一種n型碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管的制作方法
【專利摘要】一種N型碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管，包括：N型襯底，在N型襯底的一側(cè)連接有漏極金屬，在N型襯底的另一側(cè)設(shè)有N型漂移區(qū)，在N型漂移區(qū)中設(shè)有P型基區(qū)，在P型基區(qū)中設(shè)有P型體接觸區(qū)和N型源區(qū)，在N型漂移區(qū)的表面設(shè)有柵氧化層且柵氧化層的邊界分別向兩側(cè)延伸并止于N型源區(qū)的邊界，在柵氧化層的表面設(shè)有多晶硅柵，在多晶硅柵及N型源區(qū)上設(shè)有場氧化層，在多晶硅柵的表面連接有柵極金屬，在N型源區(qū)和P型體接觸區(qū)連接有源極金屬。其特征在于所述的P型體接觸區(qū)和P型基區(qū)中間內(nèi)嵌有一金屬層。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于保持器件擊穿電壓等其他參數(shù)基本不變的前提下不僅可以顯著降低器件的反向恢復(fù)時(shí)間，而且還提高了器件的抗閂鎖能力。
【專利說明】一種N型碳化娃縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及高壓功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體來說，是一種N型碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管，適用于航天、航空、石油勘探、核能、雷達(dá)與通信等高溫、高頻、大功率、強(qiáng)輻射等極端環(huán)境并存的應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅是近十幾年來迅速發(fā)展起來的寬禁帶半導(dǎo)體材料之一。與廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料硅、鍺以及砷化鎵相比，碳化硅具有寬禁帶、高擊穿電場、高載流子飽和漂移速率、高熱導(dǎo)率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，是制備高溫、大功率、高頻器件的理想材料。目前美、歐、日等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)基本解決了碳化硅單晶生長和同質(zhì)外延薄膜等問題，在大功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。據(jù)報(bào)道，2014年I月中國首次實(shí)現(xiàn)碳化硅大功率器件的批量生產(chǎn)，在以美、歐、日為主導(dǎo)的半導(dǎo)體領(lǐng)域形成突破。
[0003]功率金屬氧化物半導(dǎo)體管是一種理想的開關(guān)器件和線性放大器件，它具有開關(guān)速度快、保真度高、頻率響應(yīng)好、熱穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，在功率器件中占有極為重要的地位。在傳統(tǒng)的硅基金屬氧化物半導(dǎo)體管中，其電流傳輸能力受限于降低導(dǎo)通電阻和提高擊穿電壓這一對(duì)矛盾關(guān)系上，為獲得較高的擊穿電壓必須采用高電阻率的漂移區(qū)，因此限制了其在高壓電路領(lǐng)域的應(yīng)用。而碳化硅材料由于具有較大的臨界擊穿電場，在耐壓與面積相同的情況下，碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體管的導(dǎo)通電阻要比硅基的金屬氧化物半導(dǎo)體管至少小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因而在高壓應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅金屬氧化物半導(dǎo)體管具有十分明顯的優(yōu)勢。
[0004]碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管具有垂直于芯片表面的導(dǎo)電路徑，它溝道短，截面積大，作為單極型器件，碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管在高頻、大功率應(yīng)用方面具有良好的性能。但是實(shí)際應(yīng)用中碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管的開關(guān)速度受限于器件內(nèi)部寄生的體二極管，其原因在于作為雙極型器件的PN結(jié)存在少數(shù)載流子壽命和反向恢復(fù)延遲等問題，導(dǎo)致流過器件的電流不能隨金屬氧化物半導(dǎo)體管開關(guān)快速反應(yīng)，為解決這一困擾，通常的做法是在開關(guān)管外部并聯(lián)一快恢復(fù)肖特基二極管，這增加了器件的體積和成本。本發(fā)明器件在系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，即使源漏端不并聯(lián)肖特基二極管也可以實(shí)現(xiàn)較快的反向恢復(fù)，因而有效地減小了系統(tǒng)的硬件成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種N型碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種N型碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管，包括:N型襯底，在N型襯底的一側(cè)連接有漏極金屬，在N型襯底的另一側(cè)設(shè)有N型漂移區(qū)，在N型漂移區(qū)中設(shè)有P型基區(qū)，在P型基區(qū)中設(shè)有P型體接觸區(qū)和N型源區(qū)，在N型漂移區(qū)的表面設(shè)有柵氧化層且柵氧化層的邊界分別向兩側(cè)延伸并止于N型源區(qū)的邊界，在柵氧化層的表面設(shè)有多晶硅柵，在多晶硅柵及N型源區(qū)上設(shè)有場氧化層，在多晶硅柵的表面連接有柵極金屬，在N型源區(qū)和P型體接觸區(qū)連接有源極金屬，在所述的P型體接觸區(qū)和P型基區(qū)內(nèi)設(shè)有金屬層，金屬層的一端穿過P型體接觸區(qū)并與源極金屬連接，金屬層的另一端穿過P型基區(qū)并進(jìn)入N型漂移區(qū)。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
(I )、本發(fā)明器件在P型體接觸區(qū)4和P型基區(qū)3中間內(nèi)嵌有一金屬層12，且金屬層12上表面與源極金屬10相連，下表面穿過P型體接觸區(qū)4和P型基區(qū)3且伸入到N型漂移區(qū)2內(nèi)部，與N型漂移區(qū)2形成肖特基接觸。當(dāng)器件的體二極管處于正向?qū)顟B(tài)時(shí)，由于兩端存在肖特基結(jié)，且其內(nèi)建電勢遠(yuǎn)低于器件體二極管的正向壓降，所以漏極金屬11中的絕大部分電子經(jīng)由N型漂移區(qū)2與金屬層12流向源極金屬10形成正向電流，只有少部分載流子通過體二極管被源極收集，這一過程不存在少數(shù)載流子的積累，因此當(dāng)體二極管突然從正向?qū)ㄞD(zhuǎn)到反向截止時(shí)，其反向恢復(fù)時(shí)間很短，與肖特基二極管類似。附圖3為采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的器件與常規(guī)器件的反向恢復(fù)特性曲線對(duì)比圖，由圖可見本發(fā)明結(jié)構(gòu)器件與常規(guī)器件相比，反向恢復(fù)時(shí)間與反向恢復(fù)峰值電流都得到了明顯的降低。
[0008](2)、本發(fā)明的好處在于內(nèi)嵌金屬層12還提升了器件的防閂鎖能力，進(jìn)而提高了器件的可靠性，延長了器件的使用壽命。附圖4為兩種結(jié)構(gòu)的器件沿P型基區(qū)底部橫切面方向的電場分布對(duì)比圖，如圖所示金屬層12的引入，使得半導(dǎo)體內(nèi)部峰值電場及碰撞電離最強(qiáng)點(diǎn)的位置從P型基區(qū)底部移到了金屬層12的底部，因此金屬層12底部比P型基區(qū)底部先發(fā)生擊穿，且當(dāng)發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，碰撞電離產(chǎn)生的少數(shù)載流子空穴大部分通過金屬層12被源極金屬抽走，只有很少的部分通過P型基區(qū)被源極金屬收集，導(dǎo)致寄生三極管不易開啟，所以器件的防閂鎖能力得到明顯增強(qiáng)。
[0009](3)、本發(fā)明的好處在于采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的器件與常規(guī)器件相比器件的整體擊穿特性基本保持不變。附圖5為采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)器件與常規(guī)器件的理想擊穿特性比較圖，如圖所示，引入金屬層12雖然會(huì)造成器件的理想關(guān)態(tài)擊穿電壓略微降低，但考慮到浮空?qǐng)鱿蕲h(huán)、場板等終端結(jié)構(gòu)也會(huì)損失器件的一部分擊穿電壓，且損失量在理想擊穿電壓的20%左右，而采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)對(duì)器件理想擊穿電壓的影響幅度很小，因而對(duì)器件整體擊穿電壓的影響幾乎可以忽略不計(jì)，因此可以說采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的器件與原結(jié)構(gòu)相比器件的整體擊穿特性基本不變。
[0010](4)、本發(fā)明器件的制造與現(xiàn)有工藝完全兼容,而且制作工藝也十分簡單,僅需在制造常規(guī)結(jié)構(gòu)工藝流程的基礎(chǔ)上增加一步制作金屬層12的流程即可。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是常規(guī)結(jié)構(gòu)的N型碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管的器件結(jié)構(gòu)剖面圖。
[0012]圖2是采用本發(fā)明改進(jìn)后的N型碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管的器件結(jié)構(gòu)剖面圖。
[0013]圖3是采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的器件與常規(guī)器件的反向恢復(fù)特性曲線對(duì)比圖?？梢钥闯霾捎帽景l(fā)明結(jié)構(gòu)的器件與常規(guī)器件相比，反向恢復(fù)時(shí)間與反向恢復(fù)峰值電流都有了明顯的降低。
[0014]圖4是采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的器件與常規(guī)器件沿P型基區(qū)底部橫切面方向的電場分布比較圖?？梢钥闯霾捎帽景l(fā)明結(jié)構(gòu)的器件與常規(guī)器件相比P型基區(qū)電場明顯降低，電場最強(qiáng)點(diǎn)轉(zhuǎn)移至內(nèi)嵌金屬層底部，當(dāng)發(fā)生雪崩擊穿時(shí)，大部分載流子會(huì)通過內(nèi)嵌金屬層而不是體二極管流走，導(dǎo)致寄生晶體管不易開啟，器件的防閂鎖能力得到明顯改善。
[0015]圖5是采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的器件與常規(guī)器件的理想擊穿特性的比較圖?？梢钥闯霾捎帽景l(fā)明結(jié)構(gòu)的器件與常規(guī)器件的擊穿特性相差不大。
[0016]圖6是本發(fā)明器件的具體實(shí)施過程。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖2和圖6對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明，一種N型碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管，包括:N型襯底1，在N型襯底I的一側(cè)連接有漏極金屬11，在N型襯底I的另一側(cè)設(shè)有N型漂移區(qū)2，在N型漂移區(qū)2中設(shè)有P型基區(qū)3，在P型基區(qū)3中設(shè)有P型體接觸區(qū)4和N型源區(qū)5，在N型漂移區(qū)2的表面設(shè)有柵氧化層6且柵氧化層6的邊界分別向兩側(cè)延伸并止于N型源區(qū)5的邊界，在柵氧化層6的表面設(shè)有多晶硅柵7，在多晶硅柵7及N型源區(qū)5上設(shè)有場氧化層8，在多晶硅柵7的表面連接有柵極金屬9，在N型源區(qū)5和P型體接觸區(qū)4連接有源極金屬10，其特征在于，在所述的P型體接觸區(qū)4和P型基區(qū)3內(nèi)設(shè)有金屬層12，金屬層12的一端穿過P型體接觸區(qū)4并與源極金屬10連接，金屬層12的另一端穿過P型基區(qū)3并進(jìn)入N型漂移區(qū)2。
[0018]所述金屬層12伸入N型漂移區(qū)2內(nèi)部的深度為0-0.3 μ m。
[0019]所述金屬層12的寬度是P型體 接觸區(qū)4寬度的三分之一到二分之一。
[0020]所述金屬層12的材料為鎳鉻合金或鎢鈦合金。
[0021]本發(fā)明采用如下方法來制備:
第一步，在N型襯底I的表面生長一層N型外延層漂移區(qū)2,如圖6 Stepl所不。
[0022]第二步，通過硼離子注入并高溫退火在N型漂移區(qū)2中形成P型基區(qū)3，如圖6Step2所示。
[0023]第三步，通過鋁離子注入并高溫退火在P型基區(qū)3中形成P型體接觸區(qū)4，如圖6Step3所示。
[0024]第四步，通過氮離子注入并高溫退火在P型基區(qū)3中形成N型源區(qū)5，如圖6 Step4所示。
[0025]第五步,生長柵氧化層6,再淀積多晶娃,刻蝕出多晶娃柵7,如圖6 Step5所示。
[0026]第六步，在器件表面淀積一層犧牲氧化層，然后在P型基區(qū)3中P型體接觸區(qū)4中心部分刻蝕出用于淀積金屬層的溝槽，該溝槽伸入到漂移區(qū)2內(nèi)部，如圖6 Step6所示。
[0027]第七步,淀積鎳鉻合金或鶴鈦合金形成內(nèi)嵌金屬層,如圖6 Step7所示。
[0028]第八步，刻蝕掉多余的鎳鉻合金或鎢鈦合金，在表面淀積一層較厚的場氧化層，如圖6 Step8所示。
[0029]第九步,刻蝕電極接觸區(qū)后淀積金屬，再刻蝕金屬引出電極,如圖6 Step9所示。
【權(quán)利要求】
1.一種N型碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管，包括:N型襯底(I )，在N型襯底(I)的一側(cè)連接有漏極金屬(11)，在N型襯底(I)的另一側(cè)設(shè)有N型漂移區(qū)(2)，在N型漂移區(qū)(2)中設(shè)有P型基區(qū)(3)，在P型基區(qū)(3)中設(shè)有P型體接觸區(qū)(4)和N型源區(qū)(5)，在N型漂移區(qū)(2 )的表面設(shè)有柵氧化層(6 )且柵氧化層(6 )的邊界分別向兩側(cè)延伸并止于N型源區(qū)(5)的邊界，在柵氧化層(6)的表面設(shè)有多晶硅柵(7)，在多晶硅柵(7)及N型源區(qū)(5)上設(shè)有場氧化層(8 )，在多晶硅柵(7 )的表面連接有柵極金屬(9 )，在N型源區(qū)(5 )和P型體接觸區(qū)(4)連接有源極金屬(10)，其特征在于，在所述的P型體接觸區(qū)(4)和P型基區(qū)(3)內(nèi)設(shè)有金屬層(12)，金屬層(12)的一端穿過P型體接觸區(qū)(4)并與源極金屬(10)連接，金屬層(12)的另一端穿過P型基區(qū)(3)并進(jìn)入N型漂移區(qū)(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N型碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管，其特征在于所述金屬層(12)伸入N型漂移區(qū)(2)內(nèi)部的深度為(T0.3
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N型碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管，其特征在于所述金屬層(12)的寬度是P型體接觸區(qū)(4)寬度的三分之一到二分之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N型碳化硅縱向金屬氧化物半導(dǎo)體管，其特征在于所述金屬層(12)的材料為鎳鉻合金或鶴鈦合金。
【文檔編號(hào)】H01L29/423GK103996714SQ201410195822
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】孫偉鋒, 顧春德, 王劍峰, 馬榮晶, 劉斯揚(yáng), 陸生禮, 時(shí)龍興 申請(qǐng)人:東南大學(xué)