垂直型碳化硅晶体管的结构、制造方法及电子设备与流程

本申请属于半导体，尤其涉及一种垂直型碳化硅晶体管的结构、制造方法及电子设备。

背景技术：

1、碳化硅（sic）功率金属-氧化-半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor，mosfet)由于其更快的开关速度、更低的开关损耗和更高的工作温度范围，已成为电动汽车和光伏逆变器等高功率应用中硅绝缘栅双极晶体管（igbt）的有力竞争对手。在实际应用中，mosfet 需要反并联二极管来处理反向电流，硅基mosfet常采用体二极管来反向续流，但是对于sic mosfet，其材料带隙较宽，体二极管开启电压（约2.7v）远高于硅基mosfet（约1.5v），续流通道难以开启，因此应用中可能造成器件损坏，影响器件可靠性。

2、通常将碳化硅晶体管将sic mosfet与肖特基势垒二极管（schottky barrierdiode, sbd)或结型场效应管（junction field-effect transistor，jfet）反并联集成可以起到反向续流作用，但通常并联在平面，其会使芯片面积有所增大；也有相关的碳化硅晶体管通过分裂栅控制续流通道的开启，但其存在栅极可靠性、工艺复杂以及电流密度低的问题。

3、故相关的碳化硅晶体管存在续流通道难以开启、芯片面积大、可靠性差、工艺复杂以及电流密度低的缺陷。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种垂直型碳化硅晶体管的结构、制造方法及电子设备，旨在解决相关的垂直型碳化硅晶体管续流通道难以开启、芯片面积大、可靠性差、工艺复杂以及电流密度低的问题。

2、本申请实施例提供了一种垂直型碳化硅晶体管的结构，包括左右对称的两个子场效应管结构，左右对称的切面为矢状面，所述子场效应管结构包括：

3、衬底；

4、位于所述衬底的上表面的漂移层；

5、位于所述漂移层上表面的第一有源层；

6、位于所述第一有源层上表面的第二有源层；

7、位于远离所述矢状面一侧且贯穿所述第一有源层和所述第二有源层的栅极结构；

8、位于所述矢状面一侧且贯穿第一有源区和第三有源区的源极沟槽；

9、位于所述漂移层上表面且设置于源极沟槽侧面的所述第一有源区；

10、位于源极沟槽底部和所述源极沟槽侧面下半部分且设置于所述漂移层中的第二有源区；

11、位于所述第一有源区和所述第二有源区之间且设置于所述源极沟槽侧面的所述第三有源区；

12、其中，所述第一有源层、所述第一有源区和所述第二有源区为第一类型；所述衬底、所述漂移层、第二有源层和所述第三有源区为第二类型。

13、在其中一个实施例中，所述子场效应管结构还包括：

14、位于所述矢状面一侧且所述漂移层中且位于所述第二有源区下表面的高k介质柱；

15、所述高k介质柱的材料包括高k介质且绝缘的材料。

16、在其中一个实施例中，所述子场效应管结构还包括：

17、位于所述漂移层和所述第一有源层之间的电荷存储层；

18、所述第一有源区位于所述电荷存储层上表面且设置于源极沟槽侧面；

19、第二有源区位于源极沟槽底部和所述源极沟槽侧面下半部分且设置于所述漂移层上表面。

20、在其中一个实施例中，所述第一类型为p型，所述第二类型为n型；或者

21、所述第一类型为n型，所述第二类型为p型；

22、所述第三有源区和所述源极沟槽的底部的距离大于或等于0.5微米。

23、在其中一个实施例中，还包括：

24、覆盖所述第二有源层、所述第一有源区和所述源极沟槽的第一金属层；

25、位于所述衬底的下表面的第二金属层；

26、与所述栅极结构连接的第三金属层；

27、所述第一金属层为所述垂直型碳化硅晶体管的源极电极，所述第二金属层为所述垂直型碳化硅晶体管的漏极电极，所述第三金属层为所述垂直型碳化硅晶体管的栅极电极。

28、在其中一个实施例中，所述栅极结构的材料包括二氧化硅和多晶硅；所述漂移层、所述第一有源层、所述第二有源层、所述第一有源区、所述第二有源区和所述第三有源区的材料包括碳化硅。

29、本申请实施例提供了还一种垂直型碳化硅晶体管的制造方法，垂直型碳化硅晶体管左右对称，且左右对称的切面为矢状面，所述制造方法包括：

30、在衬底的上表面形成漂移层；

31、在所述矢状面一侧形成第二有源区，并在所述第二有源区上表面形成第三有源区；

32、在所述漂移层上表面形成第一有源层，在所述第一有源层上表面形成第二有源层，且在所述第三有源区的上表面形成第一有源区；

33、在远离所述矢状面一侧形成第一沟槽，在所述矢状面一侧形成源极沟槽；其中，所述第一沟槽贯穿所述第一有源层和所述第二有源层；所述源极沟槽均贯穿所述第一有源区和所述第三有源区；

34、在所述第一沟槽内形成栅极结构。

35、在其中一个实施例中，在衬底的上表面形成漂移层之后还包括：

36、在所述漂移层中所述矢状面一侧形成高k介质柱，且在所述高k介质柱的上表面和所述漂移层的上表面延展所述漂移层。

37、在其中一个实施例中，在两个所述栅极结构之间形成多个第二有源层之后还包括：

38、在所述第二有源层上表面、所述第一有源区的上表面和所述源极沟槽的内部形成第一金属层；

39、在所述衬底的下表面形成第二金属层；

40、形成与所述栅极结构连接的第三金属层。

41、本申请实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括上述的垂直型碳化硅晶体管的结构。

42、本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：由于漂移层和衬底作为漏极，第一有源层作为栅极，第二有源层作为源极；当垂直型碳化硅晶体管加正向电压时，漏极和源极导通，第一有源区和第三有源区构成的pn结由于耗尽作用而使得侧壁续流通道关闭，即续流通道截止。当垂直型碳化硅晶体管加反向电压时，漏极和源极关断，第一有源区和第三有源区构成的pn结正偏，耗尽层消失，使得侧壁续流通道导通，从而无需将sic mosfet与肖特基势垒二极管或结型场效应管反并联集成即可以起到反向续流作用，减小了续流通道开启电压和芯片面积，续流通道易于开启，增大了可靠性和电流密度，简化了工艺。

技术特征：

1.一种垂直型碳化硅晶体管的结构，其特征在于，包括左右对称的两个子场效应管结构，左右对称的切面为矢状面，所述子场效应管结构包括：

2.如权利要求1所述的垂直型碳化硅晶体管的结构，其特征在于，所述子场效应管结构还包括：

3.如权利要求1所述的垂直型碳化硅晶体管的结构，其特征在于，所述子场效应管结构还包括：

4.如权利要求1所述的垂直型碳化硅晶体管的结构，其特征在于，所述第一类型为p型，所述第二类型为n型；或者

5.如权利要求1所述的垂直型碳化硅晶体管的结构，其特征在于，还包括：

6.如权利要求1至5任意一项所述的垂直型碳化硅晶体管的结构，其特征在于，所述栅极结构的材料包括二氧化硅和多晶硅；所述漂移层、所述第一有源层、所述第二有源层、所述第一有源区、所述第二有源区和所述第三有源区的材料包括碳化硅。

7.一种垂直型碳化硅晶体管的制造方法，其特征在于，垂直型碳化硅晶体管左右对称，且左右对称的切面为矢状面，所述制造方法包括：

8.如权利要求7所述的垂直型碳化硅晶体管的制造方法，其特征在于，在衬底的上表面形成漂移层之后还包括：

9.如权利要求7所述的垂直型碳化硅晶体管的制造方法，其特征在于，在两个所述栅极结构之间形成多个第二有源层之后还包括：

10.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求1至6任意一项所述的垂直型碳化硅晶体管的结构。

技术总结
一种垂直型碳化硅晶体管的结构、制造方法及电子设备，属于半导体技术领域，包括左右对称的两个子场效应管结构，对称的切面为矢状面，子场效应管结构包括衬底、漂移层、第一有源层、第二有源层、栅极结构、源极沟槽、第一有源区至第三有源区；衬底、漂移层、第一有源层、第二有源层至下而上依次设置；远离矢状面一侧的栅极结构贯穿第一有源层和第二有源层；源极沟槽位于矢状面一侧；第一有源区位于漂移层上表面且设置于源极沟槽侧面；第二有源区位于源极沟槽底部和侧面下半部分且设置于漂移层中；第三有源区位于第一有源区和第二有源区之间且设置于源极沟槽侧面；减小续流通道开启电压和芯片面积，增大可靠性和电流密度，简化工艺。

技术研发人员：乔凯
受保护的技术使用者：深圳天狼芯半导体有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21