并且所述的P 型电场屏蔽区5通过一个电场连通区6形成接地的电气接触，避免了较长的结终端区接地带来的动态电阻增加的问题。

实施例2

本实施例提供一种反向导通压降的SiC MOSFE器件，其结构如图2所示，具体来讲，元胞包括：

N型耐压层1；

设置在N型耐压层下表面的N型缓冲层2，设置在N型缓冲层下表面的N型重掺杂半导体衬底3，以及设置在N型重掺杂半导体下表面的漏极金属4；

N型耐压层1内设置有P型电场屏蔽区5，P型电场连通区6，以及P型半导体基区7；

元胞表面设置有n个深槽，n≥2，从左至右依次为第1个深槽、第2个深槽……第n个深槽；所述第1～n-1个深槽采用相同结构，由位于槽壁的栅介质层10与位于槽内的多晶硅栅11构成，上表面覆盖有钝化层12；所述第n个深槽内部填充与源极金属层13相同的源极金属；所述n个深槽底部均设置有P型电场屏蔽区5，并且第i(i＝1，2，……n-1)个深槽底部的P型电场屏蔽区通过第i个P型电场连通区6与表面的源极金属层13电气相连；

所述第i个P型电场连通区与第i个深槽及第i个深槽底部的P 型电场屏蔽区5相接触，上表面覆盖有钝化层12；

所述n-1个P型电场连通区和n个深槽将P型半导体基区7分隔，依次形成第1个P型半导体基区子区，第2个P型半导体基区子区……第n个P型半导体基区子区和第n+1个P型半导体子区；

第1个P型半导体基区子区上表面设置有第1个重掺杂P型半导体区8，且第1个重掺杂P型半导体区上表面覆盖有源极金属层13；

第2～n个P型半导体基区子区上表面分别设置有相邻接的第 1～n-1个重掺杂N型半导体区9和第2～n个重掺杂P型半导体区8，且二者上表面均覆盖有源极金属层13，所述第1～n-1个重掺杂N型半导体区9与所述1～n个槽的栅介质10接触分别接触；

第1～n-1个重掺杂P型半导体区8分别与所述1～n-1个P型电场连通区6相接触；

第n+1个P型半导体基区子区上表面设置有第n+1个重掺杂P 型半导体区8，且第n+1个重掺杂P型半导体区上表面覆盖有源极金属层13。

源极金属层13位于第n个深槽内的部分侧壁金属与N型耐压区1 直接接触并且形成N型肖特基二极管。

本实施例中，上述反向导通压降的SiC MOSFET器件，所述源极金属13与N型耐压区1接触形成反并联的肖特基二极管，用于降低器件的反向导通压降；所述P型电场屏蔽区5将栅氧化层和肖特基结表面的电场强度屏蔽在一个较低的值，从而将关态的泄漏电流维持在一个较低的值，同时避免器件的击穿电压降低，并且所述的P型电场屏蔽区5通过一个电场连通区6形成接地的电气接触，避免了较长的结终端区接地带来的动态电阻增加的问题；此外，还可以通过调节沟槽数目灵活调节沟道密度，进一步灵活调节器件的反向导通压降和比导通电阻。

实施例3

如图3，本实施例和实施例1相同，除了P型基区7下方设置有N型电流通路区14，所述N型电流通路区14的掺杂浓度比N型耐压区1高至少两倍以上。

本实施例除了实施例1的益处外，通过增加掺杂较重的N型半导体层14可以在减小两个槽之间由于P型电场屏蔽区以及连通区存在而引入的JFET电阻的同时，有利于进一步缩小槽与槽的间距，提高沟道密度，减低沟道电阻。

实施例4

如图4，本实施例和实施例1相同，除了P型基区7下方设置有N型电流通路区14，所述N型电流通路区14的掺杂浓度比N型耐压区1高至少两倍以上。

本实施例除了实施例1的益处外，通过增加掺杂较重的N型半导体层14可以在减小两个槽之间由于P型电场屏蔽区以及连通区存在而引入的JFET电阻的同时，有利于进一步缩小槽与槽的间距，提高沟道密度，减低沟道电阻。

Claims (8)

1.一种反向导通压降的SiC MOSFET器件，其元胞特征在于：元胞包括N型耐压层(1)、与N型耐压层(1)的背面接触的N型缓冲(2)、与N型缓冲(2)的背面接触的衬底(3)、与衬底(3)的背面接触的漏极金属层(4)，所述N型耐压层(1)的正面与基区(7)接触；所述元胞的正面还加工有n个深槽将基区(7)分割，在元胞边缘的基区(7)上端设置有第一掺杂区(8)，在相邻深槽之间的基区(7)上设置有第一掺杂区(8)和第二掺杂区(9)，深槽的下端设置有屏蔽区(5)，深槽内填充有多晶硅栅(11)或源极金属，所述多晶硅栅(11)和深槽之间设置有栅介质层(10),栅介质层(10)底部设置有屏蔽区(5)，所述屏蔽区(5)通过栅介质层(10)侧面的连通区(6)与源极金属层(13)电气连接，所述深槽内的源极金属与源极金属层(13)接触。

2.如权利要求1所述的反向导通压降的SiC MOSFET器件，其特征在于：所述多晶硅栅(11)上端覆盖有钝化层(12)。

3.如权利要求1所述的反向导通压降的SiC MOSFET器件，其特征在于：所述n个深槽的数量大于2。

4.如权利要求3所述的反向导通压降的SiC MOSFET器件，其特征在于：以元胞任一边缘的第一个深槽为第1深槽，则1至第n-1个深槽中填充有多晶硅栅(11)，第n个深槽内填充有源极金属。

5.如权利要求1所述的反向导通压降的SiC MOSFET器件，其特征在于：所述衬底(3)、第二掺杂区(9)为N型重掺杂半导体；所述第一掺杂区(8)为P型重掺杂半导体。

6.如权利要求1所述的反向导通压降的SiC MOSFET器件，其特征在于：所述第一掺杂区(8)和基区(7)的一端与连通区(6)接触，相邻第一掺杂区(8)和第二掺杂区(9)之间接触，第二掺杂区(9)的一端与栅介质层(10)接触。

7.如权利要求1所述的反向导通压降的SiC MOSFET器件，其特征在于：所述屏蔽区(5)为P型电场屏蔽区。

8.如权利要求1所述的反向导通压降的SiC MOSFET器件，其特征在于：所述连通区(6)为P型电场连通区。

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