[发明专利]一种沟槽栅金属氧化物场效应晶体管及其制造方法

权利要求书

1.一种沟槽栅金属氧化物场效应晶体管，包括：

正面金属电极，

背面金属电极，

在所述背面金属电极上的N型单晶衬底，

在所述N型单晶衬底上形成的N型外延层，

在所述N型外延层上形成的第一P型掺杂区，

在所述N型外延层和所述第一P型掺杂区的中央部分设有垂直的沟槽，在所述沟槽中设有栅极，所述栅极的深度比所述第一P型掺杂区的结深更深，所述栅极侧壁与所述第一P型掺杂区之间为第一介质层，所述栅极底部与所述外延层之间为第二介质层，所述第二介质层厚度大于所述第一介质层厚度，

在所述第一P型掺杂区上靠近所述沟槽两侧设有第一N型掺杂区，远离所述沟槽两侧还设有第二P型掺杂区，所述第一N型掺杂区和所述第二P型掺杂区分别与所述正面金属电极相连接，

所述外延层内部还设有与所述第二介质层下方相接触的第三P型掺杂区和第二N型掺杂区，使所述第三P型掺杂区和所述第二N型掺杂区相互交错间隔，在长度方向和厚度方向形成多个PN结单元。

2.如权利要求1所述的沟槽栅金属氧化物场效应晶体管，其特征在于，所述第三P型掺杂区的杂质剂量大于所述第二N型掺杂区的杂质剂量。

3.如权利要求1所述的沟槽栅金属氧化物场效应晶体管，其特征在于，所述N型单晶衬底和所述N型外延层为硅材料或碳化硅材料。

4.如权利要求1所述的沟槽栅金属氧化物场效应晶体管，其特征在于，所述栅极在厚度方向上为多个H形状的重复单元，使得所述栅极在长度方向上部分呈现为对称分离的左右两个栅极。

5.如权利要求1所述的沟槽栅金属氧化物场效应晶体管，其特征在于，所述第二P型掺杂区位于所述第一N型掺杂区下部，且所述正面金属电极的接触孔直接接触到所述第二P型掺杂区表面，所述第二P型掺杂区与所述正面金属电极接触面的深度等于或大于所述第一N型掺杂区的深度；并且使所述第二P型掺杂区与所述第一介质层的距离小于所述第一N型掺杂区宽度；所述第二P型掺杂区的掺杂浓度大于所述第一P型掺杂区的浓度。

6.如权利要求2所述的沟槽栅金属氧化物场效应晶体管，其特征在于，所述第三P型掺杂区的杂质剂量Q_p和所述第二N型掺杂区的杂质剂量Q_n应满足以下关系：

$0.5*Q_n\<Q_p\<{10}^{16}\×{\left(\frac{K\·V_B}{1770}\right)}^{-\frac{50}{39}}*W_p$

其中，V_B为需求的器件耐压值，K为设计器件时考虑到终端效率设置的耐压设计系数，K的取值范围为1.3～1.5；W_p为所述第三P型掺杂区的宽度。

7.如权利要求1所述的沟槽栅金属氧化物场效应晶体管，其特征在于，所述第二介质层厚度至少为所述第一介质层厚度的2倍以上。

8.如权利要求4所述的沟槽栅金属氧化物场效应晶体管，其特征在于，所述每个分离的栅极宽度W₂和所述沟槽宽度W，应满足以下关系：

W≥2*W₂+0.5μm

9.如权利要求1所述的沟槽栅金属氧化物场效应晶体管，其特征在于，所述正面金属电极为镍、铝多层金属层；所述背面金属电极为镍、钛、镍、银或钛、镍、银的多层金属层。

10.一种制造沟槽栅金属氧化物场效应晶体管的方法，所述晶体管包含7层光刻层，按照制作顺序分别为对位标记光刻层、N+注入光刻层、P型注入光刻层、沟槽刻蚀光刻层、P型浮空注入层、N型浮空注入层、P+注入光刻层、栅极光刻层、接触孔刻蚀光刻层、正面金属光刻层，所述方法包括：

在外延层上使用对位标记光刻层刻蚀对位标记，用于后续光刻对位使用；

化学气相淀积2微米二氧化硅，使用N+注入光刻层进行N+注入层注入窗口刻蚀，然后进行N+注入层的多次离子注入掺杂；

通过刻蚀二氧化硅，并再次淀积0.3微米二氧化硅，使用P型注入光刻层，形成注入窗口，并进行P型掺杂区的多次离子注入，形成第一P型掺杂区；

化学气相淀积0.5微米的二氧化硅，使用沟槽刻蚀光刻层，刻蚀二氧化硅，形成沟槽刻蚀窗口，使用RIE刻蚀技术，在碳化硅外延层中刻蚀出深度为2.2微米，宽度为1.7微米的沟槽；

使用P型浮空注入层，对沟槽底部进行铝离子多次注入；

使用N型浮空注入层，对沟槽底部进行磷离子多次注入；

使用P+注入光刻层进行P+注入层的多次离子注入。在1550℃～1700℃的温度范围内进行注入离子的高温退火激活。形成深度0.3微米，平均浓度1e18～4e20cm-3的第一N型掺杂区；深度1.5微米，平均浓度9e17～5e18cm-3的第一P型掺杂区；深度1.5微米，平均浓度8e15～1e16cm-3的第三P型掺杂区；深度1.5微米，平均浓度7.5e15～9.5e15cm-3的第二N型掺杂区；

通过多次氧化层淀积与刻蚀，形成沟槽底部厚度为200nm的第二介质层，沟槽侧壁厚度为55nm的第一介质层。淀积厚度0.55微米，掺杂浓度1e20～3e20cm-3的N型掺杂多晶硅栅极，使栅极光刻层刻蚀形成栅极图形层；

使用接触孔刻蚀光刻层形成刻蚀窗口，通过RIE刻蚀碳化硅外延层，形成深度为0.3正面金属电极接触孔，并对二氧化硅层进行0.2～0.3微米的各向同性刻蚀；

正面淀积Ti/Al金属层，并进行快速热处理，形成欧姆接触。使用栅极光刻层刻蚀金属层，形成正面金属层图形；

背面淀积40～80nm Ti/400～650nm Ni/900～1500nm Ag金属层。