[發明專利]一種碳化硅MOS的單粒子加固器件結構及其制備方法

在審

• 申請號: 201911401912.9
• 申請日: 2019-12-30
• 公開（公告）號: CN111129119A
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 賈云鵬;趙富杰;周新田;趙元富;胡冬青;吳郁
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: H01L29/06
• 分類號: H01L29/06;H01L29/423;H01L29/78
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 吳蔭芳

本發明涉及一種碳化硅MOS的單粒子加固器件結構及其制備方法，屬于半導體器件技術領域。本發明在雙溝道MOS(DT?MOS)器件基礎上，提出了一種倒錘型的槽柵結構及其實現方法，可以抑制寄生NPN晶體管的閂鎖效應，提高碳化硅MOSFET的單粒子燒毀閾值電壓，有效解決現有碳化硅MOSFET技術的抗單粒子燒毀能力低的技術難題，還可提升器件短路能力和雪崩能力。本發明可應用于工作在航天器、核電站等高能帶電粒子環境下的器件的設計和制造，有效提升設備系統的可靠性和安全性。

技術領域：

本發明涉及一種單粒子加固器件結構及其制備方法，特別涉及一種倒錘型的槽柵結構雙溝道MOS器件及其制備方法，屬于半導體功率器件技術領域。這種器件適用于有高能帶電粒子存在的空間工作環境，可提高功率MOSFET在空間工作環境下抗單粒子燒毀能力、抗短路電流能力和關斷性能。

背景技術：

隨著航天技術的不斷發展，特別是宇宙空間大功率電源系統、高溫電推進處理單元，以及太空探測器等極端環境和工作條件，對大功率耐高溫的器件需求日益明顯。

碳化硅(SiC)半導體材料與常用的第一代半導體材料硅(Si)相比，在多個方面具有明顯的優勢。碳化硅(SiC)具有寬禁帶(Si的2～3倍)、高擊穿場強(Si的10倍)、高的熱導率(Si的3倍)和強的抗輻射能力。在傳統的硅以及砷化鎵器已經不能滿足系統安全性以及可靠性的要求的情況下，碳化硅器件具有耐高溫，抗輻射等優點，因而在航天大功率、高頻、高溫系統中有很好的應用前景。

目前航空航天影響器件可靠性的輻射效應主要有兩種，一種是總劑量電離輻射效應(TID)，對于低軌衛星，經過長時間的積累，會有超過10krad(Si)的總劑量水平，高軌衛星甚至可以累計超過1Mrad(Si)的總劑量，使得器件性能不斷退化。另一種是單粒子效應(SEE)，單粒子效應是指單個高能粒子穿過微電子器件的靈敏區時造成器件狀態的非正常改變的一種輻射效應，其中單粒子燒毀(SEB)是場效應管漏極-源極局部燒毀，屬于破壞性效應。入射粒子產生的瞬態電流導致敏感的寄生雙極結晶體管導通，雙極結晶體管的再生反饋機制造成集電極電流不斷增大，直至產生二次擊穿，造成漏極-源極永久短路，引起電路燒毀，研究表明現有的SIC器件具有很強的抗TID的能力，但是抗SEB能力普遍很差。現有硅基抗輻射MOS器件可以通過100％額定電壓下的單粒子考核，而現有SIC的MOSFET只能通過10～15％額定電壓下的單粒子考核。因此，SIC的SEB能力很差，嚴重制約了SIC器件宇航應用，本發明專門解決SIC的單粒子加固問題。

發明內容：

本發明主要針對傳統雙溝道MOSFET器件在空間工作環境中容易發生單粒子燒毀的問題進行改進，以及其在高功率工作時寄生晶體管導通引起燒毀的問題。

常規的溝道MOS(TMOS)結構如圖1(a)所示，其柵下方會存在固有NPN寄生晶體管，導致抗單粒子能力差。在太空中的高能粒子入射處，柵下方結處電場強度增加，寄生BJT發射結正偏程度增強，觸發晶體管誤導通，導致高能量粒子入射處產生電流局部集中，造成芯片局部過熱，直至器件燒毀，即發生單粒子燒毀SEB(single?event?burnout)。SEB會引起器件不可恢復的損傷，這會直接導致電子系統的功能失效，影響航天器在軌的安全性和可靠性。因此我們需要優化現有TMOS結構，增強其抗單粒子能力。

為實現上述目的，本發明的一種倒錘型的槽柵結構的槽柵功率MOS器件(Double-trench?MOSFETs?with?Source-Recessed，以下稱為SR-DT-MOS)結構如圖1(b)所示，可以看出構成寄生晶體管發射區和基區的n⁺區與p阱區不再直接相連，而是被倒錘形槽柵的寬槽底結構阻隔。因此，垂直方向上不再形成npn晶體管的寄生結構，這就抑制了功率MOS的閂鎖效應，改善柵下端的高電場，改變寄生晶體管結構使其不容易在高的工作功率下導通引起燒毀，防止二次擊穿從而使其有更強的抗單粒子燒毀能力。

有益效果