[發明專利]溝槽型碳化硅絕緣柵控場效應晶體管及其制備方法

在審

• 申請號: 202210985653.4
• 申請日: 2022-08-17
• 公開（公告）號: CN115295626A
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 王新中;李軒;婁謙;梁軍;岳德武;王卓;張波
• 申請（專利權）人: 深圳信息職業技術學院
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;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

本發明提供一種溝槽型碳化硅絕緣柵控場效應晶體管及其制備方法，通過引入雙溝槽結構及P型側墻區實現P+屏蔽層狀態自動切換：阻斷狀態時，P+屏蔽層通過P型側墻區連接到P型基區，有效屏蔽柵氧化層電場；正向導通時，P型側墻區完全耗盡形成勢壘區，P+屏蔽層電位抬升，提高正向導通能力；短路狀態時，P+屏蔽層電勢提升克服勢壘，電勢被鉗位并且能夠導通空穴電流，提升器件短路能力。本發明在保證溝槽型碳化硅絕緣柵控場效應晶體管柵氧化層可靠性的前提下，保持低正向導通電壓及低開關損耗優勢，兼顧器件短路能力。

技術領域

本發明屬于功率半導體技術領域，具體是一種溝槽型碳化硅絕緣柵控場效應晶體管。

背景技術

碳化硅(Silicon Carbide)材料作為第三代寬禁帶半導體材料的代表之一，具有禁帶寬度大、臨界雪崩擊穿場強高、導熱系數高和抗輻射能力強等特點，使其在高壓大功率系統具有廣闊的應用前景。碳化硅絕緣柵控場效應晶體管具有導通損耗低、阻斷電壓高、開關速度快、高溫性能好及抗輻照特性強等特性。碳化硅絕緣柵控場效應晶體管主要有平面柵和溝槽柵兩種：平面型碳化硅絕緣柵控場效應晶體管相鄰P型基區間存在JFET效應使其正向導通電壓顯著增大；而溝槽型碳化硅絕緣柵控場效應晶體管消除了JFET效應，有利于提升器件電學特性。

盡管溝槽柵碳化硅絕緣柵控場效應晶體管更有利于緩解導通壓降和開關損耗之間的矛盾關系，當溝槽柵碳化硅絕緣柵控場效應晶體管處于阻斷狀態時，阻斷電壓由P型基區和漂移區間反偏的PN結承擔。當器件處于臨界擊穿時，柵氧化層中場強遠高于碳化硅中電場強度的峰值，約為碳化硅的2.5倍，因柵氧化層退化導致的失效風險陡增。為了解決器件柵氧化層在阻斷狀態的電場強度過大的問題，通常采用P+屏蔽層來削弱柵氧化層的電場強度，提高柵氧化層可靠性。

P+屏蔽層分為接地與浮空兩種狀態。接地P+屏蔽層可以有效降低溝槽柵氧化層的電場強度，但其使正向導通損耗增大。浮空P+屏蔽層在SiC MOSFET開關中將產生動態退化現象，在SiC IGBT中將使得其短路能力急劇下降。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出一種溝槽柵碳化硅絕緣柵控場效應晶體管及制備方法。通過引入雙溝槽結構及P型側墻區實現P+屏蔽層狀態自動切換：阻斷狀態時，P+屏蔽層通過P型側墻區連接到P型基區，有效屏蔽柵氧化層電場；正向導通時，P型側墻區完全耗盡形成勢壘區，P+屏蔽層電位抬升，提高正向導通能力；短路狀態內，P+屏蔽層電勢提升克服勢壘，電勢被鉗位并且能夠導通空穴電流，提升器件短路能力。本發明在保證溝槽型碳化硅絕緣柵控場效應晶體管柵氧化層可靠性的前提下，保持低正向導通電壓及低開關損耗優勢，兼顧器件短路能力。為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種溝槽型碳化硅絕緣柵控場效應晶體管，包括漏極金屬9、漏極金屬9上方的N+襯底8、N+襯底8上方的N-漂移區7；所述N-漂移區7的內部上方左側設有第一凹槽，第一凹槽內設有第一多晶硅柵5、填充第一凹槽的第一柵介質6，第一凹槽右側為第一P型側墻區4，第一凹槽右下方為第一P+屏蔽層81，所述第一P型側墻區4上方為第一P型基區3；所述第一P型基區3左上方為第一P+歐姆接觸區2，所述第一P型基區3右上方為第一N+源區71；所述N-漂移區7的內部上方右側設有第二凹槽，第二凹槽內設有第二多晶硅柵51、填充第二凹槽的第二柵介質61，第二凹槽左側為第二P型側墻區41，第二凹槽左下方為第二P+屏蔽層82，所述第二P型側墻區41上方為第二P型基區31；所述第二P型基區31左上方為第二N+源區72，所述第二P型基區31右上方為第二P+歐姆接觸區21；所述N-漂移區7的內部上方中央設有第三凹槽，第三凹槽內設有第三多晶硅柵52、填充第三凹槽的第三柵介質62；所述第一P+歐姆接觸區2與第一N+源區71上方為第一源極金屬13；所述第二P+歐姆接觸區21與第一N+源區72上方為第二源極金屬14；所述第一多晶硅柵5上方為第一柵極金屬1；所述第二多晶硅柵51上方為第二柵極金屬11；所述第三多晶硅柵52上方為第三柵極金屬12。

作為優選方式，所述柵介質為SiO₂。