一种n型碳化硅纵向金属氧化物半导体管的制作方法
【专利摘要】一种N型碳化硅纵向金属氧化物半导体管，包括：N型衬底，在N型衬底的一侧连接有漏极金属，在N型衬底的另一侧设有N型漂移区，在N型漂移区中设有P型基区，在P型基区中设有P型体接触区和N型源区，在N型漂移区的表面设有栅氧化层且栅氧化层的边界分别向两侧延伸并止于N型源区的边界，在栅氧化层的表面设有多晶硅栅，在多晶硅栅及N型源区上设有场氧化层，在多晶硅栅的表面连接有栅极金属，在N型源区和P型体接触区连接有源极金属。其特征在于所述的P型体接触区和P型基区中间内嵌有一金属层。这种结构的优点在于保持器件击穿电压等其他参数基本不变的前提下不仅可以显著降低器件的反向恢复时间，而且还提高了器件的抗闩锁能力。
【专利说明】一种N型碳化娃纵向金属氧化物半导体管
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及高压功率半导体器件领域，具体来说，是一种N型碳化硅纵向金属氧化物半导体管，适用于航天、航空、石油勘探、核能、雷达与通信等高温、高频、大功率、强辐射等极端环境并存的应用领域。
【背景技术】
[0002]碳化硅是近十几年来迅速发展起来的宽禁带半导体材料之一。与广泛应用的半导体材料硅、锗以及砷化镓相比，碳化硅具有宽禁带、高击穿电场、高载流子饱和漂移速率、高热导率、高功率密度等优点，是制备高温、大功率、高频器件的理想材料。目前美、欧、日等发达国家已经基本解决了碳化硅单晶生长和同质外延薄膜等问题，在大功率半导体器件领域占据主导地位。据报道，2014年I月中国首次实现碳化硅大功率器件的批量生产，在以美、欧、日为主导的半导体领域形成突破。
[0003]功率金属氧化物半导体管是一种理想的开关器件和线性放大器件，它具有开关速度快、保真度高、频率响应好、热稳定性高等优点，在功率器件中占有极为重要的地位。在传统的硅基金属氧化物半导体管中，其电流传输能力受限于降低导通电阻和提高击穿电压这一对矛盾关系上，为获得较高的击穿电压必须采用高电阻率的漂移区，因此限制了其在高压电路领域的应用。而碳化硅材料由于具有较大的临界击穿电场，在耐压与面积相同的情况下，碳化硅金属氧化物半导体管的导通电阻要比硅基的金属氧化物半导体管至少小两个数量级，因而在高压应用领域，碳化硅金属氧化物半导体管具有十分明显的优势。
[0004]碳化硅纵向金属氧化物半导体管具有垂直于芯片表面的导电路径，它沟道短，截面积大，作为单极型器件，碳化硅纵向金属氧化物半导体管在高频、大功率应用方面具有良好的性能。但是实际应用中碳化硅纵向金属氧化物半导体管的开关速度受限于器件内部寄生的体二极管，其原因在于作为双极型器件的PN结存在少数载流子寿命和反向恢复延迟等问题，导致流过器件的电流不能随金属氧化物半导体管开关快速反应，为解决这一困扰，通常的做法是在开关管外部并联一快恢复肖特基二极管，这增加了器件的体积和成本。本发明器件在系统中应用时，即使源漏端不并联肖特基二极管也可以实现较快的反向恢复，因而有效地减小了系统的硬件成本。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种N型碳化硅纵向金属氧化物半导体管。
[0006]本发明采用如下技术方案:一种N型碳化硅纵向金属氧化物半导体管，包括:N型衬底，在N型衬底的一侧连接有漏极金属，在N型衬底的另一侧设有N型漂移区，在N型漂移区中设有P型基区，在P型基区中设有P型体接触区和N型源区，在N型漂移区的表面设有栅氧化层且栅氧化层的边界分别向两侧延伸并止于N型源区的边界，在栅氧化层的表面设有多晶硅栅，在多晶硅栅及N型源区上设有场氧化层，在多晶硅栅的表面连接有栅极金属，在N型源区和P型体接触区连接有源极金属，在所述的P型体接触区和P型基区内设有金属层，金属层的一端穿过P型体接触区并与源极金属连接，金属层的另一端穿过P型基区并进入N型漂移区。
[0007]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
(I )、本发明器件在P型体接触区4和P型基区3中间内嵌有一金属层12，且金属层12上表面与源极金属10相连，下表面穿过P型体接触区4和P型基区3且伸入到N型漂移区2内部，与N型漂移区2形成肖特基接触。当器件的体二极管处于正向导通状态时，由于两端存在肖特基结，且其内建电势远低于器件体二极管的正向压降，所以漏极金属11中的绝大部分电子经由N型漂移区2与金属层12流向源极金属10形成正向电流，只有少部分载流子通过体二极管被源极收集，这一过程不存在少数载流子的积累，因此当体二极管突然从正向导通转到反向截止时，其反向恢复时间很短，与肖特基二极管类似。附图3为采用本发明结构的器件与常规器件的反向恢复特性曲线对比图，由图可见本发明结构器件与常规器件相比，反向恢复时间与反向恢复峰值电流都得到了明显的降低。
[0008](2)、本发明的好处在于内嵌金属层12还提升了器件的防闩锁能力，进而提高了器件的可靠性，延长了器件的使用寿命。附图4为两种结构的器件沿P型基区底部横切面方向的电场分布对比图，如图所示金属层12的引入，使得半导体内部峰值电场及碰撞电离最强点的位置从P型基区底部移到了金属层12的底部，因此金属层12底部比P型基区底部先发生击穿，且当发生雪崩击穿时，碰撞电离产生的少数载流子空穴大部分通过金属层12被源极金属抽走，只有很少的部分通过P型基区被源极金属收集，导致寄生三极管不易开启，所以器件的防闩锁能力得到明显增强。
[0009](3)、本发明的好处在于采用本发明结构的器件与常规器件相比器件的整体击穿特性基本保持不变。附图5为采用本发明结构器件与常规器件的理想击穿特性比较图，如图所示，引入金属层12虽然会造成器件的理想关态击穿电压略微降低，但考虑到浮空场限环、场板等终端结构也会损失器件的一部分击穿电压，且损失量在理想击穿电压的20%左右，而采用本发明结构对器件理想击穿电压的影响幅度很小，因而对器件整体击穿电压的影响几乎可以忽略不计，因此可以说采用本发明结构的器件与原结构相比器件的整体击穿特性基本不变。
[0010](4)、本发明器件的制造与现有工艺完全兼容,而且制作工艺也十分简单,仅需在制造常规结构工艺流程的基础上增加一步制作金属层12的流程即可。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是常规结构的N型碳化硅纵向金属氧化物半导体管的器件结构剖面图。
[0012]图2是采用本发明改进后的N型碳化硅纵向金属氧化物半导体管的器件结构剖面图。
[0013]图3是采用本发明结构的器件与常规器件的反向恢复特性曲线对比图。可以看出采用本发明结构的器件与常规器件相比，反向恢复时间与反向恢复峰值电流都有了明显的降低。
[0014]图4是采用本发明结构的器件与常规器件沿P型基区底部横切面方向的电场分布比较图。可以看出采用本发明结构的器件与常规器件相比P型基区电场明显降低，电场最强点转移至内嵌金属层底部，当发生雪崩击穿时，大部分载流子会通过内嵌金属层而不是体二极管流走，导致寄生晶体管不易开启，器件的防闩锁能力得到明显改善。
[0015]图5是采用本发明结构的器件与常规器件的理想击穿特性的比较图。可以看出采用本发明结构的器件与常规器件的击穿特性相差不大。
[0016]图6是本发明器件的具体实施过程。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图2和图6对本发明作详细说明，一种N型碳化硅纵向金属氧化物半导体管，包括:N型衬底1，在N型衬底I的一侧连接有漏极金属11，在N型衬底I的另一侧设有N型漂移区2，在N型漂移区2中设有P型基区3，在P型基区3中设有P型体接触区4和N型源区5，在N型漂移区2的表面设有栅氧化层6且栅氧化层6的边界分别向两侧延伸并止于N型源区5的边界，在栅氧化层6的表面设有多晶硅栅7，在多晶硅栅7及N型源区5上设有场氧化层8，在多晶硅栅7的表面连接有栅极金属9，在N型源区5和P型体接触区4连接有源极金属10，其特征在于，在所述的P型体接触区4和P型基区3内设有金属层12，金属层12的一端穿过P型体接触区4并与源极金属10连接，金属层12的另一端穿过P型基区3并进入N型漂移区2。
[0018]所述金属层12伸入N型漂移区2内部的深度为0-0.3 μ m。
[0019]所述金属层12的宽度是P型体 接触区4宽度的三分之一到二分之一。
[0020]所述金属层12的材料为镍铬合金或钨钛合金。
[0021]本发明采用如下方法来制备:
第一步，在N型衬底I的表面生长一层N型外延层漂移区2,如图6 Stepl所不。
[0022]第二步，通过硼离子注入并高温退火在N型漂移区2中形成P型基区3，如图6Step2所示。
[0023]第三步，通过铝离子注入并高温退火在P型基区3中形成P型体接触区4，如图6Step3所示。
[0024]第四步，通过氮离子注入并高温退火在P型基区3中形成N型源区5，如图6 Step4所示。
[0025]第五步,生长栅氧化层6,再淀积多晶娃,刻蚀出多晶娃栅7,如图6 Step5所示。
[0026]第六步，在器件表面淀积一层牺牲氧化层，然后在P型基区3中P型体接触区4中心部分刻蚀出用于淀积金属层的沟槽，该沟槽伸入到漂移区2内部，如图6 Step6所示。
[0027]第七步,淀积镍铬合金或鹤钛合金形成内嵌金属层,如图6 Step7所示。
[0028]第八步，刻蚀掉多余的镍铬合金或钨钛合金，在表面淀积一层较厚的场氧化层，如图6 Step8所示。
[0029]第九步,刻蚀电极接触区后淀积金属，再刻蚀金属引出电极,如图6 Step9所示。
【权利要求】
1.一种N型碳化硅纵向金属氧化物半导体管，包括:N型衬底(I )，在N型衬底(I)的一侧连接有漏极金属(11)，在N型衬底(I)的另一侧设有N型漂移区(2)，在N型漂移区(2)中设有P型基区(3)，在P型基区(3)中设有P型体接触区(4)和N型源区(5)，在N型漂移区(2 )的表面设有栅氧化层(6 )且栅氧化层(6 )的边界分别向两侧延伸并止于N型源区(5)的边界，在栅氧化层(6)的表面设有多晶硅栅(7)，在多晶硅栅(7)及N型源区(5)上设有场氧化层(8 )，在多晶硅栅(7 )的表面连接有栅极金属(9 )，在N型源区(5 )和P型体接触区(4)连接有源极金属(10)，其特征在于，在所述的P型体接触区(4)和P型基区(3)内设有金属层(12)，金属层(12)的一端穿过P型体接触区(4)并与源极金属(10)连接，金属层(12)的另一端穿过P型基区(3)并进入N型漂移区(2)。
2.根据权利要求1所述的N型碳化硅纵向金属氧化物半导体管，其特征在于所述金属层(12)伸入N型漂移区(2)内部的深度为(T0.3
3.根据权利要求1所述的N型碳化硅纵向金属氧化物半导体管，其特征在于所述金属层(12)的宽度是P型体接触区(4)宽度的三分之一到二分之一。
4.根据权利要求1所述的N型碳化硅纵向金属氧化物半导体管，其特征在于所述金属层(12)的材料为镍铬合金或鹤钛合金。
【文档编号】H01L29/423GK103996714SQ201410195822
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】孙伟锋, 顾春德, 王剑峰, 马荣晶, 刘斯扬, 陆生礼, 时龙兴 申请人:东南大学