本發(fā)明屬于涉及功率半導(dǎo)體技術(shù)，具體涉及一種具有屏蔽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié)mos器件及制備方法。

背景技術(shù)：

1、功率半導(dǎo)體器件是電力電子應(yīng)用裝備的基礎(chǔ)和核心器件，主要用于電力電子設(shè)備的整流、穩(wěn)壓、開關(guān)、變頻等功能，具有應(yīng)用范圍廣、用量大等特點(diǎn)。其中各種垂直型雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體器件(vdmos)由于將電流路徑為縱向，使得電流密度得到極大的提升，當(dāng)前受到廣泛應(yīng)用。然而在傳統(tǒng)超結(jié)器件中，功率器件的比導(dǎo)通電阻與擊穿電壓之間存在“硅極限”的關(guān)系，即ron,sp∝vb2.5，即隨著擊穿電壓的增加，比導(dǎo)通電阻也會(huì)顯著增加，這個(gè)關(guān)系是由硅材料的物理特性決定的。硅極限的存在限制了功率器件在高耐壓應(yīng)用中的性能，因?yàn)樵谔岣吣蛪旱耐瑫r(shí)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增加。為了突破“硅極限”，超結(jié)器件應(yīng)運(yùn)而生。

2、超結(jié)器件通過(guò)在耐壓層內(nèi)部引入周期性的異型摻雜區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)功率器件更高的耐壓性能和更低的導(dǎo)通電阻。這種結(jié)構(gòu)的引入突破了傳統(tǒng)功率器件比導(dǎo)通電阻和耐壓之間的ron,sp∝vb2.5的“硅極限”關(guān)系，使之降低到ron,sp∝vb1.32，甚至ron,sp∝vb1.03。理想狀態(tài)下，超結(jié)器件中交叉排布的p型和n型摻雜區(qū)域在反向耐壓時(shí)相互耗盡，在器件內(nèi)部形成了電荷平衡，使原有器件中電場(chǎng)的三角分布轉(zhuǎn)換為了更均勻的矩形電場(chǎng)，減小了局部電場(chǎng)峰值。在相同耐壓下，超結(jié)器件可以使用更高的摻雜，使得器件的比導(dǎo)通電阻下降。而超結(jié)mosfet在功率電子領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，特別是在需要高效率、高功率密度和快速開關(guān)速度的應(yīng)用中，如電動(dòng)汽車、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、開關(guān)電源和電力傳輸?shù)?。市面上的超結(jié)mos器件柵電荷較大，影響開關(guān)速度、增大開關(guān)損耗，制約了系統(tǒng)整體性能的提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種具有屏蔽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié)mos器件。

2、為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

3、一種具有屏蔽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié)mos器件，包括n型襯底1、n型外延層2、p型柱3、屏蔽柵溝槽、平面控制柵、體區(qū)8、源區(qū)9、歐姆接觸區(qū)11、頂層金屬12、底層金屬13；

4、其中，所述n型外延層2位于n型襯底1的上表面；所述屏蔽柵溝槽、平面控制柵分別位于n型外延層2的右上表面和左上表面；

5、所訴p型柱3位于屏蔽柵溝槽的下方，且和屏蔽柵溝槽相互接觸、上下相連；所述屏蔽柵溝槽填充屏蔽柵絕緣介質(zhì)4，內(nèi)部有屏蔽柵多晶硅5；

6、所述平面控制柵填充控制柵絕緣介質(zhì)6，平面控制柵上方與控制柵多晶硅7相接觸，右下面與n型外延層2相接觸；所述體區(qū)8位于平面控制柵下方，左上表面有p型摻雜的歐姆接觸區(qū)11、n型摻雜的源區(qū)9；所述歐姆接觸區(qū)11在n型摻雜的源區(qū)9的左側(cè)，源區(qū)9與平面控制柵絕緣介質(zhì)6側(cè)面接觸所述n型摻雜的源區(qū)9、多晶硅柵5和歐姆接觸區(qū)11通過(guò)頂層金屬12直接接觸相連，器件表面的n型外延層2和屏蔽柵絕緣介質(zhì)4通過(guò)表面絕緣介質(zhì)層10與頂層金屬12相隔離；所述底層金屬13在器件的下表面。

7、作為優(yōu)選方式，所述頂層金屬12和底層金屬13的材料選自鋁、鋁銅合金、和銅。

8、作為優(yōu)選方式，所述屏蔽柵絕緣介質(zhì)4、表面絕緣介質(zhì)層10和控制柵絕緣介質(zhì)6的材料是二氧化硅。

9、作為優(yōu)選方式，所有的n型區(qū)均與所有的p型區(qū)對(duì)換，對(duì)換后成為一種相反導(dǎo)電類型的器件。

10、作為優(yōu)選方式，整個(gè)器件的材料是體硅、或碳化硅、或砷化鎵或鍺硅。

11、本發(fā)明還提供一種具有屏蔽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié)mos器件的制備方法，包括如下步驟：

12、(1)、單晶硅準(zhǔn)備及外延生長(zhǎng)：選用重?fù)诫s的n型襯底1，晶向?yàn)?lt;100>；在n型襯底1上生長(zhǎng)一定厚度和摻雜濃度的n型外延層2；

13、(2)、刻蝕溝槽并填充p型硅：通過(guò)刻蝕硅形成容納p型柱3的溝槽，采取淀積形成硅的p型柱3；

14、(3)、刻蝕溝槽并形成屏蔽柵絕緣介質(zhì)：通過(guò)刻蝕硅形成容納屏蔽柵絕緣介質(zhì)4、屏蔽柵多晶硅5的屏蔽柵溝槽，采取淀積或者熱生長(zhǎng)的方式，在屏蔽柵溝槽內(nèi)形成屏蔽柵絕緣介質(zhì)3；

15、(4)、淀積屏蔽柵多晶硅5，隨后使用化學(xué)機(jī)械拋光，保證p型多晶硅表面與器件表面持平；

16、(5)、熱生長(zhǎng)形成控制柵絕緣介質(zhì)6，在控制柵絕緣介質(zhì)6上淀積多晶硅，并進(jìn)行刻蝕，形成控制柵多晶硅7；

17、(6)、注入p型雜質(zhì)形成體區(qū)8；

18、(7)、注入n型雜質(zhì)形成源區(qū)9；

19、(8)、在器件表面淀積表面絕緣介質(zhì)層10作為隔離；

20、(9)、在需要形成接觸的位置，即屏蔽柵多晶硅5和歐姆接觸區(qū)11的表面，通過(guò)光刻暴露出表面，刻蝕對(duì)應(yīng)位置的絕緣介質(zhì)層，并且在歐姆接觸孔注入p型雜質(zhì)，形成歐姆接觸區(qū)11；

21、(10)、在器件表面淀積頂層金屬12作為源極接觸，在器件底部淀積底層金屬13作為漏極接觸。

22、下面從兩個(gè)方面說(shuō)明本發(fā)明的工作原理：

23、(1)器件的正向?qū)?/p>

24、本發(fā)明所提供的一種具有屏蔽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié)mos器件，其正向?qū)〞r(shí)電極的連接方式為：控制柵多晶硅7作為控制柵接?xùn)烹娢?，頂層金?2接零電位，底層金屬13接漏極高電位。當(dāng)柵電位增加至大于閾值電壓時(shí)，在體區(qū)8靠近控制柵絕緣介質(zhì)6的一側(cè)形成反型層溝道，在底層金屬13高電位作用下，形成一條從源區(qū)9經(jīng)由反型層、n型外延層2、n型襯底1到達(dá)底層金屬13的電流通路，產(chǎn)生正向電流、器件正向?qū)ā?/p>

25、(2)器件的反向阻斷

26、本發(fā)明所提供的一種具有屏蔽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié)mos器件，其反向阻斷時(shí)電極的連接方式為：控制柵多晶硅7接零電位，頂層金屬12接零電位，底層金屬13接漏極高電位。由于底層金屬13接高電位，體區(qū)8和n型外延層2形成反向偏置的pn結(jié)，由該pn結(jié)承擔(dān)反向耐壓；同時(shí)屏蔽柵多晶硅5接零電位使得n型外延層2靠近屏蔽柵絕緣介質(zhì)4的一層產(chǎn)生耗盡層；此外，p型柱3與靠近p型柱3的n型外延層2相互耗盡，形成了電荷平衡。

27、本發(fā)明的有益效果為：相比于傳統(tǒng)vdmos，本發(fā)明所提供的超結(jié)mos結(jié)構(gòu)具有超結(jié)結(jié)構(gòu)，當(dāng)器件處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，p型柱3與靠近p型柱3的n型外延層2相互耗盡，形成了電荷平衡，使電場(chǎng)分布更均勻、其形狀更加接近于矩形，進(jìn)一步優(yōu)化縱向電場(chǎng)的分布、優(yōu)化導(dǎo)通電阻與擊穿電壓之間的關(guān)系。同時(shí)，p型柱3上方的屏蔽柵，也起到場(chǎng)板作用，使得電場(chǎng)分布得以優(yōu)化。此外，在漏極電壓大于0時(shí)，既器件有一定反向耐壓時(shí)，溝道處耗盡區(qū)域的電荷不但會(huì)和控制柵耦合，還會(huì)和相鄰的屏蔽柵耦合，和屏蔽柵耦合的這一部分電荷在常規(guī)平面柵結(jié)構(gòu)中會(huì)被計(jì)算在柵漏電荷qgd中，因此該結(jié)構(gòu)的密勒電容小于常規(guī)vdmos器件。

技術(shù)特征：

1.一種具有屏蔽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié)mos器件，其特征在于：包括n型襯底(1)、n型外延層(2)、p型柱(3)、屏蔽柵溝槽、平面控制柵、體區(qū)(8)、源區(qū)(9)、歐姆接觸區(qū)(11)、頂層金屬(12)、底層金屬(13)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有屏蔽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié)mos器件，其特征在于：所述頂層金屬(12)和底層金屬(13)的材料選自鋁、鋁銅合金、和銅。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有屏蔽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié)mos器件，其特征在于：所述屏蔽柵絕緣介質(zhì)(4)、表面絕緣介質(zhì)層(10)和控制柵絕緣介質(zhì)(6)的材料是二氧化硅。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有屏蔽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié)mos器件，其特征在于：所有的n型區(qū)均與所有的p型區(qū)對(duì)換，對(duì)換后成為一種相反導(dǎo)電類型的器件。

5.權(quán)利要求1至4任意一項(xiàng)所述的一種具有屏蔽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié)mos器件的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種具有屏蔽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié)MOS器件及制備方法，包括N+襯底、N?漂移區(qū)、底層金屬、頂層金屬、P型柱、屏蔽柵溝槽、平面控制柵、N+源區(qū)、歐姆接觸區(qū)、P型體區(qū)；本發(fā)明提供的具有屏蔽柵結(jié)構(gòu)的超結(jié)MOS器件，優(yōu)化了VDMOS器件整體電場(chǎng)，將原有的一維耗盡調(diào)整為二維耗盡，優(yōu)化導(dǎo)通電阻與擊穿電壓之間的關(guān)系。同時(shí)，由于屏蔽柵的電荷耦合作用的存在，使得控制柵輸入電荷減小、密勒電容減小。

技術(shù)研發(fā)人員：李澤宏,李岫蕓,郭心如,王彤陽(yáng),葉俊,肖璇,桑雨果,劉華瑞,任敏,王亞豪,陳財(cái)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：電子科技大學(xué)重慶微電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9