[發明專利]具有復合介質層寬帶隙半導體縱向超結雙擴散金屬氧化物半導體場效應管及其制作方法

有效

• 申請號: 201710624383.3
• 申請日: 2017-07-27
• 公開（公告）號: CN107591450B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 段寶興;曹震;師通通;呂建梅;楊銀堂
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/06;H01L21/336
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 胡樂

本發明提出了一種具有復合介質層(Composite Dielectric Layer，CDL)寬帶隙半導體縱向超結雙擴散金屬氧化物半導體場效應管及其制作方法，該器件主要是在器件柵電極下方超結漂移區側壁形成半絕緣多晶硅層(SIPOS)和高介電常數(High K)介質層組成的復合介質層。在器件關斷時SIPOS柱與High K介質上具有均勻的電場，通過電場調制使得器件的超結漂移區內的電場分布均勻。同時，寬帶隙超結漂移區與復合介質層共同輔助耗盡超結漂移區，大幅度提高了器件超結漂移區的耗盡能力，使得器件的漂移區摻雜濃度增加；在器件開啟時漂移區的側壁上具有多數載流子積累層，使得器件的導通電阻進一步降低。

技術領域

本發明涉及半導體器件領域，特別是涉及一種溝槽(Trench)型的縱向雙擴散金屬氧化物半導體場效應管。

背景技術

寬帶隙半導體材料具有大禁帶寬度、高臨界擊穿電場、高熱導率和高電子飽和漂移速度等特點，因此其在大功率、高溫以及高頻的電力電子領域有非常廣闊的應用前景。目前在以寬帶隙半導體典型的SiC為襯底的場效應管中，垂直雙擴散金屬氧化物半導體場效應管(VDMOS)是被廣泛研究的對象之一。對于高壓MOSFET來說，電源的高能效要求則是影響產品未來發展的主要因素。然而在功率器件高壓應用領域內，隨著器件擊穿電壓的升高，功率VDMOS外延層厚度不斷增加，漂移區摻雜濃度逐漸降低，導致器件的導通電阻會隨著器件擊穿電壓的增加而增加，使得器件的導通損耗增大。1998年陳星弼院士等人提出了縱向耐壓層新結構理論，打破了硅限理論，即日后被稱為超結的耐壓結構。它利用電荷補償理論，漂移區由一系列交替高濃度摻雜的N區和P區相互補償，使得器件漂移區的濃度提升然。將超結技術應用于寬帶隙半導體材料，形成寬帶隙半導體超結結構能夠有效地增加器件漂移區的濃度并提升器件耐壓。為了進一步突破寬帶隙半導體超結擊穿電壓與比導通電阻的極限，器件需要采用電場調制技術和多數載流子積累等技術。

發明內容

本發明提出了一種基于寬帶隙半導體襯底復合介質層縱向超結雙擴散金屬氧化物半導體場效應管，旨在優化寬帶隙半導體VDMOS和傳統元素半導體VDMOS器件擊穿電壓與比導通電阻的矛盾關系。

本發明的技術方案如下：

一種具有復合介質層寬帶隙半導體縱向超結雙擴散金屬氧化物半導體場效應管，包括：

半導體材料的襯底，兼作漏區；

在襯底上外延生長形成的超結漂移區；超結漂移區的N柱和P柱的寬度和摻雜濃度滿足電荷平衡條件；

在所述超結漂移區上表面摻雜形成的左、右兩處基區；

在所述基區上部摻雜分別形成的源區和溝道襯底接觸；

在所述源區和溝道襯底接觸上表面形成的源極；

在所述漏區下表面形成的漏極；

有別于現有VDMOS的是：

所述襯底以及超結漂移區的材料是寬帶隙半導體材料，在所述左、右兩處基區之間刻蝕形成溝槽，溝槽沿縱向穿過超結漂移區至襯底漏區，溝槽的深寬比根據器件的超結漂移區的長度來確定，超結漂移區的長度根據擊穿電壓要求確定；在所述溝槽的側壁依次形成柵絕緣層、具有摻氧的半絕緣多晶硅層，使半絕緣多晶硅層縱向兩端與器件的柵漏兩端相連；半絕緣多晶硅層縱向表面對應于基區為重摻雜區域，在該重摻雜區域表面形成柵極；

在表面成為半絕緣多晶硅層的溝槽內填充High K介質，High K介質與超結漂移區縱向等高，半絕緣多晶硅層和High K介質共同組成復合介質層。

在以上方案的基礎上，本發明還作了如下優化：

High K材料的相對介電常數是100～2000。

橫向上High K介質的寬度(也即表面成為半絕緣多晶硅層的溝槽的寬度)為0.2～5μm。