一种三维六角元胞结构、制备方法及其器件

1.本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种三维六角元胞结构、制备方法及其器件。


背景技术：

2.在电力电子行业的发展过程中，半导体技术起到了决定性作用。其中，功率半导体器件一直被认为是电力电子设备的关键组成部分。其中，mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管)和igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)是应用比较广泛的两种典型的半导体器件。
3.mosfet作为一种功率半导体器件，其可以降低转换器的转换损耗，提高功率密度，降低散热要求，降低系统尺寸和复杂度，对系统性能提升作用明显。此外，高温，高压，低损耗等特性使得mosfet适用于电源，轨道交通，电机控制，电动汽车，航空航天等多种系统。igbt是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。非常适合应用于直流电压为600v及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
4.然而，目前常见的mosfet或者igbt元胞结构大都为平面型元胞结构。由于工艺的限制，这种平面元胞结构无法进一步提升沟道密度，降低器件沟道电阻，从而影响了器件的通流能力，限制了器件的应用。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种三维六角元胞结构、制备方法及其器件。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.第一方面，本发明提供了一种三维六角元胞结构，包括：第一导电类型外延区，位于所述第一导电类型外延区内的第二导电类型阱区，位于所述第二导电类型阱区内的第一导电类型源区，以及位于第一导电类型源区内的第二导电类型体区；其中，
7.所述第二导电类型体区为凸起状；
8.且沿六角元胞结构的六个边的垂直方向，所述第一导电类型外延区、所述第二导电类型阱区和所述第一导电类型源区上均设有宽度和高度相同的若干凸起，以分别在每个方向形成若干凸起台面，同时在六角元胞结构上形成相交于所述第二导电类型体区的六角台面结构。
9.在本发明的一个实施例中，每个所述凸起台面的宽度不超过所述第二导电类型阱区的内边长。
10.在本发明的一个实施例中，所述凸起台面的宽度为1-5μm，高度为0.1-1μm。
11.在本发明的一个实施例中，所述第一导电类型为n型，第二导电类型为p型。
12.第二方面，本发明还提供了另一种三维六角元胞结构，包括：第一导电类型外延区，位于所述第一导电类型外延区内的第二导电类型阱区，位于所述第二导电类型阱区内的第一导电类型源区，以及位于第一导电类型源区内的第二导电类型体区；其中，
13.沿六角元胞结构的六个边的垂直方向，所述第二导电类型体区周围的所述第一导电类型外延区、所述第二导电类型阱区和所述第一导电类型源区上对称设有宽度和深度相同的若干沟槽，以分别在每个方向形成若干凹槽，同时在六角元胞结构上形成相交于所述第二导电类型体区的六角凹槽结构。
14.在本发明的一个实施例中，每个所述凹槽的宽度不超过所述第二导电类型阱区的内边长。
15.在本发明的一个实施例中，所述的凹槽的宽度为1-5μm，深度为0.1-1μm。
16.第三方面，本发明提供了一种三维六角元胞结构的制备方法，包括：
17.制备第一导电类型外延区；
18.采用离子注入工艺在所述第一导电类型外延区上面依次形成第二导电类型阱区、第一导电类型源区以及第二导电类型体区；
19.对得到的样品进行刻蚀，以在样品表面形成六角台面结构或者六角凹槽结构。
20.第四方面，本发明提供了一种mosfet器件，包括上述实施例所述的任意一种三维六角元胞结构。
21.第五方面，本发明提供了一种igbt器件，包括上述实施例所述的任意一种三维六角元胞结构。
22.本发明的有益效果：
23.本发明通过在元胞结构表面增加台面结构或者凹槽结构，形成了三维六角元胞结构，使得器件除了拥有平行于元胞表面的平行沟道外，还拥有垂直于元胞表面的垂直沟道，从而提升了沟道密度，降低了沟道的导通电阻，进而提升了器件的通流能力。
24.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
25.图1是本发明实施例一提供的具有一组凸起台面的三维六角元胞结构示意图；
26.图2是本发明实施例一提供的具有一组凸起台面的三维六角元胞结构的俯视图；
27.图3是本发明实施例一提供的具有一组凸起台面的三维六角元胞结构的剖面图；
28.图4是本发明实施例提供的具有两组凸起台面的三维六角元胞结构示意图；
29.图5是本发明实施例二提供的具有一组凹槽的三维六角元胞结构示意图；
30.图6是本发明实施例二提供的具有一组凹槽的三维六角元胞结构的俯视图；
31.图7是本发明实施例二提供的具有一组凹槽的三维六角元胞结构的剖面图；
32.图8是本发明实施例提供的具有两组凹槽的三维六角元胞结构示意图；
33.图9是本发明实施例三提供的三维六角元胞结构的制备方法流程示意图。
具体实施方式
34.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
35.实施例一
36.本实施例提供了一种具有凸起台面结构的三维六角元胞结构，其包括：第一导电类型外延区1，位于所述第一导电类型外延区1内的第二导电类型阱区2，位于所述第二导电类型阱区2内的第一导电类型源区3，以及位于第一导电类型源区3内的第二导电类型体区4；其中，
37.所述第二导电类型体区4为凸起状；
38.且沿六角元胞结构的六个边的垂直方向，所述第一导电类型外延区1、所述第二导电类型阱区2和所述第一导电类型源区3上均设有宽度和高度相同的若干凸起，以分别在每个方向形成若干凸起台面5a，同时在六角元胞结构上形成相交于所述第二导电类型体区4的六角台面结构6a。
39.在本实施例中，每个所述凸起台面5a的宽度不超过所述第二导电类型阱区2的内边长，以保证第二导电类型阱区2同时具有水平和垂直方向的凸起台面，从而在第二导电类型阱区2内形成垂直和水平沟道。
40.可选的，凸起台面5a的宽度为1-5μm，高度为0.1-1μm。
41.具体地，本实施例以具有一组凸起台面的六角元胞结构为例进行详细说明。请参见图1，图1是本发明实施例一提供的具有一组凸起台面的三维六角元胞结构示意图；其中，凸起台面5a的宽度d与所述第二导电类型体区4的边长相同。
42.在本实施例中，第一导电类型为n型，第二导电类型为p型。此外，还可以设置第一导电类型为p型，第二导电类型为n型。本实施例优选第一导电类型为n型，第二导电类型为p型。
43.进一步地，n型外延区1和p型阱区2为轻掺杂区，n型源区3以及p型体区4为重掺杂区。由此，本实施例提供的三维六角元胞结构包括n-外延区1、p-阱区2、n+源区3以及p+体区4。请参见图2-3，图2是本发明实施例一提供的具有一组凸起台面的三维六角元胞结构的俯视图；图3是本发明实施例一提供的具有一组凸起台面的三维六角元胞结构的剖面图。
44.由于本实施例中的六角台面结构包括一组凸起台面，因此，六角台面结构6a的每个臂的总宽度与单个凸起台面5a的宽度d相同，均等于第二导电类型体区4的边长。
45.需要说明的是，在本发明的另一个实施例中，六角台面结构还可以包括多组平行的凸起台面。例如，请参见图4，图4是本发明实施例提供的具有两组凸起台面的三维六角元胞结构示意图。其中，两个凸起台面5a两侧边缘处未超出第二导电类型阱区2的内边长。
46.本实施例通过在元胞结构表面增加凸起台面结构，形成了三维六角元胞结构，使得器件除了拥有平行于元胞表面的平行沟道外，还拥有垂直于元胞表面的垂直沟道。相较于传统二维结构元胞中沟道只有水平方向，无法做到沟道宽度的进一步提升，本实施例在元胞水平沟道的基础上通过设置台面结构，在不减少水平沟道基础上增加了垂直沟道(台面的侧壁即为垂直沟道)，从而有效提升了整个元胞结构的总沟道宽度。由此可知，台面侧壁的高度决定了垂直沟道的宽度。同归引入垂直沟道，有效提升了元胞沟道密度，降低了沟道的导通电阻，进而提升了器件的通流能力。
47.实施例二
48.本实施例提供了一种具有凹槽结构的三维六角元胞结构，其包括：第一导电类型外延区1，位于所述第一导电类型外延区1内的第二导电类型阱区2，位于所述第二导电类型
阱区2内的第一导电类型源区3，以及位于第一导电类型源区3内的第二导电类型体区4；其中，
49.沿六角元胞结构的六个边的垂直方向，所述第二导电类型体区4周围的所述第一导电类型外延区1、所述第二导电类型阱区2和所述第一导电类型源区3上对称设有宽度和深度相同的若干沟槽，以分别在每个方向形成若干凹槽5b，同时在六角元胞结构上形成相交于所述第二导电类型体区4的六角凹槽结构6b。
50.在本实施例中，每个所述凹槽5b的宽度不超过所述第二导电类型阱区2的内边长，以保证第二导电类型阱区2同时具有水平和垂直方向的凸起台面，从而在第二导电类型阱区2内形成垂直和水平沟道。
51.可选的，凹槽5a的宽度为1-5μm，高度为0.1-1μm。
52.具体地，本实施例以具有一组凹槽的六角元胞结构为例进行详细说明。请参见图5，图5是本发明实施例二提供的具有一组凹槽的三维六角元胞结构示意图；其中，凹槽5b的宽度d1与所述第二导电类型体区4的边长相同。
53.在本实施例中，优选第一导电类型为n型，第二导电类型为p型。进一步地，n型外延区1和p型阱区2为轻掺杂区，n型源区3以及p型体区4为重掺杂区。由此，本实施例提供的三维六角元胞结构包括n-外延区1、p-阱区2、n+源区3以及p+体区4。请参见图6-7，图6是本发明实施例二提供的具有一组凹槽结构的三维六角元胞结构的俯视图；图7是本发明实施例二提供的具有一组凹槽结构的三维六角元胞结构的剖面图。
54.由于本实施例中的六角凹槽结构包括一组凹槽，因此，六角凹槽结构6b的每个臂的总宽度与单个凹槽5b的宽度d相同，均等于第二导电类型体区4的边长。
55.需要说明的是，在本发明的另一个实施例中，六角凹槽结构还可以包括多组平行的凹槽。例如，请参见图8，图8是本发明实施例提供的具有两组凹槽的三维六角元胞结构示意图。其中，两个凹槽5b两侧边缘处未超出第二导电类型阱区2的内边长。
56.本实施例提供通过在元胞结构表面增加凹槽结构，形成了三维六角元胞结构，使得器件除了拥有平行于元胞表面的平行沟道外，还拥有垂直于元胞表面的垂直沟道。相较于传统二维结构元胞中沟道只有水平方向，无法做到沟道宽度的进一步提升，本实施例在元胞水平沟道的基础上通过设置台面结构，在不减少水平沟道基础上增加了垂直沟道(台面的侧壁即为垂直沟道)，从而有效提升了整个元胞结构的总沟道宽度。由此可知，台面侧壁的高度决定了垂直沟道的宽度。同归引入垂直沟道，有效提升了元胞沟道密度，降低了沟道的导通电阻，进而提升了器件的通流能力。
57.实施例三
58.在上述实施例一和实施例二的基础上，本实施例提供了一种三维六角元胞结构的制备方法。请参见图9，图9是本发明实施例三提供的三维六角元胞结构的制备方法流程示意图，包括以下步骤：
59.步骤1：制备第一导电类型外延区。
60.一般而言，外延区位于同类型导电衬底上，优选第一导电类型为n型。
61.具体地，在n+衬底上形成n-外延层。对于n-外延层的具体厚度和掺杂浓度，本实施例不做具体限定，例如，可设定n-外延层的厚度为35μm，掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3
。
62.步骤2：采用离子注入工艺在所述第一导电类型外延区上面依次形成第二导电类
型阱区、第一导电类型源区以及第二导电类型体区。
63.首先在步骤1得到的n-外延层上注入p型离子，以形成p-阱区。其中，p-阱区的结深可以为0.7μm，掺杂浓度可以为4
×
10
17
cm-3
。
64.然后，继续在上述样品上注入n型离子，以形成n+源区。其中，n+源区的结深可以为0.2μm，掺杂浓度可以为1
×
10
19
cm-3
。
65.最后，在样品中间的n+源区内注入p型离子，以形成p+体区。其中，p+体区的结深可以为0.2μm，掺杂浓度可以为1
×
10
19
cm-3
。
66.需要说明的是，本实施例对上述形成第二导电类型阱区、第一导电类型源区以及第二导电类型体区的先后顺序不做具体限定，本领域技术人员可根据需要任意调整。
67.步骤3：对得到的样品进行刻蚀，以在样品表面形成六角台面结构或者六角凹槽结构。
68.在本实施例中，在本实施例中，可根据外延层材料为si或者sic分别采用si刻蚀或者sic刻蚀工艺对步骤2得到的样品周边进行刻蚀，去除周边的外延层，以在样品中间形成六角台面结构。
69.或者，对步骤2得到的样品中间进行刻蚀，去除中间的外延层，以在样品中间形成六角凹槽结构。
70.需要说明的是，对于具体地工艺参数，可参照现有的刻蚀工艺实现，本实施例不做具体限定。
71.本实施例提供的制备方法可以制备得到上述实施例一或者实施例二提供的三维六角元胞结构，由此，制备得到的器件结构也同时具有平行于元胞表面的平行沟道和垂直于元胞表面的垂直沟道，进而提升了沟道密度，降低了沟道的导通电阻，有助于提升器件的通流能力。
72.实施例四
73.在上述实施例一和实施例二的基础上，本实施例提供了一种mosfet器件，其包括上述实施例一提供的具有凸起台面结构的三维六角元胞结构，或者包括上述实施例二提供的具有凹槽结构的三维六角元胞结构。
74.在本实施例中，可以采用si或者sic材料形成三维方形元胞结构的外延层。
75.优选的，本实施例采用sic材料形成具有三维方形元胞结构的mosfet器件。其中，在本实施例提供的sic mosfet器件中，每个台面结构5a的宽度可以为1-5μm，高度可以为0.1-1μm；或者，每个凹槽结构5b的宽度为1-5μm，深度为0.1-1μm。
76.关于mosfet器件的其他结构参数，可参考现有的器件，本实施例在此不做详细描述。
77.由此，本实施例提供的sic mosfet器件具有较高的沟道密度和较低的沟道电阻，从而具有良好的通流能力。
78.实施例五
79.在上述实施例一和实施例二的基础上，本实施例提供了一种igbt器件，其包括上述实施例一提供的具有凸起台面结构的三维六角元胞结构，或者包括上述实施例二提供的具有凹槽结构的三维六角元胞结构。
80.在本实施中，关于igbt器件的具体结构参数，可参考现有的器件结构和实际情况
适应性的更改和设置，本实施例在此不做详细描述。
81.由此，本实施例提供的igbt器件也具有较高的沟道密度和较低的沟道电阻，从而具有良好的通流能力。
82.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
83.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
84.在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
85.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。