[發明專利]一種提高功率器件耐壓和開關時間性能的柵極構造

在審

• 申請號: 202010053742.6
• 申請日: 2020-01-17
• 公開（公告）號: CN111146280A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 陳譯;陳利;陳彬;陳劍
• 申請（專利權）人: 廈門芯一代集成電路有限公司
• 主分類號: H01L29/423
• 分類號: H01L29/423;H01L29/51;H01L29/739;H01L29/78
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種提高功率器件耐壓和開關時間性能的柵極構造，包括背面金屬層、襯底層和源極金屬表面層；所述襯底層設有柵槽結構，所述柵槽結構的溝道壁角部導入一絕緣層。所述溝道壁角部導入的絕緣層由兩層高介電體層組成，第1層高介電體層與外側氧化層接觸，第2層高介電體層與內側氧化層相接觸。所述溝道壁角部導入的絕緣層的比介電率比SiO₂材質的更高。所述溝道壁角部導入的絕緣層可以用濺射或CVD的工藝方法形成。所述溝道壁角部導入的絕緣層由材料ZrO₂、Ta₂O₅和Al₂O₃組成。本發明通過引入局部高介電層的新柵極構造極大地緩和溝道壁角部的電場強度，提高器件對雪崩擊穿的耐受能力，保證了器件高速開關性能。

技術領域

本發明涉及一種柵極構造，特別提供一種提高功率器件耐壓和開關時間性能的柵極構造。

背景技術

MOSFET（金氧半場效晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）等半導體功率器件，通常都是用柵極電極的電位來控制表面和背面間的電流的導通與斷開。比如像MOSFET器件中，當柵極電極的電位大于器件的閾值電壓時，與柵極相對的半導體層中，將形成“反型層”；這反型層將漏極與源極連接起來形成導電通道。為此可以通過控制柵極的電壓信號的接通或關斷，來控制電流的導通或斷開。

當功率MOSFET和IGBT用作開關元件時，表面電極(功率MOSFET中的源極、IGBT中的發射器電極)和背面側的電極(功率MOSFET中的漏極電極、IGBT中的集電極)之間，突然有沖擊電壓（surge voltage）的情況下，會使器件內的寄生晶體管導通。這時即使沒有柵極電壓，器件內部也將有大電流流過，為此元件很有可能遭受物理性的破壞。為了提高功率MOSFET或IGBT這類器件對這種雪崩擊穿的耐受能力，需要緩和柵極氧化層中電場強度。

發明內容

為了解決上述問題，本發明的目的是提供一種通過在柵槽型柵極的絕緣層（SiO₂）中局部導入高介電體的提高功率器件耐壓和開關時間性能的柵極構造。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：一種提高功率器件耐壓和開關時間性能的柵極構造，包括背面金屬層（20）、襯底層（10）和源極金屬表面層（18）；所述襯底層（10）由下而上依次為漏極層（19）、漂移層（11）、基區（12）；所述襯底層（10）設有柵槽結構（10A），所述柵槽結構（10A）內設有柵極區（14）和屏蔽電極（15），二者以氧化絕緣層（16A）上下隔開，與柵槽結構（10A）的溝道壁間以柵極氧化層（16B）和柵極底部氧化層（16C）隔開，所述柵槽結構（10A）上方兩側基區（12）內設有源極區（13），所述柵槽結構（10A）正上方源極金屬表面層（18）內設有電極分離絕緣層（17），所述柵槽結構（10A）的溝道壁角部（30）導入一絕緣層。

進一步，所述溝道壁角部（30）導入的絕緣層由兩層高介電體層組成，第1層高介電體層（33）與外側氧化層（31）接觸，第2層高介電體層（34）與內側氧化層（32）相接觸。

進一步，所述溝道壁角部（30）導入的絕緣層的比介電率比SiO₂材質的更高。

進一步，所述溝道壁角部（30）導入的絕緣層可以用濺射或CVD的工藝方法形成。

進一步，所述溝道壁角部（30）導入的絕緣層由材料ZrO₂、Ta₂O₅和Al₂O₃組成。

本發明的有益效果是：（1）本發明通過引入局部高介電層的新柵極構造極大地緩和溝道壁角部的電場強度，提高器件對雪崩擊穿的耐受能力；（2）導入高介電層會使柵極-漏極間的反向傳輸容量Crss增大，但是由于高介電層只存在于極溝道壁角部，柵極底部氧化層（16C）還是SiO₂材質的絕緣層，這將抑制使這部分的容量的增大得到有效抑制，保證了器件高速開關性能。