[發明專利]一種具有增強可靠性的碳化硅功率MOSFET器件

有效

• 申請號: 202011510548.2
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112599524B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 任娜;盛況;朱鄭允
• 申請（專利權）人: 浙江大學杭州國際科創中心
• 主分類號: H01L27/088
• 分類號: H01L27/088;H01L29/06;H01L29/16;H01L29/78
• 代理公司: 杭州裕陽聯合專利代理有限公司 33289
• 代理人: 盛影影

本發明提出一種具有增強可靠性的碳化硅功率MOSFET器件，包含多個傳統碳化硅MOSFET元胞，以及多個增強可靠性元胞，其結構包含襯底、源極和漏極，還包括第一N型碳化硅區域，位于襯底上方；第一源極區域，包含第一P型體區，第二P型體區和第二N型碳化硅區域，位于所述第一N型碳化硅區域上方；第一隔離柵極區域，位于第一源極區域上方。元胞在第一表面為多邊形或圓形布局設計，且增強可靠性元胞內的第一P型體區連為一體。這種結構減小了JFET區域的面積，提高了器件柵氧的可靠性；增加了第一P型體區面積，提高了器件的雪崩耐量；通過連為一體的第一P型體區設計，使得各個元胞第一P型體區的電位相等，有效提升了器件的短路能力。

技術領域

本發明涉及一種半導體器件，尤其涉及一種具有增強可靠性的碳化硅功率MOSFET器件。

背景技術

傳統硅基半導體器件的性能已經逐漸接近材料的物理極限，而采用以碳化硅為代表的第三代半導體材料所制作的器件具有高頻、高壓、耐高溫、抗輻射等優異的工作能力，能夠實現更高的功率密度和更高的效率。

碳化硅功率MOSFET作為SiC開關器件的代表，具有開關損耗低、工作頻率高、易驅動、適合并聯使用等優點，現已逐漸在電動汽車、充電樁、新能源發電、工業控制、柔性直流輸電等應用場景中得到推廣和使用。圖1-1為傳統碳化硅功率MOSFET元胞的截面圖000。所述傳統碳化硅功率MOSFET元胞包括漏極1、源極11、第一隔離柵極區域13、襯底2、第一N型碳化硅區域3、第一源極區域12、JFET區域7。所述第一N型碳化硅區域3具有第一N型摻雜濃度，位于襯底2上方，具有第一表面14；所述襯底2具有第二表面15。所述JFET區域7與所述第一N型碳化硅區域3相鄰或者位于所述第一N型碳化硅區域3內；所述第一源極區域12，位于所述第一N型碳化硅區域3上方、JFET區域7兩側，所述第一源極區域12包括第二N型碳化硅區域5、第一P型體區4、第二P型體區6，所述第二N型碳化硅區域5具有第二N型摻雜濃度，第二N型摻雜濃度可以大于第一N型摻雜濃度，所述第一P型體區4具有第一P型摻雜濃度，所述第二P型體區6具有第二P型摻雜濃度，第二P型摻雜濃度可以大于第一P型摻雜濃度；所述第一隔離柵極區域13位于JFET區域7和第一源極區域12上方，所述第一隔離柵極區域13包括柵氧層8、柵電極層9、鈍化層10；所述源極11包括第一金屬化層，所述第一金屬層在第一表面14上方延伸并且與第一源極區域12直接接觸在交界位置001處形成歐姆接觸。所述漏極1包括第二金屬化層，所述第二金屬化層在第二表面15下方延伸并且與襯底2在交界位置002處形成歐姆接觸。

圖1-2為采用條狀排列方式的碳化硅功率MOSFET器件000-1在第一表面14的俯視圖。包含多個傳統碳化硅功率MOSFET元胞000，在第一方向α和第四方向δ上為周期排列，呈現條狀排列形式。

圖1-3為采用六邊形排列方式的碳化硅功率MOSFET器件000-2在第一表面14的俯視圖。包含多個傳統碳化硅功率MOSFET元胞000，在第一方向α、第二方向β、第三方向γ上均為周期排列，呈現六邊形排列形式。與圖1-2的條狀設計相比，圖1-3的六邊形元胞設計能夠獲得更高的器件集成度，但是這種設計下器件的JFET區域面積占比更高，可靠性相應下降。

傳統Si IGBT模塊相比，SiC MOSFET因其具有更低的導通損耗和更快的開關頻率，可以提高系統效率。然而，在電力電子裝備技術的發展過程中，追求工作效率和功率密度的同時，系統的穩定性和可靠性是另一個重要的考量指標。碳化硅功率MOSFET器件的可靠性是影響其在電力電子系統中實際應用的關鍵因素。在碳化硅功率MOSFET器件的設計中提升器件的短路能力、浪涌能力和雪崩耐量，與追求更為優化的器件性能一樣，已經成為碳化硅功率MOSFET器件設計的關鍵問題。

發明內容

為了解決上述現有技術的一個或多個技術問題，本發明提出一種增強可靠性的碳化硅功率MOSFET器件。