一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构及器件的制作方法

本发明涉及碳化硅mosfet领域，特别是涉及一种复合型碳化硅mosfet元胞结构及器件。

背景技术：

1、导通电阻和电流密度是衡量碳化硅mosfet器件性能的重要指标。现有技术中，碳化硅mosfet器件存在导通电阻较高、电流密度较低的问题，虽然提出了一些改进方案，但对导通电阻和电流密度的改进程度有限。因此，如何降低导通电阻、提高电流密度是碳化硅mosfet器件研制的一个重要问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种能够有效降低导通电阻、提高电流密度的复合型碳化硅mosfet元胞结构及器件，以解决现有技术中存在的问题。

2、技术方案：本发明所述的复合型碳化硅mosfet元胞结构，自下而上依次设有漏极、第一导电类型介质层、第一导电类型缓冲层、第一导电类型漂移层及电流扩散层，电流扩散层中一边设有第一沟槽栅极，另一边设有第二沟槽栅极，两沟槽栅极之间设有第一平面栅极和位于其后方的第二平面栅极；第一沟槽栅极的左右两侧各有一个第一阱区，每个第一阱区的上方均有一个第一源接触区；第二沟槽栅极的左右两侧各有一个第二阱区，每个第二阱区的上方均有一个第二源接触区；第一沟槽栅极右侧第一阱区与第二沟槽栅极左侧第二阱区之间设有第一导电类型半导体；所述元胞结构还包括第一接触区、第二接触区和第三接触区，第一接触区包围着第一沟槽栅极左侧第一阱区的左侧和后方、左侧第一阱区上方第一源接触区的左侧和后方，第二接触区包围着第二沟槽栅极右侧第二阱区的右侧和后方、右侧第二阱区上方第二源接触区的右侧和后方，第三接触区位于第一沟槽栅极与第二沟槽栅极之间，并且，第三接触区位于第一沟槽栅极右侧第一阱区及其上方第一源接触区的后方、第二沟槽栅极左侧第二阱区及其上方第二源接触区的后方、第一导电类型半导体的后方；第一接触区和第一沟槽栅极左侧第一源接触区的上方设有第一左侧源极金属，第一沟槽栅极右侧第一源接触区上方设有第一右侧源极金属，第二沟槽栅极左侧第二源接触区上方设有第二左侧源极金属，第二接触区和第二沟槽栅极右侧第二源接触区上方设有第二右侧源极金属，第一右侧源极金属与第二左侧源极金属之间设有第一平面栅极；第一左侧源极金属、第一右侧源极金属、第二左侧源极金属和第二右侧源极金属均连接源极，第一沟槽栅极、第二沟槽栅极、第一平面栅极和第二平面栅极均连接栅极；第一源接触区、第二源接触区均为第一导电类型，第一阱区、第二阱区、第一接触区、第二接触区和第三接触区均为第二导电类型；所述元胞关于第三接触区的背面对称。

3、进一步，所述元胞结构还包括沟槽型体二极管，沟槽型体二极管包括沟槽以及设于沟槽内的金属，沟槽开设在第一接触区和/或第二接触区和/或第三接触区的表面。这样通过设置沟槽型体二极管能够使接触区更深，具有较低的正向导通压降，也减少了沟槽栅极底部的峰值电场，而且还能用作半-超级结mosfet。

4、进一步，所述元胞结构还包括设于第一沟槽栅极右侧第一阱区下方的第一屏蔽区。通过设置第一屏蔽区，能够将高电场从第一沟槽栅极的栅氧层移动到第一屏蔽区与电流扩散区之间的耗尽层处，保护栅氧层免受高电场的影响，避免器件容易被击穿。

5、进一步，所述元胞结构还包括设于第二沟槽栅极左侧第二阱区下方的第二屏蔽区。通过设置第二屏蔽区，能够将高电场从第二沟槽栅极的栅氧层移动到第二屏蔽区与电流扩散区之间的耗尽层处，保护栅氧层免受高电场的影响，避免器件容易被击穿。

6、本发明所述的复合型碳化硅mosfet元胞结构，自下而上依次设有漏极、第一导电类型介质层、第一导电类型缓冲层、第一导电类型漂移层及电流扩散层，电流扩散层中一边设有第一复合栅极，另一边设有第二复合栅极；第一复合栅极包括互相连接的第一沟槽栅极和第一平面栅极，第二复合栅极包括互相连接的第二沟槽栅极和第二平面栅极；第一复合栅极的左右两侧各有一个第一阱区，每个第一阱区的上方均有一个第一源接触区；第二复合栅极的左右两侧各有一个第二阱区，每个第二阱区的上方均有一个第二源接触区；第一复合栅极右侧第一阱区与第二复合栅极左侧第二阱区之间设有第一导电类型半导体；所述元胞结构还包括接触区，接触区包围着第一复合栅极左侧第一阱区的左侧和后方、左侧第一阱区上方第一源接触区的左侧和后方、第一复合栅极右侧第一阱区的后方、右侧第一阱区上方第一源接触区的后方、第一导电类型半导体的后方、第二复合栅极左侧第二阱区的后方、左侧第二阱区上方第二源接触区的后方、第二复合栅极右侧第二阱区的右侧和后方、右侧第二阱区上方第二源接触区的右侧和后方；第一复合栅极左侧的第一源接触区和接触区的上方设有第一源极金属，第二复合栅极右侧的第二源接触区和接触区的上方设有第二源极金属；第一源极金属和第二源极金属均连接源极，第一复合栅极和第二复合栅极均连接栅极；第一源接触区和第二源接触区均为第一导电类型，第一阱区、第二阱区和接触区均为第二导电类型。

7、进一步，所述第一沟槽栅极与第一平面栅极垂直连接；

8、和/或

9、第二沟槽栅极与第二平面栅极垂直连接。

10、进一步，所述元胞结构还包括沟槽型体二极管，沟槽型体二极管包括开设在接触区表面的沟槽以及设于沟槽内的金属。这样通过设置沟槽型体二极管能够使接触区更深，具有较低的正向导通压降，也减少了沟槽栅极底部的峰值电场，而且还能用作半-超级结mosfet。

11、进一步，所述元胞结构还包括设于第一复合栅极右侧第一阱区下方的第一屏蔽区。通过设置第一屏蔽区，能够将高电场从第一沟槽栅极的栅氧层移动到第一屏蔽区与电流扩散区之间的耗尽层处，保护栅氧层免受高电场的影响，避免器件容易被击穿。

12、进一步，所述元胞结构还包括设于第二复合栅极左侧第二阱区下方的第二屏蔽区。通过设置第二屏蔽区，能够将高电场从第二沟槽栅极的栅氧层移动到第二屏蔽区与电流扩散区之间的耗尽层处，保护栅氧层免受高电场的影响，避免器件容易被击穿。

13、本发明所述的复合型碳化硅mosfet器件，包括任意一项所述的复合型碳化硅mosfet元胞结构。

14、有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

15、1、本发明通过将平面栅极与沟槽栅极集成到一个mosfet里，产生了双沟道结构，优化电流路径，有效防止电流拥挤，有效提高电流密度，降低导通电阻；

16、2、无论是第一种元胞结构中设置了三个接触区，还是第二种元胞结构中设置了一个接触区，都能够形成体二极管，产生二极管反向模式，能够支持高击穿电压和向第一导电类型漂移层的耗尽扩展；

17、3、本发明提出了两种元胞结构，第一种是采用分离的沟槽栅极和平面栅极，这样能够实现宽单元间距和较大的元胞尺寸，第二种是采用互相连接的沟槽栅极和平面栅极，这样能够实现窄单元间距和较小的元胞尺寸，能够供实际使用时灵活选择，从而优化制造工艺和器件布局。

技术特征：

1.一种复合型碳化硅mosfet元胞结构，其特征在于：自下而上依次设有漏极(111)、第一导电类型介质层(121)、第一导电类型缓冲层(122)、第一导电类型漂移层(123)及电流扩散层(124)，电流扩散层(124)中一边设有第一沟槽栅极(13)，另一边设有第二沟槽栅极(15)，两沟槽栅极之间设有第一平面栅极(17)和位于其后方的第二平面栅极(19)；第一沟槽栅极(13)的左右两侧各有一个第一阱区(141)，每个第一阱区(141)的上方均有一个第一源接触区(142)；第二沟槽栅极(15)的左右两侧各有一个第二阱区(161)，每个第二阱区(161)的上方均有一个第二源接触区(162)；第一沟槽栅极(13)右侧第一阱区(141)与第二沟槽栅极(15)左侧第二阱区(161)之间设有第一导电类型半导体(18)；所述元胞结构还包括第一接触区(143)、第二接触区(163)和第三接触区(10)，第一接触区(143)包围着第一沟槽栅极(13)左侧第一阱区(141)的左侧和后方、左侧第一阱区(141)上方第一源接触区(142)的左侧和后方，第二接触区(163)包围着第二沟槽栅极(15)右侧第二阱区(161)的右侧和后方、右侧第二阱区(161)上方第二源接触区(162)的右侧和后方，第三接触区(10)位于第一沟槽栅极(13)与第二沟槽栅极(15)之间，并且，第三接触区(10)位于第一沟槽栅极(13)右侧第一阱区(141)及其上方第一源接触区(142)的后方、第二沟槽栅极(15)左侧第二阱区(161)及其上方第二源接触区(162)的后方、第一导电类型半导体(18)的后方；第一接触区(143)和第一沟槽栅极(13)左侧第一源接触区(142)的上方设有第一左侧源极金属(145)，第一沟槽栅极(13)右侧第一源接触区(142)上方设有第一右侧源极金属(146)，第二沟槽栅极(15)左侧第二源接触区(162)上方设有第二左侧源极金属(165)，第二接触区(163)和第二沟槽栅极(15)右侧第二源接触区(162)上方设有第二右侧源极金属(166)，第一右侧源极金属(146)与第二左侧源极金属(165)之间设有第一平面栅极(17)；第一左侧源极金属(145)、第一右侧源极金属(146)、第二左侧源极金属(165)和第二右侧源极金属(166)均连接源极(112)，第一沟槽栅极(13)、第二沟槽栅极(15)、第一平面栅极(17)和第二平面栅极(19)均连接栅极(113)；第一源接触区(142)、第二源接触区(162)均为第一导电类型，第一阱区(141)、第二阱区(161)、第一接触区(143)、第二接触区(163)和第三接触区(10)均为第二导电类型；所述元胞关于第三接触区(10)的背面对称。

2.根据权利要求1所述的复合型碳化硅mosfet元胞结构，其特征在于：所述元胞结构还包括沟槽型体二极管(101)，沟槽型体二极管(101)包括沟槽以及设于沟槽内的金属，沟槽开设在第一接触区(143)和/或第二接触区(163)和/或第三接触区(10)的表面。

3.根据权利要求1所述的复合型碳化硅mosfet元胞结构，其特征在于：所述元胞结构还包括设于第一沟槽栅极(13)右侧第一阱区(141)下方的第一屏蔽区(144)。

4.根据权利要求1所述的复合型碳化硅mosfet元胞结构，其特征在于：所述元胞结构还包括设于第二沟槽栅极(15)左侧第二阱区(161)下方的第二屏蔽区(164)。

5.一种复合型碳化硅mosfet元胞结构，其特征在于：自下而上依次设有漏极(211)、第一导电类型介质层(221)、第一导电类型缓冲层(222)、第一导电类型漂移层(223)及电流扩散层(224)，电流扩散层(224)中一边设有第一复合栅极(23)，另一边设有第二复合栅极(25)；第一复合栅极(23)包括互相连接的第一沟槽栅极(231)和第一平面栅极(232)，第二复合栅极(25)包括互相连接的第二沟槽栅极和第二平面栅极；第一复合栅极(23)的左右两侧各有一个第一阱区(241)，每个第一阱区(241)的上方均有一个第一源接触区(242)；第二复合栅极(25)的左右两侧各有一个第二阱区(261)，每个第二阱区(261)的上方均有一个第二源接触区(262)；第一复合栅极(23)右侧第一阱区(241)与第二复合栅极(25)左侧第二阱区(261)之间设有第一导电类型半导体(27)；所述元胞结构还包括接触区(243)，接触区(243)包围着第一复合栅极(23)左侧第一阱区(241)的左侧和后方、左侧第一阱区(241)上方第一源接触区(242)的左侧和后方、第一复合栅极(23)右侧第一阱区(241)的后方、右侧第一阱区(241)上方第一源接触区(242)的后方、第一导电类型半导体(27)的后方、第二复合栅极(25)左侧第二阱区(261)的后方、左侧第二阱区(261)上方第二源接触区(262)的后方、第二复合栅极(25)右侧第二阱区(261)的右侧和后方、右侧第二阱区(261)上方第二源接触区(262)的右侧和后方；第一复合栅极(23)左侧的第一源接触区(242)和接触区(243)的上方设有第一源极金属(245)，第二复合栅极(25)右侧的第二源接触区(262)和接触区(243)的上方设有第二源极金属(265)；第一源极金属(245)和第二源极金属(265)均连接源极(212)，第一复合栅极(23)和第二复合栅极(25)均连接栅极(213)；第一源接触区(242)和第二源接触区(262)均为第一导电类型，第一阱区(241)、第二阱区(261)和接触区(243)均为第二导电类型。

6.根据权利要求5所述的复合型碳化硅mosfet元胞结构，其特征在于：所述第一沟槽栅极(231)与第一平面栅极(232)垂直连接；

7.根据权利要求5所述的复合型碳化硅mosfet元胞结构，其特征在于：所述元胞结构还包括沟槽型体二极管(28)，沟槽型体二极管包括开设在接触区(243)表面的沟槽以及设于沟槽内的金属。

8.根据权利要求5所述的复合型碳化硅mosfet元胞结构，其特征在于：所述元胞结构还包括设于第一复合栅极(23)右侧第一阱区(241)下方的第一屏蔽区(244)。

9.根据权利要求5所述的复合型碳化硅mosfet元胞结构，其特征在于：所述元胞结构还包括设于第二复合栅极(25)左侧第二阱区(261)下方的第二屏蔽区(264)。

10.一种复合型碳化硅mosfet器件，其特征在于：包括如权利要求1-9中任意一项所述的复合型碳化硅mosfet元胞结构。

技术总结
本发明公开了一种复合型碳化硅MOSFET元胞结构及器件，通过将平面栅极与沟槽栅极集成到一个MOSFET里，产生了双沟道结构，优化电流路径、有效防止电流拥挤，有效提高电流密度，降低导通电阻。无论是第一种元胞结构中设置了三个接触区，还是第二种元胞结构中设置了一个接触区，都能够形成体二极管，产生二极管反向模式，能够支持高击穿电压和向第一导电类型漂移层的耗尽扩展。此外，本发明提出了两种元胞结构，第一种是采用分离的沟槽栅极和平面栅极，这样能够实现宽单元间距和较大的元胞尺寸，第二种是采用互相连接的沟槽栅极和平面栅极，这样能够实现窄单元间距和较小的元胞尺寸，能够供实际使用时灵活选择，从而优化制造工艺和器件布局。

技术研发人员：姜利达,刘昊
受保护的技术使用者：无锡芯动半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27