一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅MOSFET

本发明涉及半导体场效应晶体管领域，尤其涉及一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅mosfet。

背景技术：

1、碳化硅(sic)由于其优良的物理性质，例如：高的临界击穿场强(3mv/cm)，宽禁带(3.26ev)以及优良的导热性，再加上其极高的原子位移能(21.8-45ev)，因此具有更强的耐辐射性能。目前sic已经应用于高温、高压、高功率等极端环境功率器件领域。sic金属-氧化物-半导体场效应晶体管(mosfet)是发展最快的开关器件，已广泛应用于车载以及高功率电输运等领域。目前，sic mosfet器件逐渐延伸至航空、航天等电力电子应用领域，业界对sic器件在空天辐射环境下可靠性极为关注。

2、然而，当前sic mosfet仍有很多缺点：首先由于jfet区的存在，使得导通电阻很大；其次，传统高温热氧化会在栅氧和界面引入大量陷阱，这些缺陷将严重影响器件的性能，同时也为总剂量辐射提供了陷阱态。业界常使用含氮气氛退火来消除缺陷，这能够有效提升器件性能。但n元素的引入本身会增加栅氧内部空穴陷阱，从而为总剂量辐射提供空穴陷阱，在总剂量辐射作用下将形成固定电荷，使得总剂量效应更为严重，具体表现为：阈值电压的漂移、器件常开、栅氧形成导电路径和阻断能力下降等等，对器件耐辐射能力有极大威胁。因此，如何提高器件耐辐射能力，又兼顾优化器件性能，是当前比较棘手的一个问题。而即便解决了工艺上的问题，sio2本身的材料特性也让人诟病。如较低的介电常数(3.9)和热导率(0.27w/cm·k)等等。可见，即便sic材料在抗辐照方面具有优越性，但由于栅介质的辐照耐受性不匹配，sic mos器件的辐照应用受到了极大的限制。考虑到航天环境的极端性，对于器件的要求更高：近地空间站必须要求此辐照环境下有至少五年的使用寿命(根据美国nasa公开数据，五年运行周期受到总剂量高达5mrad)。而外太空探测对器件辐照可靠性要求更高，工作环境也更加恶劣。因此，开发一种抗总剂量的sic mosfet器件对宇航电力系统的轻量化发展具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅mosfet，将高k介质氮化铝(aln)栅和氮氧化铝(alon)栅结合，代替传统热氧二氧化硅，使得器件在保持辐射环境下阈值电压的稳定的同时，也能够使得栅介质保持较强的耐压。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅mosfet，包括源电极(1)、p+基区(2)、n+源区(3)、aln沟道区(4)、alon耐压区(5)、栅电极(6)、p沟道区(7)、多晶硅屏蔽电极(8)、sgt区(9)、n-漂移区(10)、n+衬底(11)、漏电极(12)、源电极接触(13)、栅电极接触(14)、钝化层(15)、金属pad区域(16)；

4、其中，所述漏电极(12)设于底部，所述源电极(1)设于顶部，所述n+衬底(11)和n-漂移区(10)依次设于漏电极(12)的上表面，所述sgt区(9)设于n-漂移区(10)内，且sgt区(9)内设有所述多晶硅屏蔽电极(8)；所述p沟道区(7)设于n-漂移区(10)的上层，所述p+基区(2)和n+源区(3)设于p沟道区(7)上方，且p+基区(2)位于n+源区(3)的外侧，所述aln沟道区(4)设于p沟道区(7)和n+源区(3)的内部，所述alon耐压区(5)设于aln沟道区(4)的内部，所述栅电极(6)设于alon耐压区(5)内；所述钝化层(15)设于aln沟道区(4)、alon耐压区(5)和栅电极(6)的上方，且接触面设有栅电极接触(14)；所述源电极接触(13)设于p+基区(2)、n+源区(3)的上方、源电极(1)的内部；所述金属pad区域(16)设于源电极(1)的上表面。

5、所述aln沟道区(4)，厚度为1～20nm，沟道长度为0.1～2μm。

6、所述alon耐压区(5)，厚度为5～200nm。

7、所述sgt区(9)所使用栅介质为高k的alon。

8、所述sgt区(9)的深度为1～20μm，宽度为1～40μm。

9、所述多晶硅屏蔽电极(8)为两个或者更多个。

10、所述多晶硅屏蔽电极(8)的宽度为sgt区(9)宽度的1/10～1/2，长度不大于sgt区(9)的高度，并且位置与栅电极(6)两边相对应。

11、所述的一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅mosfet的制备方法，包括以下步骤：

12、1)将4h-sic n型外延片清洗，通过离子注入形成n+源区(3)、p+基区(2)和p沟道区(7)，并进行1500～1800℃退火激活；

13、2)刻蚀得到沟槽，并通过物理或者化学气相沉积方式得到sgt区(9)结构；然后在sgt区(9)刻蚀沟槽，在沟槽中生长多晶硅得到多晶硅屏蔽电极(8)；

14、3)生长alon和aln栅介质并在800～1000℃氮气氛围下退火1～3min结晶，再次对准刻蚀形成aln沟道区(4)，并沉积或者溅射形成栅电极(6)；

15、4)利用溅射或者电子束蒸发手段，分别形成漏电极(12)和源电极接触(13)，然后通过氮气或者氩气氛围下900～1100℃快速退火形成欧姆接触。

16、相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

17、1、采用sgt结构取代传统的vdmos结构，避免引入jfet区电阻，使得导通电阻降低。同时，承压位置由沟道区转移至屏蔽栅结构分压区域，可有效避免沟道处击穿。

18、2、采用与4h-sic晶格匹配度较好的aln作为沟道处栅介质，即aln沟道区，从而可以减小沟道处界面态密度，使得器件迁移率提高。而alon耐压区的alon具有较大的电离阈值能，以及更高的介电常数(9.3)，因此在总剂量辐射下引入最少的固定电荷。使得器件的阈值电压更为稳定。在栅的内部引入相同数目的固定电荷，发现高k的栅介质情况下，器件阈值电压漂移较小。

19、3、在屏蔽栅区域使用alon，从而保证一定的击穿能力。同时高k的材料，也能抑制栅介质内部高场的形成，抑制总剂量辐射形成固定电荷。在阻断状态下，使用传统热氧化sio2材料时，器件在432v时栅内部场强已经达到了5mv/cm的量级。而在使用高k栅介质的情况下，器件直到450v时，栅介质内部最高场才2mv/cm不到，说明高k介质的引入能够大幅度提高器件阻断能力。

20、4、本发明由于在sgt区以及alon耐压区处采用了多晶硅屏蔽电极分压的方式，从而避免沟道处高电场的形成，从而避免沟道处击穿，提升了器件耐压能力。

技术特征：

1.一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅mosfet，其特征在于：包括源电极(1)、p+基区(2)、n+源区(3)、aln沟道区(4)、alon耐压区(5)、栅电极(6)、p沟道区(7)、多晶硅屏蔽电极(8)、sgt区(9)、n-漂移区(10)、n+衬底(11)、漏电极(12)、源电极接触(13)、栅电极接触(14)、钝化层(15)、金属pad区域(16)；

2.如权利要求1所述的一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅mosfet，其特征在于：所述aln沟道区(4)，厚度为1～20nm。

3.如权利要求1所述的一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅mosfet，其特征在于：所述alon耐压区(5)，厚度为5～200nm。

4.如权利要求1所述的一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅mosfet，其特征在于：所述sgt区(9)所使用栅介质为高k的alon。

5.如权利要求1所述的一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅mosfet，其特征在于：所述sgt区(9)的深度为1～20μm，宽度为1～40μm。

6.如权利要求1所述的一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅mosfet，其特征在于：所述多晶硅屏蔽电极(8)为两个或者更多个。

7.如权利要求1所述的一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅mosfet，其特征在于：所述多晶硅屏蔽电极(8)的宽度为sgt区(9)宽度的1/10～1/2，长度不大于sgt区(9)的高度，并且位置与栅电极(6)两边相对应。

8.权利要求1～7任一项所述的一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅mosfet的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
一种抗总剂量辐射的双介质屏蔽栅MOSFET，在沟道区引入叠栅结构，即AlN沟道区与AlON耐压区；在SGT区引入与多晶硅屏蔽电极；在SGT区引入总剂量辐射抗性较大的AlON；采用高k介质提升器件栅阻断能力。本发明还公开了SGT‑MOSFET的制备方法，本发明将为航空航天用功率器件优化提供重要的参考意义。

技术研发人员：张峰,朱晓钢,陈雨箭
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15