[發明專利]碳化硅溝槽MOSFET器件及制備方法

有效

• 申請號: 202011594363.4
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112687745B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 張金平;王鵬蛟;吳慶霖;劉競秀;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;H01L29/08;H01L29/06;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: 敖歡

本發明屬于功率半導體器件技術領域，具體涉及一種碳化硅溝槽MOSFET器件及其制備方法。本發明相對于傳統的溝槽型碳化硅MOSFET，去掉了其N型碳化硅襯底，在器件源區一側引入了第一N型碳化硅緩沖層，在器件漏區一側引入了第二N型碳化硅緩沖層，并且在器件漏區一側引入了P型多晶硅/N型碳化硅異質結以及不相連的P型區域。所述器件結構可以使溝槽型碳化硅MOSFET在獲得大的正反向對稱耐壓的同時，具有較小的正向導通壓降。此外，為了進一步解決該器件柵氧化層可靠性問題及柵漏電容較大問題，給出了幾種相應的衍生結構。

技術領域

本發明屬于功率半導體器件技術領域，具體涉及一種碳化硅溝槽MOSFET器件及其制備方法。

背景技術

逆變器是將直流電轉換為交流電的器件，其應用場景比較廣泛，比如光伏逆變器、不間斷電源、軌道交通和無軌電車、變頻器等。多電平逆變器具有低損耗、低噪聲以及輸出波形接近正弦波等優良特性，因此其應用場景更加廣闊。矩陣逆變器是一種新型的電力轉換器，它可以直接實現交流-交流的轉換。與傳統的交流-直流-交流變頻方式相比，矩陣逆變器不需要直流電容進行中間儲能，提高了整個系統的可靠性，并且降低了成本。

具有正反向導通能力和阻斷能力的雙向開關是多電平逆變器和矩陣逆變器的核心器件。逆阻型絕緣柵雙極型晶體管(RB-IGBT)是一種具有雙向阻斷能力的新型IGBT，將兩個RB-IGBT反向并聯便可以構成一個雙向開關。傳統的雙向開關通常由兩個普通IGBT和兩個快恢復二極管構成，與之相比，由RB-IGBT構成的雙向開關元件數目更少，導通損耗更低。常規的RB-IGBT通常采用非穿通型(NPT)結構，這種結構的IGBT漂移區較長，因此電流拖尾嚴重，關斷損耗較大。如何降低雙向開關的功率損耗是目前的研究熱點之一。

碳化硅作為第三代半導體材料的典型代表之一，具有禁帶寬度大、電子飽和漂移速度高、熱導率高等優良特性。與相同耐壓等級的IGBT相比，碳化硅MOSFET擁有更低的導通壓降和關斷損耗。因此，如果碳化硅MOSFET能夠實現雙向阻斷，其性能相比RB-IGBT會優越很多。圖1是傳統的溝槽型碳化硅MOSFET，該結構具備較大的正向阻斷能力和較低的導通壓降。然而，該結構并不具備反向阻斷能力。

發明內容

本發明的目的是為了解決如何讓溝槽型碳化硅MOSFET具備大的正反向對稱耐壓，以及如何降低其導通壓降的問題。傳統的溝槽型碳化硅MOSFET如圖1所示，并不具備反向阻斷能力。本發明提出了三種技術方案。技術方案1如圖2所示，本技術方案中去掉了傳統的溝槽型碳化硅MOSFET結構中的碳化硅襯底，在源區一側引入了第一N型碳化硅緩沖層，在漏區一側引入了第二N型碳化硅緩沖層，并且在第二N型碳化硅緩沖層中引入了不相鄰分布的P型區域，同時引入了P型多晶硅區域從而形成P型多晶硅/N型碳化硅異質結，其中P型區域和P型多晶硅區域都與漏極金屬直接相接。該器件結構使溝槽型碳化硅MOSFET獲得了大的正反向對稱耐壓，同時獲得了較低的正向導通壓降。技術方案2如圖3所示，技術方案2中也去掉了傳統的溝槽型碳化硅MOSFET結構中的碳化硅襯底，在源區一側引入了第一N型碳化硅緩沖層，在漏區一側引入了第二N型碳化硅緩沖層，與技術方案1不同的地方是其器件背部結構，在本技術方案中，P型區域并不直接與漏極金屬相接，而是浮空在第二N型碳化硅緩沖層中，同時，相比于技術方案1，P型多晶硅區域的位置也發生了一定的變化，即P型多晶硅區域的位置與P型區域相對應，但寬度略小于P型區域，這使得器件在反向阻斷時的漏電流進一步減小，同時具備較低的正向導通壓降。技術方案3如圖4所示，技術方案3中也去掉了傳統的溝槽型碳化硅MOSFET結構中的碳化硅襯底，在源區一側引入了第一N型碳化硅緩沖層，在漏區一側引入了第二N型碳化硅緩沖層，與前兩種技術方案有所不同的是，本技術方案中P型多晶硅區域在第二N型碳化硅緩沖層中經過刻蝕形成刻蝕槽之后通過淀積工藝形成的。本發明還提供了三種技術方案中器件的制備方法，制作工藝簡單可控，與現有工藝兼容性強。

一、技術方案1：

一種碳化硅逆阻型溝槽MOSFET器件，其半元胞結構包括從下至上依次層疊設置的背部漏極金屬1、第二N型碳化硅緩沖層21、N型碳化硅外延層3，