一种具有相同栅源掺杂的场效应晶体管及其元胞结构的制作方法

1.本实用新型属于半导体技术领域，具体涉及一种具有相同栅源掺杂的场效应晶体管及其元胞结构。


背景技术：

2.随着材料技术的发展与成熟，sic材料的宽禁带特性使其具有更高的温度特性和耐压特性，可以突破si基器件的限制。由于sic/sio2界面的性能和可靠性仍需要进一步的提高，sic结型场效应晶体管(junction field effect transistor，jfet)器件结构受到了广泛的关注。sic jfet除了避免sic/sio2界面缺陷带来的问题，更容易减小元胞尺寸带来更低的导通电阻。由于sio2在高温下会激发更多的界面态，因此sic jfet器件可以最大限度的发掘sic材料在高温高压特性。
3.传统的sic jfet通过pn结控制，载流子从器件的源极流出后，经过一个狭长的沟道区域，流入器件漂移区，并最终被器件漏极收集。器件沟道由位于栅极和源极间的两个pn结控制，从而控制器件的关断和开启。但传统jfet的p型栅极在器件应用层面带来了很多不利影响：首先，在器件导通时，为了避免pn结开通，器件栅极偏压vgs不能超过pn结正向开启电压v
f0
(以碳化硅为例，v
f0
＝2.6v,即vgs<v
f0
)；同时，若器件为常开型，在栅级零偏压导通时，p型栅极与n型沟道之间形成的内建电势(下称“栅极内建电势”)使沟道有一定程度的耗尽，导致沟道电阻较高；在器件处于大电流(临近饱和区)工作时，栅极内建电势导致沟道过早进入夹断状态，导致电流过早饱和，并使得该工作时的导通损耗过高。


技术实现要素：

4.鉴于以上存在的技术问题，本实用新型用于提供一种具有相同栅源掺杂的场效应晶体管及其元胞结构。
5.为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案：
6.本实用新型第一方面提供一种具有相同栅源掺杂的场效应晶体管元胞结构，包括：
7.碳化硅衬底，该碳化硅衬底材料的掺杂类型为第一导电类型，
8.在碳化硅衬底的正面和背面分别设有第一导电类型半导体外延层和第一电极；
9.在第一导电类型半导体外延层上依次设置有第二导电类型悬浮区、第一导电类型栅极注入区、第一导电类型源极注入区，栅极注入区上设置有栅极，源极注入区上设置有源极，栅极注入区和源极注入区之间设置有极间介质，所述极间介质用于对栅极和源极进行隔离。
10.优选地，所述第一导电类型半导体外延层厚度为5～250um，掺杂浓度为1
×
10
14
cm-3-5
×
10
18
cm-3
。
11.优选地，元胞一侧的栅极注入区与栅极连接，元胞另一侧的栅极注入区和源极注入区共同连到源极。
12.优选地，第一导电类型和第二导电类型的掺杂为1
×
10
14
cm-3-2
×
10
21
cm-3
的均匀或非均匀掺杂。
13.优选地，所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型。
14.优选地，所述第一导电类型为p型，所述第二导电类型为n型。
15.本实用新型第二方面提供一种具有相同栅源掺杂的场效应晶体管，包括若干如上所述的元胞结构以及场限环终端结，且在制作结终端时，刻蚀注入结终端与元胞结构的第二导电类型悬浮区同时使用同一块光刻掩膜版刻蚀注入。
16.本实用新型第三方面提供一种具有相同栅源掺杂的场效应晶体管，包括若干如上所述的元胞结构以及结终端扩展和加场限环结终端，且在制作结终端时，刻蚀注入结终端与元胞结构的第二导电类型悬浮区同时使用同一块光刻掩膜版刻蚀注入。
17.采用本实用新型具有如下的有益效果：
18.(1)在传统jfet的基础上引入具有第一导电类型的栅极和包围该栅极的第二导电类型悬浮区来控制器件沟道，可以增加器件栅极的正向偏压，使得vgs可以偏置在大于pn结正向开启电压的位置。
19.(2)当vgs＝0v时，由于沟道处的pn结不存在内建电势引入的反偏，器件导通电阻更低。
20.(3)在大电流导通情况下，器件进入饱和状态可以导通更大的电流。
21.(4)一个栅极连到源极，使得结构可以减小cgd，从而减小开关损耗。
附图说明
22.图1为结构实施例一中形成栅极和源极的结构示意图；
23.图2为结构实施例二中形成沟道注入区的结构示意图；
24.图3为结构实施例三中一个栅极连到源极的结构示意图；
25.图4为结构实施例四中刻蚀注入结终端与元胞结构的有源区同时刻蚀注入的结构示意图；
26.图5为结构实施例五中刻蚀注入结终端与元胞结构的有源区同时刻蚀注入的结构示意图。
27.图6为当器件关断时沟道注入区和第二导电类型悬浮区之间的空间电荷区闭合的结构示意图；
28.图7为当器件导通时空间电荷区分开的结构示意图；
29.图8为与传统的jfet器件相比提高了栅极可加的电压的对比示意图；
30.图9为与传统的jfet器件相比提高了和饱和电流的对比示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
32.结构实施例1
33.本实用新型实施例提供的一种具有相同栅源掺杂的场效应晶体管元胞结构，参见图1，包括：
34.碳化硅衬底001，该碳化硅衬底材料的掺杂类型为第一导电类型，
35.在碳化硅衬底001的正面和背面分别设有第一导电类型半导体外延层002和第一电极003(即图示中的漏极)；
36.在第一导电类型半导体外延层002上依次设置有第二导电类型悬浮区005、第一导电类型栅极注入区006、第一导电类型源极注入区007，栅极注入区006上设置有栅极008，源极注入区上设置有源极009，栅极注入区006和源极注入区007之间设置有极间介质010，极间介质010用于对栅极008和源极009进行隔离。
37.其中，优选的应用实例中，第一导电类型半导体外延层002厚度为5～250um，掺杂浓度为1
×
10
14
cm-3-5
×
10
18
cm-3
。
38.本实用新型实施例在传统jfet的基础上引入具有第一导电类型的栅极和包围该栅极的第二导电类型悬浮区来控制器件沟道。可以增加器件栅极的正向偏压，使得vgs可以偏置在大于pn结正向开启电压的位置(以碳化硅为例，可以v
gs
＝20v)。同时，当vgs＝0v时，由于沟道处的pn结不存在内建电势引入的反偏，器件导通电阻更低。在大电流导通情况下，器件进入饱和状态可以导通更大的电流。即相较于传统的jfet器件，本实用新型提高了栅极可加的电压和饱和电流，如图8和图9所示。
39.在优选的应用实例中，第一导电类型和第二导电类型的掺杂为1
×
10
14
cm-3-2
×
10
21
cm-3
的均匀或非均匀掺杂。
40.结构实施例2
41.通过方法实施例2制备的一种具有相同栅源掺杂的场效应晶体管元胞结构，参见图2，在结构实施例1的基础上，通过在外延层上增加至少一次倾斜注入形成沟道注入区004。
42.通过调节沟道注入区004和第二导电类型悬浮区005的掺杂浓度，可以调节该jfet器件的阈值电压。参见图6，当器件关断时，沟道注入区004和第二导电类型悬浮区005之间的空间电荷区闭合；参见图7，当器件导通时，空间电荷区分开。
43.结构实施例3
44.在结构实施例1和结构实施例2的基础上，参见图3，元胞一侧的栅极注入区006与栅极008连接，元胞另一侧的栅极注入区006和源极注入区007共同连到源极009，使得结构可以减小cgd，从而减小开关损耗。
45.结构实施例4
46.参见图4，本实用新型实施例提供的一种具有相同栅源掺杂的场效应晶体管，包括若干如结构实施例1至3任一的元胞结构以及场限环终端结，且在制作结终端时，刻蚀注入结终端与元胞结构的第二导电类型悬浮区同时使用同一块光刻掩膜版刻蚀注入。
47.结构实施例5
48.参见图5，一种具有相同栅源掺杂的场效应晶体管，其特征在于，包括若干如结构实施例1至3任一的元胞结构以及结终端扩展和加场限环结终端，且在制作结终端时，刻蚀注入结终端与元胞结构的第二导电类型悬浮区同时使用同一块光刻掩膜版刻蚀注入。
49.应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描
述了本实用新型的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。