双槽UMOSFET器件的制作方法

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种双槽UMOSFET器件。

背景技术：

宽带隙半导体材料SiC具有较大的禁带宽度，较高的临界击穿电场，高热导率和高电子饱和漂移速度等优良物理和化学特性，适合制作高温、高压、大功率、抗辐照的半导体器件。在功率电子领域中，功率MOSFET已被广泛应用，它具有栅极驱动简单，开关时间短等特点。垂直结构的UMOSFET相对于横向结构的MOSFET，具有导通电阻小，元胞尺寸小的优点，具有广阔的应用前景。

但在UMOSFET中，槽栅拐角处的电场集中很容易导致该处氧化层被提前击穿，对于SiC材料来说这一现象更为严重。通过在栅槽的底部设计一层P+型掺杂区域即P+栅氧保护区，使槽底的尖峰电场从栅氧化层上转移到P+栅氧保护区与N-漂移区所构成的PN结上，进而缓解了栅氧电场带来的可靠性问题。并且双槽结构的UMOSFET，通过在源极刻槽，该区域深入N-漂移区的深度要大于栅氧在N-漂移区中的深度，利用这点，氧化层处的电场因为源槽的存在而转移到源槽拐角处，进一步改善器件的击穿特性。同时MOSFET在变流器中作为功率开关，当其体二极管作为续流通路持续流过正向电流时，会发生“通电劣化”现象，使导通电阻和二极管的正向导通压降增大，并引起可靠性问题。

因此在实际的应用中，通常采用在器件源漏极两端并联一个开启电压小于体二极管的肖特基二极管的方法来提供续流通路。显然这种方法极大地增加了电路设计的复杂性和成本费用。

技术实现要素：

因此，为解决现有技术存在的技术缺陷和不足，本发明提出一种双槽UMOSFET器件。

具体地，本发明一个实施例提出的一种双槽UMOSFET器件，包括：

衬底区1；

漂移区2、外延层3、源区4，依次层叠于所述衬底区1的上表面；

栅极，设置于所述漂移区2、所述外延层3及所述源区4内部并位于所述双槽UMOSFET器件的中间位置处；

栅介质保护区5，设置于所述漂移区2内并位于所述栅极下方；

源极10，设置于所述漂移区2、所述外延层3及所述源区层4内部并位于所述双槽UMOSFET器件的靠近两侧位置处；

源槽拐角保护区6，设置于所述漂移区2内并位于所述源极10下方；

漏极11，设置于所述衬底区1下表面。

在本发明的一个实施例中，所述衬底区1为N型SiC材料，其厚度为200μm～500μm、掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3～1×10²⁰cm^-3、掺杂离子为氮离子。

在本发明的一个实施例中，所述漂移区2为N型SiC材料，其厚度为10μm～20μm、掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3～6×10¹⁵cm^-3、掺杂离子为氮离子。

在本发明的一个实施例中，所述外延层3为P型SiC材料，其厚度为1μm～1.5μm、掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3、掺杂离子为铝离子。

在本发明的一个实施例中，所述源区4为N型SiC材料，其厚度为0.5μm、掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3、掺杂离子为氮离子。

在本发明的一个实施例中，所述栅极包括栅介质层7和栅极层8；所述栅介质层7为SiO₂材料，其厚度为100nm；所述栅极层8为ploy-Si材料，其厚度为2.4μm，宽度为1.3μm。

在本发明的一个实施例中，所述栅介质保护区5为P型掺杂，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3，掺杂离子为铝离子，且其厚度为0.5μm。

在本发明的一个实施例中，所述源极10为Ti、Ni或Au材料，所述漏极11为Ti、Ni或Au材料。

在本发明的一个实施例中，所述源槽拐角保护区6为P型掺杂，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3，掺杂离子为铝离子，且其厚度为0.5μm。

在本发明的一个实施例中，所述双槽UMOSFET器件还包括栅电极9和钝化层；其中，所述钝化层设置于所述源区4的上表面，且所述栅电极9设置于所述钝化层内连接所述栅极。

上述实施例，通过在源极和漂移区及外延层的界面形成肖特基接触，替代外接的肖特基二极管作为续流通路，在保证不引起体二极管的“通电劣化”问题的同时，减少了额外的肖特基二极管，提高了器件的可靠性并降低了器件设计的复杂性和成本。

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种双槽UMOSFET器件的结构示意图；

图2图2a-图2k为本发明实施例提供的一种双槽UMOSFET器件的工艺示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种双槽UMOSFET器件的结构示意图。本发明双槽UMOSFET器件包括：

衬底区1；

漂移区2、外延层3、源区4，依次层叠于所述衬底区1的上表面；

栅极，设置于所述漂移区2、所述外延层3及所述源区4内部并位于所述双槽UMOSFET器件的中间位置处；

栅介质保护区5，设置于所述漂移区2内并位于所述栅极下方；

源极10，设置于所述漂移区2、所述外延层3及所述源区层4内部并位于所述双槽UMOSFET器件的靠近两侧位置处；

源槽拐角保护区6，设置于所述漂移区2内并位于所述源极10下方；

漏极11，设置于所述衬底区1下表面。

可选地，所述衬底区1为N型SiC材料，其厚度为200μm～500μm、掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3～1×10²⁰cm^-3、掺杂离子为氮离子。

可选地，所述漂移区2为N型SiC材料，其厚度为10μm～20μm、掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3～6×10¹⁵cm^-3、掺杂离子为氮离子。

可选地，所述外延层3为P型SiC材料，其厚度为1μm～1.5μm、掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3、掺杂离子为铝离子。

可选地，所述源区4为N型SiC材料，其厚度为0.5μm、掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3、掺杂离子为氮离子。

可选地，所述栅极包括栅介质层7和栅极层8；所述栅介质层7为SiO₂材料，其厚度为100nm；所述栅极层8为ploy-Si材料，其厚度为2.4μm，宽度为1.3μm。

可选地，所述栅介质保护区5为P型掺杂，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3，掺杂离子为铝离子，且其厚度为0.5μm。

可选地，所述源极10为Ti、Ni或Au材料，所述漏极11为Ti、Ni或Au材料。

可选地，所述源槽拐角保护区6为P型掺杂，掺杂浓度为3×10¹⁸cm^-3，掺杂离子为铝离子，且其厚度为0.5μm。

可选地，所述双槽UMOSFET器件还包括栅电极9和钝化层；其中，所述钝化层设置于所述源区4的上表面，且所述栅电极9设置于所述钝化层内连接所述栅极。

优选地，源槽(即源极)的深度大于栅槽(即栅极)的深度，且源槽的宽度等于P+源槽拐角保护区6的宽度；栅槽的宽度等于P+栅氧保护区5的宽度，所述源极10与漂移区2和外延层3之间的界面为肖特基接触，其余为欧姆接触。

可选地，源槽深度为3μm，栅槽深度为2.5μm，通过ICP刻蚀形成。源槽和源槽拐角保护区6的宽度分别为1μm，栅槽和栅介质保护区(例如为栅氧保护区)5的宽度分别为1.5μm。

淀积场氧化层或者Si₃N₄层作为钝化层，腐蚀钝化层开电极孔。栅电极9，漏极11和源极10及其肖特基接触通过电子束蒸发金属形成。

本发明实施例，本发明通过在源槽引入肖特基二极管，替代外接的肖特基二极管作为续流通路，在保证不引起体二极管的“通电劣化”问题的同时，减少了额外的肖特基二极管，提高了器件的可靠性并降低了器件设计的复杂性和成本。

实施例二

请参见图2a-图2k，图2a-图2k为本发明实施例提供的一种双槽UMOSFET器件的工艺示意图，该制备方法包括如下步骤：

步骤a，在N型SiC衬底1上外延生长N-漂移区2，如图2a所示。

先对厚度为200μm，氮离子掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的N型SiC衬底进行RCA标准清洗，然后在整个SiC衬底1上外延生长厚度为10μm，氮离子掺杂浓度为1×10¹⁵cm^-3的N-漂移区2。其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气。

步骤b，外延生长P-外延层3，如图2b所示。

在N-漂移区2上生长一层厚度为1μm，Al离子掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3的P-外延层3。其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为三基甲铝。

步骤c，外延生长N+源区层4，如图2c所示。

在P-外延层3上生长一层厚度为0.5μm，氮离子掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的N+源区层4。其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气。

步骤d，刻蚀形成栅槽，如图2d所示。

首先磁控溅射一层的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜，然后涂胶光刻，进行ICP刻蚀，刻蚀出槽的宽度为1.5μm，深度为2.5μm，最后去胶，去刻蚀掩膜，清洗成光片。其工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF₆和O₂分别为48sccm和12sccm。

步骤e，利用栅槽的刻蚀掩膜在N-漂移区2进行多次Al离子自对准注入，如图2e所示。

先后采用450keV、300keV、200keV和120keV的注入能量，将注入剂量为7.97×10¹³cm^-2、4.69×10¹³cm^-2、3.27×10¹³cm^-2和2.97×10¹³cm^-2的Al离子，分四次注入到N-漂移区2的注入区，形成深度为0.5μm，浓度为3×10¹⁸cm^-3的P+栅氧保护区5，注入温度为650℃。

步骤f，刻蚀形成源槽，如图2f所示。

首先磁控溅射一层的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜，然后涂胶光刻，进行ICP刻蚀，刻蚀出槽的宽度为1μm，深度为3μm，最后去胶，去刻蚀掩膜，清洗成光片。其工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF₆和O₂分别为48sccm和12sccm。

步骤g，利用源槽的刻蚀掩膜在N-漂移区2进行多次Al离子自对准注入，如图2g所示。

首先先后采用450keV、300keV、200keV和120keV的注入能量，将注入剂量为7.97×10¹³cm^-2、4.69×10¹³cm^-2、3.27×10¹³cm^-2和2.97×10¹³cm^-2的Al离子，分四次注入到N-漂移区2的注入区，形成深度为0.5μm，浓度为3×10¹⁸cm^-3的P+源槽拐角保护区6，注入温度为650℃。

再采用RCA清洗标准对SiC表面进行清洗，烘干后制作C膜保护，然后在1700～1750℃氩气氛围中进行离子激活退火10min。

步骤h，制备槽栅介质7，所用材料为SiO₂，如图2h所示。

采用干氧工艺在1150℃下制备SiO₂栅介质层，厚度为100nm，然后在1050℃，NO氛围下进行退火，降低SiO₂薄膜表面的粗糙度。

步骤i，制备poly Si栅，如图2i所示。

采用低压热壁化学汽相淀积法生长poly Si填满栅槽，淀积温度为600～650℃，淀积压强为60～80Pa，反应气体为硅烷和磷化氢，载运气体为氦气,然后涂胶光刻，刻蚀poly Si层，形成多晶硅栅，最后去胶，清洗。

步骤j，制备钝化层，如图2j所示。

在器件表面淀积一层场氧或者Si₃N₄层，然后涂胶光刻，腐蚀钝化层开电极接触孔，最后去胶，清洗。

步骤k，制备电极，如图2k所示。

先在正面电子束蒸发Ti/Ni/Au制作栅，源电极，然后涂胶光刻，腐蚀金属形成栅，源电极，去胶，清洗。

再在背面电子束蒸发Ti/Ni/Au制作漏电极，最后在Ar气氛中快速退火3min，温度为1050℃。因为N-漂移区2和P-外延层3掺杂浓度较低，在源极10与和N-漂移区2和P-外延层3界面形成肖特基接触，其他界面形成欧姆接触。

实施例三

请再次参见图2a-图2k，该制备方法还可以包括如下步骤：

步骤a，在N型SiC衬底1上外延生长N-漂移区2，如图2a所示。

先对厚度为500μm，氮离子掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3的N型SiC衬底1进行RCA标准清洗，然后在整个SiC衬底1上外延生长厚度为20μm，氮离子掺杂浓度为3×10¹⁵cm^-3的N-漂移区2。其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气。

步骤b，外延生长P-外延层3，如图2b所示。

在N-漂移区2上生长一层厚度为1.5μm，Al离子掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3的P-外延层3。其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为三基甲铝。

步骤c，外延生长N+源区层4，如图2c所示。

在P-外延层3上生长一层厚度为0.5μm，氮离子掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的N+源区层4。其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气。

步骤d，刻蚀形成栅槽，如图2d所示。

首先磁控溅射一层的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜，然后涂胶光刻，进行ICP刻蚀，刻蚀出槽的宽度为1.5μm，深度为2.5μm，最后去胶，去刻蚀掩膜，清洗成光片。其工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF₆和O₂分别为48sccm和12sccm。

步骤e，利用栅槽的刻蚀掩膜在N-漂移区2进行多次Al离子自对准注入，如图2e所示。

先后采用450keV、300keV、200keV和120keV的注入能量，将注入剂量为7.97×10¹³cm^-2、4.69×10¹³cm^-2、3.27×10¹³cm^-2和2.97×10¹³cm^-2的Al离子，分四次注入到N-漂移区2的注入区，形成深度为0.5μm，浓度为3×10¹⁸cm^-3的P+栅氧保护区5，注入温度为650℃。

步骤f，刻蚀形成源槽，如图2f所示。

首先磁控溅射一层的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜，然后涂胶光刻，进行ICP刻蚀，刻蚀出槽的宽度为1μm，深度为3μm，最后去胶，去刻蚀掩膜，清洗成光片。其工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF₆和O₂分别为48sccm和12sccm。

步骤g，利用源槽的刻蚀掩膜在N-漂移区2进行多次Al离子自对准注入，如图2g所示。

首先先后采用450keV、300keV、200keV和120keV的注入能量，将注入剂量为7.97×10¹³cm^-2、4.69×10¹³cm^-2、3.27×10¹³cm^-2和2.97×10¹³cm^-2的Al离子，分四次注入到N-漂移区2的注入区，形成深度为0.5μm，浓度为3×10¹⁸cm^-3的P+源槽拐角保护区6，注入温度为650℃。

再采用RCA清洗标准对SiC表面进行清洗，烘干后制作C膜保护，然后在1700～1750℃氩气氛围中进行离子激活退火10min。

步骤h，制备槽栅介质7，所用材料为SiO₂，如图2h所示。

采用干氧工艺在1150℃下制备SiO₂栅介质层，厚度为100nm，然后在1050℃，NO氛围下进行退火，降低SiO₂薄膜表面的粗糙度。

步骤i，制备poly Si栅，如图2i所示。

采用低压热壁化学汽相淀积法生长poly Si填满栅槽，淀积温度为600～650℃，淀积压强为60～80Pa，反应气体为硅烷和磷化氢，载运气体为氦气,然后涂胶光刻，刻蚀poly Si层，形成多晶硅栅，最后去胶，清洗。

步骤j，制备钝化层，如图2j所示。

在器件表面淀积一层场氧或者Si₃N₄层，然后涂胶光刻，腐蚀钝化层开电极接触孔，最后去胶，清洗。

步骤k，制备电极，如图2k所示。

先在正面电子束蒸发Ti/Ni/Au制作栅，源电极，然后涂胶光刻，腐蚀金属形成栅，源电极，去胶，清洗。

再在背面电子束蒸发Ti/Ni/Au制作漏电极，最后在Ar气氛中快速退火3min，温度为1050℃。因为N-漂移区2和P-外延层3掺杂浓度较低，在源极10与和N-漂移区2和P-外延层3界面形成肖特基接触，其他界面形成欧姆接触。

实施例四

请再次参见图2a-图2k，该制备方法还可以包括如下步骤：

步骤a，在N型Si衬底1上外延生长N-漂移区2，如图2a所示。

先对厚度为300μm，氮离子掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3的N型SiC衬底进行RCA标准清洗，然后在整个SiC衬底1上外延生长厚度为15μm，氮离子掺杂浓度为6×10¹⁵cm^-3的N-漂移区2。其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气。

步骤b，外延生长P-外延层3，如图2b所示。

在N-漂移区2上生长一层厚度为1.3μm，Al离子掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3的P-外延层3。其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为三基甲铝。

步骤c，外延生长N+源区层4，如图2c所示。

在P-外延层3上生长一层厚度为0.5μm，氮离子掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3的N+源区层4。

其工艺条件是：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气。

步骤d，刻蚀形成栅槽，如图2d所示。

首先磁控溅射一层的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜，然后涂胶光刻，进行ICP刻蚀，刻蚀出槽的宽度为1.5μm，深度为2.5μm，最后去胶，去刻蚀掩膜，清洗成光片。其工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF₆和O₂分别为48sccm和12sccm。

步骤e，利用栅槽的刻蚀掩膜在N-漂移区2进行多次Al离子自对准注入，如图2e所示。

先后采用450keV、300keV、200keV和120keV的注入能量，将注入剂量为7.97×10¹³cm^-2、4.69×10¹³cm^-2、3.27×10¹³cm^-2和2.97×10¹³cm^-2的Al离子，分四次注入到N-漂移区2的注入区，形成深度为0.5μm，浓度为3×10¹⁸cm^-3的P+栅氧保护区5，注入温度为650℃。

步骤f，刻蚀形成源槽，如图2f所示。

首先磁控溅射一层的Ti膜作为ICP刻蚀掩膜，然后涂胶光刻，进行ICP刻蚀，刻蚀出槽的宽度为1μm，深度为3μm，最后去胶，去刻蚀掩膜，清洗成光片。其工艺条件为：ICP线圈功率850W，源功率100W，反应气体SF₆和O₂分别为48sccm和12sccm。

步骤g，利用源槽的刻蚀掩膜在N-漂移区2进行多次Al离子自对准注入，如图2g所示。

首先先后采用450keV、300keV、200keV和120keV的注入能量，将注入剂量为7.97×10¹³cm^-2、4.69×10¹³cm^-2、3.27×10¹³cm^-2和2.97×10¹³cm^-2的Al离子，分四次注入到N-漂移区2的注入区，形成深度为0.5μm，浓度为3×10¹⁸cm^-3的P+源槽拐角保护区6，注入温度为650℃。

再采用RCA清洗标准对SiC表面进行清洗，烘干后制作C膜保护，然后在1700～1750℃氩气氛围中进行离子激活退火10min。

步骤h，制备槽栅介质7，所用材料为SiO₂，如图2h所示。

采用干氧工艺在1150℃下制备SiO₂栅介质层，厚度为100nm，然后在1050℃，NO氛围下进行退火，降低SiO₂薄膜表面的粗糙度。

步骤i，制备poly Si栅，如图2i所示。

采用低压热壁化学汽相淀积法生长poly Si填满栅槽，淀积温度为600～650℃，淀积压强为60～80Pa，反应气体为硅烷和磷化氢，载运气体为氦气,然后涂胶光刻，刻蚀poly Si层，形成多晶硅栅，最后去胶，清洗。

步骤j，制备钝化层，如图2j所示。

在器件表面淀积一层场氧或者Si₃N₄层，然后涂胶光刻，腐蚀钝化层开电极接触孔，最后去胶，清洗。

步骤k，制备电极，如图2k所示。

先在正面电子束蒸发Ti/Ni/Au制作栅，源电极，然后涂胶光刻，腐蚀金属形成栅，源电极，去胶，清洗。

再在背面电子束蒸发Ti/Ni/Au制作漏电极，最后在Ar气氛中快速退火3min，温度为1050℃。因为N-漂移区2和P-外延层3掺杂浓度较低，在源极10与和N-漂移区2和P-外延层3界面形成肖特基接触，其他界面形成欧姆接触。

综上所述，本文中应用了具体个例对本发明本发明实施例提供的一种双槽UMOSFET器件及其制备方法的实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。