[发明专利]一种碳化硅功率器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳化硅功率器件及其制备方法。所述器件为纵向结构的碳化硅MOSFET，包括自下而上依次设置的漏极、N⁺型碳化硅衬底、N^‑型漂移层、N型JFET区和沟道区，其中N型JFET区和沟道区形成鳍型结构，两侧各有一个栅结构；在栅结构的底部设置有P型屏蔽区，或者所述P型屏蔽区包围栅结构的底部及远离鳍型结构的外侧；在沟道区上设置N⁺型表面区，其上为与N⁺型表面区、部分P型屏蔽区表面形成欧姆接触的源极；漏极与N⁺型碳化硅衬底下表面形成欧姆接触。本发明的碳化硅功率器件在制作良好接地的P型屏蔽区对栅介质层进行屏蔽的同时，引入不需要接地的低掺杂的耗尽沟道区，进一步提高了沟道迁移率和沟道密度，从而降低器件的导通电阻。

技术领域

本发明提供一种碳化硅功率器件，具体涉及一种沟槽栅碳化硅功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效晶体管)，属于电力电子器件领域。

背景技术

功率器件，是指能够处理高电压和大电流的半导体器件，常用于电能变化和控制电路。碳化硅是宽禁带半导体中的代表性材料，有着高临界击穿电场、高热导率以及高电子饱和漂移速率等诸多优点，在功率电子领域被广泛应用。

碳化硅功率MOSFET是利用碳化硅的优良性能制作的功率器件，是进一步提高功率开关系统性能的一种很有前途的方法。按照器件的结构，可以将功率MOSFET大致分为横向结构和纵向结构，两种结构的区别在于电流的流向。横向结构的器件电极均位于器件表面，电流沿表面横向流动。纵向结构的器件的漏极位于器件底部，电流垂直流过衬底。早期纵向结构的碳化硅MOSFET的沟道电流是横向导通的，存在JFET区且沟道迁移率较低，因此具有较大的沟道电阻。为了克服这一问题，沟槽MOSFET结构被人们提出并广泛接受。这种结构通过刻蚀沟槽形成栅极，利用栅极的侧壁控制垂直方向的沟道导通，实现了更高的沟道迁移率，消除了JFET区电阻，提高了原胞的密度，从而大幅度降低了器件的导通电阻^[1]。

然而沟槽MOSFET要在商业领域获得成功，还需降低沟槽底部周围栅介质层中的强电场(栅介质层长期可靠性的典型标准为电场强度低于3MV/cm)。为了解决这一问题，J.A.Cooper等人在2002年提出在沟槽栅极下方注入形成P型屏蔽区来屏蔽高电场，从而保护栅介质层不被击穿^[2]。P型屏蔽区需要接地来实现更好的屏蔽效果和动态特性，然而在该方案中，实现P型屏蔽区接地的工艺较为复杂。

罗姆半导体的T.Nakamura等人在2011年提出了双沟槽MOSFET的结构^[3]，源极与栅极同时通过刻蚀来制备，在源极下方注入形成P型屏蔽区，实现良好接地的同时对相邻的栅极进行屏蔽，但在高阻断电压下屏蔽效果较差。

英飞凌公司的Dethard Peters等人在2017年提出了CoolSiC沟槽MOSFET的结构^[4]，这是一种不对称的结构，栅极一侧是传统结构，另一侧注入形成深P型屏蔽区来屏蔽栅介质层底部高电场，屏蔽效果良好，且P型屏蔽区易于实现良好接地，但牺牲了一半的沟道，降低了沟道密度。

国内学者Huaping Jiang等人于2016年也提出了一种鳍形栅结构^[5]，该结构中的P型屏蔽区能很好的屏蔽栅介质层底部高电场，并且易于接地。另外，器件结构的栅漏电容和栅漏电荷较低，降低了开关损耗。可是该结构依然有不足，那就是现有器件结构普遍存在的低沟道迁移率问题。

参考文献：

[1]Agarwal A K,Casady J B,Rowland L B,et al.1.1kv 4h-sic powerumosfets[J].IEEE Electron Device Letters,1997,18(12):586-588.