[發明專利]一種碳化硅TrenchMOS器件及其制作方法

有效

• 申請號: 201710433417.0
• 申請日: 2017-06-09
• 公開（公告）號: CN107275406B
• 公開（公告）日: 2019-11-01
• 發明（設計）人: 張金平;鄒華;劉競秀;李澤宏;任敏;張波
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/423;H01L29/06;H01L29/16;H01L21/336
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 葛啟函

本發明公開了碳化硅Trench MOS器件及其制作方法，屬于功率半導體技術領域。本發明通過在外延層內部增設凸型多晶硅區，并在凸型多晶硅區的凹槽內設置兩個獨立的溝槽柵，進而使得多晶硅層與外延層形成Si/SiC異質結。相比直接利用碳化硅Trench MOS的寄生碳化硅二極管，本發明顯著降低了器件二極管應用時的結壓降，且較大的異質結結面積改善了器件導通特性；本發明基于凸型多晶硅區的電荷屏蔽作用，減小了其柵?漏電容和柵?漏與柵?源電容的比值，顯著提高了器件的性能和可靠性；本發明器件為單極導電，故還具有較好的反向恢復性能同時兼具傳統Trench MOS器件反向漏電低，擊穿電壓高和器件溫度穩定性能好的優點，因此本發明在逆變電路、斬波電路等電路中具有廣闊前景。

技術領域

本發明屬于功率半導體技術領域，具體涉及一種碳化硅Trench MOS器件及其制作方法。

背景技術

在全球溫室效應漸嚴重、節能減排呼聲愈發高漲的今天，小到家用電器、電動汽車，大到工業生產、機車牽引中的電能變換問題顯得尤為重要，為提高電能使用效率，電力電子領域的科研人員對電力系統的優化和改善迫在眉睫。

功率器件是現代電力系統的核心。由于傳統的硅基功率器件的性能已經十分接近硅材料極限，很難使其性能實現大幅度提升。為了滿足更廣闊的電力電子系統的應用需求，亟需代替傳統硅材料的新的材料。

寬禁帶半導體材料具有比硅材料更佳吸引人的優異性能。因此，例如：以碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導體材料成為功率器件技術領域的新寵。與傳統硅材料相比，碳化硅材料具有較大的禁帶寬度、高熱導率、高電子飽和漂移速度及高臨界擊穿電場，使得其在高溫高壓、強輻射以及大功率應用領域具有非常廣闊的應用前景。此外，相比于其它寬禁帶半導體材料，碳化硅材料在熱氧化條件下生成SiO₂和CO₂。而在高溫下CO₂是氣體，故反應過程中C元素是通過氣體的形式析出，因而碳化硅材料熱氧化能獲得高質量的SiO₂。從器件發展歷史來看，SiO₂質量的優劣對場效應晶體管的決定性意義是不言而喻的。

現有技術中，碳化硅Trench MOS器件憑借其高熱導率、高臨界擊穿電場、抗輻射性能極佳以及高電子飽和速度等特點，在逆變電路、斬波電路等電路中得到了廣泛的應用。碳化硅Trench MOS器件在傳統逆變電路、斬波電路等電路應用中一般需要與一個反并聯二極管共同發揮作用，通常有以下兩種方式：其一為：直接使用器件Pbase區與N-外延層及N+襯底形成的碳化硅寄生PIN二極管；所形成碳化硅PN結具有約為3V的結壓降，若直接利用該PIN二極管，則將導致較大的正向導通壓降、功率損耗以及較低的電路應用效率，這不僅導致了器件發熱引發的可靠性問題，同時對于能源資源的浪費也應被引起重視；其二是在器件外部反并聯一個快恢復二極管(FRD)使用，然而該方法引起系統成本的上升、體積的增大以及金屬連線增加后可靠性降低等問題，使得碳化硅Trench MOS器件在傳統逆變電路、斬波電路等應用中的推廣受到了一定的阻礙。

綜上所述，如何實現碳化硅Trench MOS器件在逆變電路、斬波電路等電路中廣泛應用，并解決現有應用所存在的功率損耗高、工作效率低，系統成本高等問題，成為了本領域技術人員亟需解決的問題。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種能夠廣泛應用于逆變電路、斬波電路等電路中的碳化硅Trench MOS器件。本發明通過在外延層內部增設凸型多晶硅區，并在凸型多晶硅區的凹槽內設置兩個獨立的溝槽柵，進而使得多晶硅層與外延層形成Si/SiC異質結；運用本發明碳化硅Trench MOS器件于上述電路中能夠克服現有技術所存在的功率損耗高、工作效率低、生產成本高等問題。

為實現上述目的，一方面，本發明公開了一種碳化硅Trench MOS器件的技術方案，具體技術方案如下：

技術方案1：